[붙임] 용어설명

1.연구배경

암세포는 산소가 부족한 환경에서 살아남기 위해 다양한 생리 신호를 조절한다. 대표적으로 ‘저산소 유도 인자(HIF1α)’는 산소 농도가 낮을 때 발현돼, 대사조절, 혈관 생성, 세포 이동 및 생존을 유도하는 종양을 촉진하는 전사인자 단백질로 알려져 있다.

그러나 일부 암세포는 산소가 충분함에도 ‘산소가 부족한 것처럼 위장’해 HIF1α를 과도하게 활성화하고, 이를 통해 종양의 성장과 전이 능력을 강화하는 경향을 보인다. 이런 현상은 여러 암 조직에서 빈번히 관찰되지만, 전이 과정에서의 급격히 변하는 산소 농도 환경 속에서도 HIF1α가 지속적으로 활성화되는 정확한 분자 경로는 명확히 밝혀지지 않았다.

2.연구내용

연구팀은 흑색종 세포에서 HIF1α의 안정화가 산소 부족에 의한 것이 아니라, 미토콘드리아에서 만들어지는 활성산소 (reactive oxygen species, ROS)로 유도되는 회로임을 처음으로 규명했다.

구체적으로, 암세포는 CypD 단백질의 발현을 억제함으로써 미토콘드리아 투과성 전이공(mitochondrial permeability transition pore, mPTP)을 닫힌 상태로 유지했다. 이로 인해 미토콘드리아 내부의 칼슘 농도가 증가하고, 이는 산화적 인산화(oxidative phosphorylation) 등의 에너지 대사를 촉진시켜 전자전달계를 통한 ROS 생성을 증가시켰다.

ROS가 축적되면서, 대개 산소 농도가 낮을 때 억제된다고 알려진 HIF1α 분해 효소(prolyl hydroxylase, PHD)의 활성이 산소가 충분한 조건에서도 비정상적으로 억제되었다. 그 결과 HIF1α는 분해되지 않고 안정화되며, 이는 정상적인 산소 농도에서도 마치 저산소 상태처럼 작동하는 유사 저산소 환경(pseudohypoxia)을 유도하였다.

안정화된 HIF1α는 마이크로RNA(miR-23a, miR-27a 등)를 매개로 다시 CypD 발현을 억제함으로써, “HIF1α 안정화 → CypD 억제̀ → 미토콘드리아 생리변화 → ROS 생성 → HIF1α 안정화”로 이어지는 피드백 회로를 형성하였다. 이를 통해 암세포는 산소 농도와 무관하게 지속적으로 가짜 저산소 상태를 유지하며 전이 능력을 확보함을 확인하였다.

연구진은 이 회로를 차단하기 위해, CypD 유전자를 탑재한 아데노바이러스 벡터(Ad-CypD)를 흑색종 모델에 국소 주입했다. 그 결과 CypD 단백질의 발현이 회복되며 mPTP가 개방되었으며, 미토콘드리아의 에너지 대사와 ROS가 감소함에 따라 PHD 활성이 회복되어 HIF1α가 분해되고 암세포의 전이가 차단되었다. 특히, CypD 유전자 치료 전략은 흑색종의 림프절 및 폐 전이를 효과적으로 억제하였으며, 동일한 회로가 간암(Hep3B)과 전립선암(PC3) 세포에서도 작동함을 확인하여, 본 기전이 다양한 고형암에 적용될 수 있음을 입증했다.

3.기대효과

이번 연구는 암세포가 스스로 만들어낸 가짜 저산소 (pseudohypoxia)회로의 분자기전을 정밀하게 규명하고, 이를 효과적으로 차단할 수 있는 치료 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 특히 흑색종은 표적 치료제가 제한적이고 전이 속도가 빠른 난치성 암종으로, 이번에 제안된 CypD 기반 유전자 치료 전략은 단순한 국소적 암전이 억제를 넘어, 면역항암제를 포함한 기존 항암 약물과의 병용요법으로의 확장 가능성도 높다.

또한 이 전략은 HIF1α의 전사 표적에 해당하는 암전이 관련 상피-중배엽 전이(epithelial–mesenchymal transition, EMT) 뿐만 아니라 혈관신생, 면역 조절, 대사 재편성 등 다양한 암 특성을 동시에 조절할 수 있는 기초를 제공하며, 이를 통해 넓은 스펙트럼의 항암 전략으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.저산소 유도 인자 1알파 (HIF1α, Hypoxia-Inducible Factor 1-alpha)

HIF1α는 저산소 유도 인자(hypoxia-inducible factor 1, HIF1) 복합체의 핵심 구성 요소로, 세포가 산소 부족 상태(hypoxia)에 적응하도록 유전자 발현을 조절하는 전사 인자(transcription factor)이다. HIF1α는 산소 농도에 민감하게 반응하여 안정성과 활성이 조절되며, 특히 다양한 종양 조직에서 암세포의 대사 변성, 생존, 전이, 약물저항성 획득 뿐만 아니라, 신생혈관생성, 면역회피 등 다양한 종양 특성을 조절하는 핵심 인자인다.

2.투과성 전이공 (mPTP, mitochondrial Permeability Transition Pore)

미토콘드리아 안팎의 물질이 드나드는 통로. 일반적으로 미토콘드리아 내막에 존재하는 ATP synthase를 포함한 여러 종류의 막 단백질이 mPTP를 형성하는 것으로 알려진다. 하지만, 이 통로의 열리고 닫힘은 사이클로필린 D (CypD)에 의해 조절되는 것으로 보고되어 있다.

3.사이클로필린 D (CypD, Cyclophilin D)

미토콘드리아 기질(matrix)에 위치하며 단백질 접힘을 조절하는 단백질. 특히, 미토콘드리아 내막에 존재하는 mPTP의 열림을 조절하여, 미토콘드리아의 칼슘 농도, 에너지 대사 경로, 활성산소 신호 전달 등을 조절한다.

4.활성산소 (ROS, Reactive Oxygen Species)

세포 대사 과정에서 자연스럽게 발생하는 산소 기반의 반응성 분자. 적정 수준의 ROS는 정상적인 세포의 신호전달, 면역 반응, 항상성 유지에 필요하지만, 과도하게 축적되면 생체 물질의 손상을 유발하여 병리적 상태를 유발할 수 있다.

5.PH 도메인 효소 (PHD, Prolyl Hydroxylase Domain enzyme)

HIF1α를 포함한 HIF-α subunit 단백질의 산소 의존적 분해를 조절하는 효소. PHD 효소는 프로린 잔기(proline residue)를 수산화(hydroxylation)하여 HIF1α를 프로테아좀에 의해 분해되도록 유도한다.

[붙임] 그림설명

그림설명. CypD 단백질의 미토콘드리아 기능 조절과 암전이 억제 효과

A. CypD 발현 조절에 따른 미토콘드리아 기능 변화.  CypD는 미토콘드리아 투과성 전이공 (mPTP)의 개폐를 조절하는 단백질. CypD가 결실된 세포에서는 mPTP가 닫히며, 미토콘드리아의 막전위(붉은색으로 염색)가 오랫동안 유지됨. 반대로, CypD를 과발현하면 mPTP가 자주 열리면서 막전위가 소실된 부위(초록색 염색)가 증가함 B. CypD 과발현에 따른 암세포의 침윤 억제. CypD를 과발현시킨 흑색종 암세포는 실험동물의 피부조직 내에서 주변 진피 조직으로의 침윤 능력이 현저히 억제됨 C. CypD 기반 유전자 치료의 전이 억제 효과. CypD 유전자를 피부암 조직에 직접 주입한 결과, 림프절로의 암세포 전이 빈도가 대폭 감소함.