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영민 방
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SPECIAL LECTURE III THE KOREAN JOURNAL OF PANCREAS AND BILIARY TRACT Genetics and Genomics of Human ABC Transporters 김소원ㆍ이지현ㆍ이민구 연세대학교의과대학약리학교실 ATP-binding cassette (ABC) transporters constitute a

1 SPECIAL LECTURE III THE KOREAN JOURNAL OF PANCREAS AND BILIARY TRACT Genetics and Genomics of Human ABC Transporters 김소원ㆍ이지현ㆍ이민구 연세대학교의과대학약리학교실 ATP-binding cassette (ABC) transporters constitute a large family of membrane proteins found in human and other organisms. The ABC proteins provide nutrients to the cells, protect them from a wide range of toxic compounds, and regulate basic biologic processes of essential organs such as alimentary tract, liver, kidney, and central nervous system. Consequently, mutations affecting ABC transporters have been found to be the underlying causes for a large number of human inherited diseases and to be associated with the individual diversity of drug responses. Currently, 49 ABC transporter genes were identified in human genome and classified into 7 subfamilies according to their sequence homologies; MDR/TAP, ALD, MRP/CFTR, ABC1, White, OABP, and GCN20. Among them, multi-drug resistance (MDR) and multi-drug resistance associated protein (MRP) subfamilies are the prime candidate for xenobiotic transporters. Thus, identifying the individual genetic variations of these transporters carries significant meaning in pharmacotherapy of post-genomic era, because such genetic variants are likely to be an important source for the inter-individual variability in pharmacokinetics and pharmacodynamics of many drugs. Identification of the functional variations of ABC transporter genes in conjunction with clinical pharmacokinetic and pharmacodynamic studies will improve the predictive value of genetic tests for tailored drug therapy. 서론 ATP-Binding Cassette (ABC) 수송단백은여러생명체에서발견되는수송단백으로두개의 ABC ( 다른이름으로는 Nucleotide Binding Domain, NBD) 부위와 2-3 개의세포막부위 (Transmembrane Domain, TMD) 로이루어지는특징이있다. 1 사람유전자에는총 49 개의 ABC 수송단백유전자가있으며, 이들은 MDR/TAP, ALD, MRP/CFTR, ABC1, White, OABP, 과 GCN20 의 7 개소그룹 (subfamily) 으로나뉜다. 세균의경우에는세포외부로부터내부로영양물질을흡수하는흡수단백 (importer) 기능을가진것과세포밖으로유해물질을배출하는배출단백 (exporter) 기능을가진것을모두갖고있다. 그러나고등생명체의경우진화과정에서흡수기능은다른수송단백으로대체되고현재주로배출기능을담당하는수송단백역할을하고있다. ABC 수송단백중에가장대표적으로알려진것은 Multi- Drug Resistance 1 (MDR1) 단백이다. 1,2 이단백은원래항암제 사용에있어약제내성을가진세포에서발현이증가되는단백으로처음알려졌다. 이경우암세포가여러약제에대하여다발적으로동시내성을갖게되어다약제내성 (Multi-Drug Resistance) 이라는명칭을얻게되었고, 기능적으로 MDR1 단백은항암제를세포밖으로퍼내는 pump 기능을갖고있다. 이후 MDR1 과유사한단백들이추가적으로많이발견되었으며이에는 MRP (Multidrug Resistance Protein 혹은 MDR-Related Protein) 10 종류와 BCRP (Breast Cancer Resistance Protein) 등이있다. 3 이들은단순히암세포에만있는것이아니라혈액 - 뇌장벽, 간장, 신장, 장세포등우리몸의여러곳에존재하면서독성화학물질을우리몸밖으로배출하는작용을하고있다. 이외에도 ABC 수송단백은인체의생리기능수행에여러가지중요한작용을하는것이알려졌는데예를들면, 1) ABCA1 은 phosphatidyl choline 수송을통한세포 cholesterol 제거기능을하고, 4 2) SUR1, 2 는 KATP 통로의구성성분으로췌장베타세포의인슐린분비와심장세포의흥분성조절에, 5 그리고 3) CFTR 은호흡계, 소화계, 비뇨생식계점액형성에주된역할을하며 6 이들유전자의돌연변이는해당기능의손상을가져오 77

2 김소원외 2 인 78 는질병을일으킨다. 본연제에서는다양한 ABC 수송단백의기능중, 본연구진이근래수행한 1) 맞춤약치료대상으로서의 ABC 수송단백유전자연구와 2) 췌장질환과관계된 ABC 수송단백의역할에대하여소개하고자한다. 본론 1. 약물유전체연구와 ABC수송단백유전자현재의약물치료는임상시험에서결정된약물의표준용량을참고로한임상의사의주관적처방에의해대부분이루어지고있으며, 일부위험한약물에한하여치료적약물농도모니터링이시행되고있다. 그러나약물치료효과는개인에따라다양한형태로나타나게된다. 맞춤약치료는환자의환경적, 유전적요인을고려하여각개인에알맞은최적의약물치료를하고자하는시도이다. 7 환자의질병, 영양상태등의환경적요인, 및다른약물과의상호작용등의유전적요인은현재많은지식이축적되어있으며이중중요한내용은약물시판시안내서에포함되어있어서임상의사들이참고하도록하고있다. 그러나아직도약물효과의다양성을야기하는유전적요인에대해서많은것이밝혀져있지않아서적절한약의종류와용량을결정하는데많은기간과비용이소모되고있으며약물부작용으로인한경제적부담또한사회적문제가되고있다. 따라서맞춤약치료시행에있어핵심적근거를마련하는약물유전체학연구가관심을받고있으며, 약물반응메커니즘중약물배출에관여하는유전자군의하나인 ABC 수송단백은약동학 (pharmacokinetics) 및약력학 (Pharmacodynamics) 에기여하는바가크기때문에집중적으로연구되고있다. 8 1) ABC 수송단백 : 인체내약물수송은 ABC 수송단백과 SLC (solute-linked carrier) 수송단백에의하여이루어지고있으며각단백이다른특성을가지고있다. 2 SLC 수송단백은해당기질의전기화학적에너지차이 (electrochemical gradient) 에순응하여물질을수송하고, ABC 수송단백은에너지를소모하면서한쪽방향으로물질을수송한다. 일반적으로 ABC 수송단백은두개의 TMD와두개의 NBD 로구성되어있으며, 세포 막에묻혀있는각 TMD는 6개의 alpha helix 로되어있으며기질을인식하는역할을한다. 1 ATP가붙는장소를제공하는 NBD는 cytoplasm 에위치하며 TMD 와다르게세균부터사람에이르기까지단백서열이잘보존되어있다. ABC 수송단백은 ATP를분해하여물질을수송하는일차능동수송을하는데, 기질이 TMD의 high affinity region 에들어오면서로떨어져있던 NBD 각각에 ATP 가붙음으로써두 NBD가결합하고 ATP 의가수분해로부터 TMD의구조에변화를일으켜기질을세포밖으로내보내는 ATP-switch model 가설로기질수송메커니즘을설명하고있다. 인체에서는주로농도에역행하여세포내부에서외부로기질을수송하는것으로알려져있다 (Fig. 1). 1 약동학과관련된약물의이동경로에유기물수송단백이많이분포하지만특히약물의배설기관인간세포에는다량의다양한수송단백과대사효소가발현하고있다. 1 간에서대사되기전의약물은지질용해도가높아단순확산을통해혈액으로부터세포안으로들어오게된다. 이후간에서대사된약물은친수성으로변하게되므로수송단백의도움을받아야세포막을통과하여세포밖으로나갈수있으며, 이과정은주로에너지를소모하여약물을수송하는 ABC 수송단백이담당한다. 간의상피세포와 canaliculi 에서일부 ABC 수송단백은내강막에존재하여약물을배출하며 (Fig. 2), 신장에존재하는 ABC 수송단백또한상피세포의내강막에서약물을배출하여최종적으로대변및소변으로약물을배설한다. 따라서인체내의곳곳에위치한 ABC 수송단백의기능이저하되거나증가한사람의경우, 약물에대한반응성혹은특정장기의기능이나항상성에영향을받을수있다. 2) ABC 수송단백과약인성간손상약인성간손상은임상에서드물지않게관찰되는것으로서현재상용되는대부분의약물이간손상을일으킬가능성을가지고있다. 약인성간손상은 1) 약물및약물대사물질이직접적으로간세포에독성물질로작용하거나면역반응을유발하는경우, 2) 약물이내인성독성물질인담즙산과그유도체의배설을방해하는경우에의하여발생하며이에따라약인성간손상은각각 hepatocellular, cholestatic, mixed type 등으로분류할수있다. 간세포의수송단백들은약물과담즙의배설에많 Fig. 1. ABC 수송단백의작용모식도.

3 Genetics and Genomics of Human ABC Transporters 79 은기여를하고있기때문에, 이들단백의기능 / 발현변동은간내약물이나담즙의축적등을유발하여약인성간손상을일으킨다. MRP2 (ABCC2) 는간세포에위치한주요 ABC 수송단백의하나로약물과담즙산을간세포에서담도로수송한다. MRP2 단백유전자의 exon 과 promoter 부위에서 12 개의유전자변이 (SNP, single nucleotide polymorphism) 가한국인에서발견되었다. 9 이중 promoter 부위의 SNP 들이건강한사람에비하여약인성간손상환자들에서높은빈도로존재하는것을본연구진은최근발견하였으며, 추가분자생물학적연구에서 promoter 부위의 SNP 들 (g.-1774delg, g.-1549g>a, g.-24c> T) 이 MRP2 의 promoter 기능을감소시킴으로써약인성간손상을유발할수있음을확인하였다 (Fig. 3). 9 3) ABC 수송단백과중추신경계약물반응성혈액 - 뇌장벽 (BBB, blood brain barrier) 에도다양한종류의 ABC 수송단백이위치하여뇌실질에서혈액으로물질을배출한다. 1 중추신경계의 ABC 수송단백들은인체방어기전측면에서중요하며각종유해물질로부터뇌세포를보호하는역할을하고있다. 약물의경우도독성물질의일종으로수송단백이인식하므로중추신경계에있는 ABC 수송단백의기능과양이유전적원인에의하여달라질경우, 약물배출양에변동이생겨 Fig. 2. 간세포에존재하는유기물수송단백. 이중 MDR1, MDR3, MRP2, 및 BSEP 은 canalicular membrane 에존재하는 ABC 수송단백이고, MRP1, MRP3, MRP3 는 sinusoidal membrane 에존재하는 ABC 수송단백이다. 그외 AE2, NTCP, OATP, OAT, OCT 등은 SLC 계열의수송단백이다. Fig. 3. MRP2 유전변이에따른 promoter 능력변동. 정상형인 GGCG 일배체형 (haplotype) 에비하여약인성독성간염환자에서자주발견되는 (-)GCG, GATG 일배체형은 promoter 활성이감소되어있다.

4 김소원외 2 인 80 Fig. 4. 중추신경계약물과 ABC 수송단백. ( 좌 ) MRP1 에의한 citalopram 수송. MRP1 은혈액 - 뇌장벽과신경세포에있다. MRP1 은신경세포에서는세포밖으로약제를내보낸다. 혈액 - 뇌장벽에서는일반적인 ABC 수송단백과다르게 MRP1 이혈관내피세포의 abluminal membrane 에존재하여약제를뇌조직 interstitium 으로수송한다. 따라서기능이증가된유전형의경우항우울제가작용하는 synaptic cleft 에서의농도가증가한다. ( 우 ) 표준형 (417V) 과변이형 (417I) MRP2 의 carbamazepine 수송능력차이. 변이형 (417I-MRP2) 은항간질제 carbamazepine 의수송능력이감소되어있고따라서뇌실질내의약물농도가증가되어중추신경계부작용의위험성이높아진다. 뇌내부의약물농도가높아지거나혹은낮아질가능성이있다. 따라서약물반응성이개인별로차이가날수도있고예상치못한약물부작용이발생할수있다. 주요우울증의치료제로널리처방되고있는선택적세로토닌재흡수억제제 (SSRI, selective serotonin reuptake inhibitor) 인 citalopram 은혈액-뇌장벽의 ABC 수송단백중하나인 MRP1 (ABCC1, multidrug resistance related protein 1) 에의하여수송된다. 한국인에서 MRP1 유전자에 9개의 SNP가존재하는것이발견되었는데, 이중 40번째 exon과 3'UTR (untranslated region) 에위치한두 site에서 (c.4002g>a, c.5462t> A) SNP를가지면 MRP1 mrna의발현량이증가하게된다. 10 흥미로운사실은이런환자들은 citalopram 치료에더좋은약물반응성을보이게된다 (Fig. 4, 좌 ). 10 혈액-뇌장벽수송단백의영향을받는또다른약제로항간질제제가있다. 대표적인항간질약제인 carbamazepine 은혈액-뇌장벽의 MRP2 단백에의하여수송된다. 한국인 MRP2 유전자에서발견된 5곳의 SNP 중 exon에서아미노산서열이바뀌는 c.1249g>a (p.v417i) MRP2 변이형단백은 carbamazepine 의수송능력이표준형에비해감소하게된다. 또한이 SNP을보유한간질환자들은중추신경계부작용을경험할확률이더높은것으로판별되었다 (Fig. 4, 우 ). 11 4) 약물유전체학연구의발전최근약물유전체학연구는유전자분석기법의기술적인발전에따라급진적으로발전하는추세이다. 사람유전체의정보 를읽어내는기술의급속한발전은다양한의학분야에응용이가능하며, 이는약물반응에관여하는유전자에대한정보를얻을때에도적용될수있다. 12 가장고전적이고정확도가높은방법인 direct Sanger sequencing 방법이과거에는많이사용되었으나많은양의정보를얻기에는엄청난가격, 노동력과시간이투자되어야하는단점이있다. 최근에는저렴한비용으로타겟영역에대해빠른시간에많은염기서열정보를획득하는새로운차세대염기서열분석기법 (Targeted NGS; Next Generation Sequencing) 들이개발되고있다. 현재널리사용되고있는타겟포획방법으로는한번의 reaction 으로약 4000 종류의 product 를증폭할수있는 PCR 기법, gap filling 방식을응용한 MIP (molecular inversion probe) 기법, chip 위에서혹은 solution 상태에서진행할수있는 hybrid capture 기법이주로사용되고있으며, 각각의방법에장단점이존재한다. Targeted NGS 방법도단점이없는것은아니지만기존의시퀀싱방식에비해훨씬저렴한비용으로대량의정보를한번에얻을수있다는장점으로많은연구에적용되고있다. 최근미국에본사를둔 Raindance Technoligies 사는 NGS 기법을이용하여약물반응과관련된 240 여개유전자의서열을분석하는제품을출시한바있다 ( 본연구진은수송단백유전자 68 개를포함한주요약물반응관련유전자 280 여개의염기서열을한번에 100 명이상샘플에서분석하는플랫폼을개발하여현재시험분석중에있으며, 이기술은앞으로한국인에서의관련

5 Genetics and Genomics of Human ABC Transporters 81 Fig. 5. 췌장세포의담즙수송단백. ( 좌 ) 담석에의하여 Ampulla of Vater 가막힐경우담즙이췌관으로역류하거나췌장실질조직으로유출될수있다. ( 우 ) 췌장세포내에담즙이들어가면 SERCA (sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca 2+ ATPase) 를억제하여세포내 Ca 2+ 농도가증가한다. 지속적인세포내 Ca 2+ 증가는췌장염증신호활성화와세포사멸을유도한다. 췌장세포에는 OATP, NTCP, MDR1, 및 MRP3 등담즙산을수송하는단백이다수존대한다. 약물유전체연구진흥및나아가유전형분석을통한맞춤약치료에이용될것으로기대된다. 2. 췌장질환과 ABC 수송단백췌장염의여러원인중담석증에의하여담도, 특히 Ampulla of Vater 부위가막히는것이급성췌장염을유발하는요인으로알려져있다. 이경우세포독성이있는담즙이담도를역류하여췌장조직을손상시킴으로써췌장염이발생된다는가설을 Opie 가제안한바있다. 13 이이론은그동안많은반론을받았지만담도가막힐경우내강뿐아니라간질 (interstitium) 조직을통하여담즙산이췌장선세포에도달할수있으며 (Fig. 5, 좌 ), 13,14 저농도의담즙산도췌장선세포조직에서염증신호를유발할수있음이알려졌다. 아직그생리적기능이불분명하지만췌장의선세포와관세포는다량의담즙산수송단백을세포막에발현한다. 대표적으로 Na + -Taurocholate Cotransporter (NTCP) 와 Organic Anion Transporting Polypeptide (OATP) 가선세포에있으며이들은주변담즙산농도가높아지면세포내로담즙산을빠르게수송할수있다. 13 세포내담즙산이높아지면 Ca 2+ 신호가활성화되는데지속적으로세포내 Ca 2+ 농도가높아질경우세포염증및고사가유발된다 (Fig. 5, 우 ). 13 흥미로운사실은췌장세포는담즙산을세포밖으로배출시킬수있는 ABC 수송단백도다량발현한다는것이다. 15,16 특히 MRP3와 MDR1이췌장선세포와관세포에많이존재한다. 이들의생리적기능은아직잘알려져있지않지만세포독성이있는담즙산으로부터췌장세포를보호하는역할도수행하는것으로여겨진다. 또한가지의학적으로중요한것은이들수송단백이 활성화될경우췌장암세포에서항암제치료에대한저항성이증대되어항암화학요법의효용성이떨어지게되는것이다. 결론 ABC 수송단백은간장, 신장, 췌장, 장관및혈액 - 뇌장벽등여러장기에서중요생리기능을수행하고있으며, 이들조직에서 MDR/MRP 계 ABC 수송단백은독성물질의체외배출을담당하고있다. ABC 수송단백의유전자변이는약물반응개인차의주요요인이될수있으며, 따라서맞춤약치료법실현을위한약물유전체학연구의주요대상이되고있다. 최근 NGS 방법등을이용한유전자정보의대량획득과아울러변이유전자의기능을탐색하는기능유전체학 (functional genomics) 방법으로질병및약물반응성에기여하는유전자변이를발굴하려는노력이지속적으로이루어지고있으며, 이를통하여췌장질환을포함한여러질병진단 / 치료바이오마커가조속히임상에서적용될것으로기대되고있다. 참고문헌 1. Deeley RG, Westlake C, Cole SP. Transmembrane transport of endo- and xenobiotics by mammalian ATP-binding cassette multidrug resistance proteins. Physiol Rev 2006;86: Giacomini KM, Huang SM, Tweedie DJ, Benet LZ, Brouwer KL, Chu X, et al. Membrane transporters in drug development. Nat Rev Drug Discov 2010;9:

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Pharmacotherapeutics Application of New Pathogenesis on the Drug Treatment of Diabetes Young Seol Kim, M.D. Department of Endocrinology Kyung Hee Univ

Pharmacotherapeutics Application of New Pathogenesis on the Drug Treatment of Diabetes Young Seol Kim, M.D. Department of Endocrinology Kyung Hee Univ Application of New Pathogenesis on the Drug Treatment of Diabetes Young Seol Kim, M.D. Department of Endocrinology Kyung Hee University College of Medicine & Hospital E mail : ycell2@yahoo.co.kr Abstract