Systematic identification of signaling pathways with potential to confer anticancer drug resistance

Colin A. Martz., et. al. (2014) Sci. Signal. 7(357): ra121.

http://stke.sciencemag.org/content/7/357/ra121

  항암 치료에 있어 항암제에 대한 내성 발생은 끊임없이 제기되는 큰 어려움중의 하나이다. 이런 항암제 내성은 암세포 안에서 일어나는 유전적(genetic) 변화나 다른 세포와의 상호작용 혹은 세포밖의 물질들에 의해 촉진되는 후성적(epigenetic) 변화로 인해 기인한다. 암의 종류마다, 항암제의 종류마다 암세포에서 일어나는 변화는 각각 다르지만, 결론적으로는 모두 암세포의 생존(survival)을 높이고 성장(growth)을 촉진하는 방향으로 귀결된다.  암종류와 항암제의 종류에 따라 각각 다른 기작이 일어나지만 그 종착점은 결국 암세포의 끊임없는 증식이라는 점은 세포의 성장과 생존에 관여하는 신호전달 경로의 활성화가 항암제 내성을 일으킴을 의미한다. 개인별 유전체 분석이 가능한 시대가 도래함에 따라, 이러한 세포 내 신호 전달경로에 대한 분석은 항암제 내성을 분석에 그치는 것이 아니라 특정 항암제의 내성을 예측하고, 2가지 이상의 항암제를 같이 치료하는 병용 요법(combination therapy)를 수행하는 것에도 많은 도움을 줄 수 있다.

  2014년 Science Signaling에 게재된 이 연구에서는 지금까지 유전자 단위에서의 변화를 살펴봤던 기존의 연구들과는 차별적으로 세포 내 신호전달 경로를 단위로 하여 항암제 내성에 관여할 가능성이 있는 신호전달 경로를 찾아내는 방법을 수립하고, 이를 이용하여 대표적인 13 종류의 항암제들의 내성유도 관련 신호전달 경로를 찾아내었다. 그 결과 지금까지 항암제 내성 유도의 측면에서는 알려진 바가 별로 없었던 Notch1 signaling을 찾아 내었고, 실제로 유방암과 피부암에서 이 신호전달 경로의 활성화가 항암제 내성을 유도하는 것을 증명하였다. 나아가 각각 다른 피부암세포에 대하여 각각 다른 신호전달 경로를 선택적으로 저해(inhibition)함으로 항암제에 대한 감수성을 다시 높인(re-sensitization) 결과를 얻어 combination therapy 방법의 방향을 제시하였다.

Method.

  항암제 내성에 관련한 신호전달 경로를 찾기 위해 연구진은 암세포에서 잘 알려져있는 생존 및 성장과 관련된 17개의 신호 전달 경로를 선정하였다. 각 신호경로마다 핵심되는 유전자들을 1~3개씩 선정하여 항상 활성이 있거나 항상 비활성상태를 유지하는 돌연변이 유전자를 제작하였다 (Fig 1).  돌연변이 유전자를 모두 한번에 암세포 집단에 주입하고 난 뒤, 항암제와 같이 배양하여 항암제에 내성을 가지게 된 세포를 찾아내고, 어떤 돌연변이 유전자가 주입되어서 내성을 가지게 되었는지 확인하였다. 내성을 가진 암세포에서 확인된 주입시킨 돌연변이 유전자를 통해 내성을 유도하는데 관여한 신호경로를 찾아내었다.

 Fig 1. Strategy for manipulating oncogenic signaling pathways

Result.

A. 세포내 신호 경로의 재활성화와 대체 경로의 활성화

  13종류의 항암제에 대하여 17개의 신호경로의 항암제 내성 관련 여부를 조사한 결과(Fig. 2A) 각 암세포와 항암제 마다 서로 다른 신호 경로가 내성 유도에 관여할 것으로 예측되었다.

한가지 흥미로운 사실은 항암제의 표적 신호전달 경로 상에서 상위 유전자를 표적으로 하는 항암제와 하위 유전자를 표적으로 하는 항암제에서 각각 찾아낸 항암제 내성 유도 신호전달 경로가 서로 다르다는 것이다. 신호전달 경로상의 상위 유전자를 표적으로 하는 경우 표적 신호 전달 경로가 다시 재활성화 되는 방향으로 내성의 유도가 일어나는데 반해, 하위 유전자를 표적으로 하는 경우에는 새로운 대체 신호경로가 내성을 유도하는 것으로 나타났다 (Fig. 2B). 이 과정에서 지금까지는 유방암이나 피부암에서 항암제 내성과 결부되지 않았던 Notch1 signaling을 찾아내었다.

 Fig 2. Global analysis of screening results

B. 유방암에서 Notch1 signaling 에 의한 항암제 tamoxifen 내성 유도

  Tamoxifen은 유방암에서 널리 쓰이는 대표적인 항암제 중의 하나이다. 연구진은 서로 다른 타입의 유방암들에서 모두 ch1 signaling이 Tamoxifen에 대한 내성을 유도할 수 있음을 밝혀내었다. Tamoxifen에 내성을 가진 유방암 세포들에서 Notch1 signaling 에 관련된 여러 유전자들이 활성활 된 것을 확인하였으며, mouse xenocraft 실험을 통해 Notch1 signaling을 저해하면, 유방암의 tamoxifen 내성이 약해짐을 확인하였다. 또한, tamoxifen을 처방한 유방암 환자들 중에서 Notch1 signaling이 활성화된 환자들과 비활성화되어 있는 환자들 사이에 생존률이 유의하게 차이가 남을 확인하였다.

C. 피부암(melanoma)에서 Notch1 signaling에 의한 항암제 내성 유도

  피부암에서도 유방암과 비슷한 결과를 얻었다. 피부암세포에 Notch1 signaling을 활성화 시킨 경우 서로 다른 3 종류의 항암제(PLX4720, AZD6244, VX-11E)에 모두 내성을 나타냈으며, 이 경우 유방암때와 마찬가지로 Notch1 signaling 에 관련된 유전자들이 활성화 된 것이 확인되었다. 나아가 피부암의 경우에는 상피세포가 간충직 세포로 변환되는 EMT(Epithelial Mesenchymal Transition, 암의 전이와 밀접한 관련이 있음)의 marker 유전자의 발현이 관찰되었으며, 피부세포로 분화되기 전 단계인 melanocyte의 marker 유전자의 발현도 관찰되었는데, 이는 Notch1 signaling의 활성화가 피부암의 경우 피부세포의 역분화를 일으키거나 간충직 세포(mesenchyma cell)로의 변형을 일으킴을 의미한다. 다른 암종류에서 이미 EMT의 활성화나 줄기세포(stem cell)로의 역분화가 항암제 내성과 밀접한 관련이 있다는 보고들에 비추어 볼 때, 피부암에서 Notch1 signlaing에 의한 항암제 내성 유도 과정은 이러한 기작들이 작동하여 항암제 내성을 획득함을 암시해 주고 있다.

D. Combination therapy

  마지막으로 연구진은 2개 이상의 약물을 처리하는 combination therapy의 방법에 대하여 제시하였다. 연구진은 총 12종류의 피부암 세포주를 가지고 VX-11E 항암제에 대한 내성을 실험하였다. 그 결과 8개의 세포주에서 내성이 관찰되었다. 내성을 가진 세포주를 분석하여 내성과 관련된 활성 신호 경로를 찾아내서 선택적으로 저해해본 결과 VX-11E 항암제에 대한 감수성이 회복됨을 확인하였다(Fig 3. (Figure 5 in published paper)).

Fig 3. Simultaneous co-inhibition of multiple drug resistance pathways converts intrinsically drug-resistant melanoma cell lines and short-term cultures to a drugsensitive state.

Summary

  이 연구는 유전자 단위에서 분석하는 기존의 방법에서 한 단계 나아가 신호 전달 경로 자체를 하나의 단위로 분석하는 방법을 새롭게 제시하였으며, 이 방법을 통해 유방암과 피부암에서 지금까지 항암제 내성과 관련하여 크게 알려지지 않았던 Notch1 signaling 이 항암제 내성 획득에 중요한 신호 전달 과정임을 밝혔다. 나아가 세포 내 내성관련 신호 전달체계를 분석함으로 각 세포마다 다른 방법으로 항암제 감수성을 회복시킬 수 있음을 보였다. 이는 향후 암 치료의 방향으로 대두되고 있는 환자 맞춤형 치료 및 병용 치료에 한 방법을 제시하였다고 할 수 있다.