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미주 한
5 years ago
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1 세포사멸관련인자발굴과 분자기작에관한이해 표석능 손은수

2 머리말 21세기는지식과정보가그국가의경쟁력을좌우하는지식기반산업사회로나아가고있으며, 최고가아니면살아남을수없는무한경쟁시대가되어가고있습니다. 이러한변화속에서각국가에서는미래유망기술 (Emerging Technology) 을선정하여국가역량을집중함으로써차세대국가경쟁력을확보하려는여러가지노력을기울이고있습니다. 최근우리나라에서도미래유망기술에대한관심이어느때보다도증대되고있는가운데, 한국과학기술정보연구원에서는과학계량학적인방법으로미래국가유망기술을예측하기위한일련의연구를수행하고있습니다. 본보고서는과학기술정보데이터베이스 (SCIE) 에서최근 6 년간분야별피인용도가높은핵심논문들을가지고정보계량학적인분석을행하여선정된핵심유망연구영역에대해관련국내전문가들의자문을토대로작성된 R&D 동향보고서입니다. 본보고서가관련과학기술정보를국내에확산시키고, 미래국가유망기술의전략적육성을위한연구개발활동에작으나마도움이되었으면합니다. 마지막으로본보고서를집필한저자들의노고에감사드리며, 본고의내용은한국과학기술정보연구원의공식의견이아님을밝혀둡니다 년 12 월 한국과학기술정보연구원 원장

3 ⅰ 목차 제 1 장서론 1 1. 연구의배경 1 2. 연구의방법 2 제2장기술의개요 3 1. 연구의배경 3 2. 아폽토시스 (apoptosis) 의생화학적기전 4 3. 아폽토시스와관련된질환 6 제3장연구개발동향 9 1. 개요 9 2. 아폽토시스 (apoptosis) 관련인자 12 가. 아폽토시스수용체 12 나. 카스파아제족 (caspase family) 의역할 13 다. p53의역할 15 라. Bcl-2 족 (Bcl-2 family) 의역할 16 마. 글루탐산염 (glutamate) 및칼슘 (Ca) 농도 16 바. 세포사멸에서미토콘드리아 (mitochondria) 의역할 17 사. MAPK(mitogen-activated protein kinase) 의역할 18 아. 허혈 (ischemia) 에의한세포사멸관련인자 세포사멸 (apoptosis) 억제제연구동향 세포사멸조절요법 27 제 4 장결론및제언 29 참고문헌 33

5 ⅲ 표목차 < 표 3-1> Necrosis 와 apoptosis 의기전비교 12 < 표 3-2> Apoptosis 관련단백질및활성인자 21 그림목차 < 그림 3-1> Apoptosis 의내인성 (intrinsic) 및외인성 (extrinsic) 경로 20

6 1 제 1 장 서 론 1. 연구의배경 21세기지식기반사회에서과학기술경쟁력은국가경쟁력의원천이며, 이에세계각국들은미래의경쟁에살아남기위해핵심기술과제를선정하여연구개발에박차를가하고있다. 우리나라과학기술부도 2005년 6월 미래국가유망기술위원회 를구성하여 과학기술예측조사 ( ) 결과 (2005년 5월, 국가과학기술위원회보고 ) 에서도출된기술후보군을바탕으로 미래국가유망기술 21 을선정하여발표한바있다. 또한한국과학기술정보연구원 (KISTI) 에서는 2005 년 SCIE 논문데이터베이스를이용한정보계량학적분석을통해 미래유망연구영역선정연구 를시도하였으며, 본보고서는그결과에기초하여최근 2~3년간논문의인용도가급속히높아지고있는유망연구영역을중심으로기술논평형식으로풀이한심층적 Expert Review이다.

7 2 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 2. 연구의방법 한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에등록된논문 (1999~2005년상반기까지발표된논문 ) 중에서, 각연도및각분야별 ( 저널분류 22분야 ) 로피인용수가상위 1% 인고인용논문 (HCP; Highly cited papers) 을추출하고공인용분석 (Co-citation analysis) 및동시단어분석 (Co-word analysis) 등의과학계량학적방법들과전문가평가 (Expert evaluation) 를통해 미래유망연구영역 을도출하였다. 상기도출된미래유망연구영역중에서통계학적방법으로최근논문의인용도가급격히상승하는연구영역을과학기술분야별로추출하여본테크이슈보고서의주제로삼았다. 본보고서는세포사멸 (apoptosis) 연구분야에있어서최근많이발표되고있는논문들을종합하여관련분야연구에대한기초지식과함께세계적인연구동향을개괄적으로살펴보고, 미래핵심기술로자리잡기위한연구개발전략을제시하였다.

8 3 제 2 장 기술의개요 1. 연구의배경 인간을비롯한다세포생물이기하학적인세포의정확한수를유지하는것은세포의증식과사멸이균형을이루기때문이다. 인체를구성하는세포는자신의증식 분화 사멸프로그램의적절한조절을통하여자신의운명을결정한다. 이러한세포조절프로그램은세포내 외부에서주어지는다양한조절인자에의해활성화혹은불활성화될수있으며, 그결과세포의운명이증식 분화 사멸중어느한쪽으로결정된다 년 John Kerr의괴사 (necrosis) 연구로세포사멸에관한연구가시작되었다 1) 년 Kerr 등이쥐유방암세포가죽을때간문맥을묶은뒤간세포가죽는유형으로죽는것을발견하고위축된괴사 (shrinkage necrosis) 라고표현하였다가그리스어의 쇠퇴 (falling off) 뜻을가진 apo(off) 와 ptosis(falling) 의합성어인 아폽토시

9 4 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 스 (apoptosis) 라고명명하였다. Andrew Wyllie와 Alistair Currie (1972) 역시괴사와는구별되는새로운개념의세포사멸인 apoptosis 를기술한이래세포사멸에관한많은연구가이루어지고있다 2). 세포의괴사 (necrosis) 를수동적인우발적사멸로본다면 apoptosis는자연적인사멸로서능동적이면서자발적인사망기전이다. Apoptosis 와 necrosis 로대별되던세포사멸은최근 Marcel Leist와 Marja Jaattela 에의하여, - 아폽토시스 (apoptosis) - 아폽토시스유사예정된세포사멸 (apoptosis likeprogrammed cell death) - 괴사유사예정된세포사멸 (necrosis like-programmed cell death) - 괴사 (necrosis) 의 4가지형태로재분류가시도되고있다 3). 2. 아폽토시스 (apoptosis) 의생화학적기전 아폽토시스가일어나게되면뉴클레오솜사이의연결부위에서핵의이중나선 DNA가절단되어 180~200 염기쌍길이의배수로절단된조각이만들어진다. 이는전기영동에서특징적인사다리 (ladder) 형태의띠로나타나며, 이

10 제 2 장기술의개요 5 러한양상은괴사 (necrosis) 에서나타나는무작위적인 DNA분해에의해광범위하게나타나는도말형태와비교된다 4,5). 뉴클레오솜간 (internucleosomal) DNA 절단은제한효소 (endonuclease) 에의해조정된다고추측된다. 지금까지 Ca/Mg 의존제한효소, 디옥시리보뉴클레아제 II, Mg 의존제한효소등의여러제한효소가알려져있다 6). 아폽토시스과정의세포용적과모양의변화는 transglutaminase 의부분적인활성화에의한것으로생각된다. 이효소는아폽토시스과정에서합성되고활성화되는유일한효소이며, 단백질의교차결합을일으켜세포막주위에딱딱한껍질을형성하여고사체가탐식되기전에내용물이빠져나오지못하게하는역할을한다 7). 아폽토시스과정중세포응축 (cellular condensation) 이일어나며, 이러한기전으로 Ca 의존단백분해효소에의한세포골격의분해가일어난다 8). 이러한분해된세포골격고사체는식세포 (phagocyte) 에존재하는 vitronectine 과같은수용체에의해인지, 탐식된다 4,5). 아폽토시스라고도불리는예정된세포사멸 (programmed cell death) 과정은생명현상에서매우중요한위치를차지한다. 세포사멸에관련된매우다양한기전과종류가속속밝혀지고있어이제는인간에서발생하는많은질환중상당수가이러한세포사멸과밀접한관계가있다

11 6 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 는사실이밝혀져있다. 특히, 이세포의증식 분화 사멸프로그램이여러가지요인으로적절히조절되지못할경우, 자가면역질환, 퇴행성신경질환등의원인이되기도한다. 3. 아폽토시스와관련된질환 9) 아폽토시스의이상억제에의한질환 - 암 : 소포림프종, p53 돌연변이성암종 - 자가면역질환 : 전신홍반성낭창 (SLE) - 바이러스감염 : 포진성바이러스질환 (herpes virus) 아폽토시스의이상증가에의한질환 - 후천성면역결핍증 (AIDS) - 신경변성질환 : 알츠하이머병 (Alzheimer's disease), 파킨슨씨병 (Parkinson's disease) - 골수형성이상증후군 (myelodysplastic syndrome) - 허혈손상질환 : 심근경색증, 뇌졸중 - 독소형간질환 특히, 암은조절되지못한과다한세포증식및세포사멸프로그램의억제에의해발생하는대표적인세포사멸관련질환으로서주목받고있다. - 암세포는과다한증식을통하여영양분과산소가부족한상황에처할수있으나, 이러한스트레스환경

12 제 2 장기술의개요 7 (hypoglycemia 및 hypoxia) 에서도살아남을수있는것은암세포가가지는전아폽토시스 (pro-apoptosis) 분자의하향조절과항아폽토시스 (anti-apoptosis) 분자의상향조절에기인한다 10). - 또한, 암세포에는정상세포가조직으로부터떨어져나올때작동하는세포사멸프로그램인 anoikis( 부착아폽토시스 ) 가억제되어있으므로종양에서떨어져나와도계속생존할수있으며, 그결과암의속성인전이 (metastasis) 를일으키게된다 11).

14 9 제 3 장 연구개발동향 1. 개요 현재까지세포의사멸과관련해보고된연구사례들은 10만건이넘는다. 그러나이처럼방대한연구결과가보고되었음에도불구하고어떤신호경로가세포사멸에관여하는지에대한이해는부족한형편이다. 괴사 (necrosis) 는세포외부로부터강한물리화학적자극에의해서세포막이손상되어세포사멸이일어나며허혈성상태에서는흥분성신경전달물질인글루탐산염 (glutamate) 이과도하게분비되어신경세포의과흥분을일으키고세포내로칼륨및칼슘이온의과다한유입을초래하여괴사를통한세포사멸을유발한다 12). - 괴사에관여하는단백질이나세포내신호전달경로에대한연구는아직까지정확히규명되지않고있으나, calpain 의활성화나 clusterin 이라는단백질의신경세포내축적이세포의괴사와관련이있음이보고되었다 13).

15 10 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 1972 년세포질응축, 세포수축, 세포소기관및세포막보존등의특징을보이면서주위조직에염증반응을일으키지않으며빠르게포식되는기존의대표적인세포사인괴사와는형태학적으로대조적인세포사인아폽토시스 (apoptosis) 가관찰되었다 2). - 카스파아제 (caspase) 란아폽토시스와관련된단백질분해효소로현재까지 13종류의이성단백질이발견되었으며, 세포사멸신호를세포밖에서부터세포내로매개하는역할과세포내단백질을직접분해하는등다양한기능을가진단백질로알려져있다 14). - 이중 caspase-3 는세포의아폽토시스시중추적인역할을담당하는단백질로알려져있다 15). - 반면, 최근보고된연구결과에의하면퇴행성뇌질환 ( 치매, 파킨슨씨병, 뇌졸중등 ) 및대부분신경세포에서일어나는아폽토시스는 caspase-3 활성화와관련이적은것으로알려져있으며향후지속적인연구가필요한실정이다. 아폽토시스는예정된세포사멸과정으로정상적인세포의생명주기가운데하나에속한다. - 복제된세포가너무과도하게많거나아니면세포가입은손상이간단한복구작업으로정상적인상태를찾기어려운경우, 돌연변이, 세포감염등이발생했을때아폽토시스기작이작동한다. 예를들어, 세포에 DNA 돌연변이가발생해이를복구하기불가능해지면아폽토시스기작이작동해종양 (tumor) 의발생을차단하게된다.

16 제 3 장연구개발동향 11 괴사 (necrosis) 와아폽토시스 (apoptosis) 차이를설명한다면, 둘다세포가죽는다는점은같으나괴사는치명적인외부인자들에의해세포가살해당하는것이고, 아폽토시스치명적이지는않으나어느정도의손상을입은경우주위조직을보호하기위해세포스스로자살하는것으로비유할수있다. 초기에는괴사및아폽토시스종류의세포사는서로별개의무관한종류로생각을하였으나, 많은연구를통해이둘은별개의종류가아니고하나의연속체상에위치한서로연관성또는연속성을갖고있는것으로밝혀지고있다. 어떤세포가괴사로진행할지아폽토시스로진행할지결정짓는요인들로손상의정도, 세포성숙정도, 세포내칼슘농도, 세포내 ATP 수준등을들수있다 16). - 예를들어세포내 ATP가적을경우 ( 정상의 15% 이하 ) 단백질형성등에너지를요하는능동적과정인아폽토시스가진행되기어렵게되므로주로괴사형태로세포가사멸하고, ATP가일정수준이상일때 ( 정상의 25~70%) 아폽토시스가진행될수있다. - 초기에아폽토시스가진행하다가도세포내 ATP가고갈되면괴사에의한세포사멸로전환될수있고, 이런요인이단일세포, 세포군또는일정조직내에서괴사및아폽토시스의형태학적특징이혼성되어관찰된다.

17 12 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 < 표 3-1> Necrosis 와 apoptosis 의기전비교 17) General stimuli Specific stimuli Cellular processes Apoptosis Inhibitors Apoptosis Promoters Apoptosis Developmental programs Endogenous signals Intercellular signals Disease processes Growth factor deprivation: NGF; IL-2 Death activators: Bind to surface receptors Cytokines: TNF-α; Lymphotoxin Fas ligand TRAIL Toxic: Hormones; Radiation; Mild ischemia Oxidants in cell: Increased DNA damage Programmed cascade of reactions Caspase activation Internucleosomal endonucleases Transglutaminase activation Requires New RNA transcription Protein synthesis ATP Protease inhibitors NAIP ; crma; p35 Human IAP-1, IAP-2 &IAP3 Bcl-2 family (Some) Bcl-2 ; Mcl-1 ; Bcl-w; Bcl-xL Bcl-2 family (Some) Bax; Bcl-xS; Hrk; Bak; Bid; Bik; Bad Necrosis Disease processes Toxic Severe ischemia Radiation No protein synthesis No RNA transcription Energy independent ATP depletion 2. 아폽토시스 (apoptosis) 관련인자 가. 아폽토시스수용체

18 제 3 장연구개발동향 13 다양한종류의신호들이세포표면의수용체에결합하여아폽토시스를유발할수있는데, 가장잘알려진수용체로는 Fas/APO1 (apoptosis inducing protein 1) 와종양괴사인자수용체 1(TNFR1, tumor necrosis factor receptor 1) 이있다. 두가지경로모두다단계의세포내신호전달단계를거쳐공통적으로카스파아제 (caspase), ICE-RP(interleukinconverting enzyme related protease) 라는효소를활성화시킨다. 나. 카스파아제족 (caspase family) 의역할 20) 카스파아제 (caspase) 는시스테인의존아스파라긴산염특이적단백분해효소 (cysteine-dependent aspartate-specific protease) 의약어로아폽토시스에서관찰되는대부분의형태학적특징을초래하며, 세포사멸과정에서일종의행동대장과같은역할을수행한다. 현재까지 14가지의 caspase 들이발견되어그발견순서에따라번호를매기며, 역할에따라염증성카스파아제 (inflammatory caspase)(-1,-11), 개시자카스파아제 (initiator caspase)(-2,-8,-9,-10), 및작동자카스파아제 (effector caspase)(-3,-6,-7) 의세군으로분류한다. 카스파아제는효소군이정립되기전에는각기다른이름으로불리기도했었는데, 예를들어 caspase-3 은야마

19 14 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 (Yama: 산스크리트어로죽음의신 ), 시피피32(CPP32), 또는아포페인 (Apopain) 등의여러가지이름을가지고있었다. 카스파아제가작용하는기질중에는신호전달에관여하는각종단백질인산화효소 (PKC) 들과핵막의구조를유지하는데필요한라민등이포함되어있다. 라민의구조가파괴되면, DNA와핵의파괴가빨라진다. 한편, 일부카스파아제는세포사뿐만아니라불필요한단백질을분해하여개체를건강하게유지하는데도기여하는것으로알려져있는데, 헌팅턴병이나일부치매의원인이카스파아제가제대로작용을하지못하여나타난다는보고도있다. 카스파아제는미토콘드리아를통한내인성경로 (intrinsic pathway) 및사멸수용체를통하는외인성경로 (extrinsic pathway) 의두가지경로를통해활성화되어세포사멸을초래한다. 내인성경로는미토콘드리아에서 Bcl-2 족의조절하에배출된시토크롬 c가개시자카스파아제인 caspase-9 를활성화시키고, 이차적으로 caspase-3 과같은작동자카스파아제를활성화시킴으로써여러형태학적특징을초래한다. 외인성경로는 TNF-α(tumor necrosis factor) 와 Fas 리간드등이사멸신호를받은후각각의사멸수용체와결

20 제 3 장연구개발동향 15 합하고, 그결과로개시자카스파아제인 caspase-8/10 가활성화되어이차적으로작동자카스파아제가활성화되면서지연된세포사멸에서관찰되는여러특징들이나타난다. 다. p53 의역할 34) 아폽토시스와관련된중요한단백질로 p53은오랫동안핵심적인종양억제단백질로간주되어왔다. DNA에손상이있으면세포는 G1 단계에서세포주기의진행을멈추게되고 DNA 수선을하게되는데, 이때수선이성공적이지않으면 p53이아폽토시스를일으킨다. p53의작용이제대로일어나지않으면세포는죽지않고암으로발전될가능성이커지는것으로알려져있다. p53 작용에대해서는여러가지설명이있지만그중한가지경로는 p53이산화-환원에관계된유전인자를활성화하고, 이들유전인자로부터만들어진생성물들이반응성이강한산소를발생하여그결과산화과정에의하여세포의미토콘드리아구성물질들이분해됨으로써세포사멸단계에이르게된다. 최근의연구결과에의하면 p53이활성화되면암이걸릴확률은낮아지지만노화는촉진된다고보고되었다. 노화라는현상이암으로부터개체를보호하기위한과정에서생기는부작용으로해석할수도있을것이다.

21 16 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 라. Bcl-2 족 (Bcl-2 family) 의역할 20) Bcl-2 family 유전자는미토콘드리아외막의통합단백질로시토크롬 c의배출을억제시키는 bcl-2, bcl-xl, bcl-w 와같은항아폽토시스군과사멸신호후미토콘드리아로전위되어시토크롬 c의배출을유발하는 bax, bad, bid, bik, bcl-xs 등의전아폽토시스군으로나눌수있다. 평상시에는 bcl-xl 같은항아폽토시스군이미토콘드리아에서시토크롬 c의배출을억제하고있는데, 외부로부터사멸신호가전달될경우 bik 같은전아폽토시스구성성분이항아폽토시스구성성분과이질이합체 ( 異質二合體 ) 를형성하여배출억제기능을해제시킴으로써시토크롬 c 가배출된다. 시토크롬 c가배출되면 datp 의존재하에 APAF-1( 아폽토시스단백질분해효소활성화인자, apoptotic protease activating factor) 및 procaspase-9 등과형성하고있던아폽토솜이활성화되면서 caspase-9 등을통한본격적인세포파괴의과정으로들어가게되는데, 이러한시토크롬 c의배출에항 / 전아폽토시스군의비율이주된조절역할을하고있다. 마. 글루탐산염 (glutamate) 및칼슘 (Ca) 농도 18-19) 여러원인에의해세포막의탈분극이일어나면시냅스전종말의소포내에있던다량의글루탐산염이세포외

22 제 3 장연구개발동향 17 로유출되며이어서다량의 Ca 이세포내로유입된다. 다른형태의글루탐산수용체인 metabotropic 수용체가자극되면 2차전령물질인 G-단백질 (G-protein) 을통해포스포리파아제 C(phospholipase C) 를활성화시키면서 Ca을세포질로분비시켜세포내 Ca 농도가상승하게된다. 비정상적인세포내 Ca 농도상승은산화적인산화파괴, 세포효소활성화의이상화, 독성이있는자유라디칼의생성, 비가역적세포대사체의분해등과같은일련의과정을통해세포에치명적인손상을초래한다. 바. 세포사멸에서미토콘드리아 (mitochondria) 의역할 18,19) 미토콘드리아는에너지대사및세포내칼슘농도의조절에매우중요한역할을하는세포소기관으로, 미토콘드리아내비정상적인 Ca의축적은지연형세포사멸 (delayed cell death) 을야기하는일차적매개체로이해되고있다. 글루탐산염수용체를통해세포내 Ca이증가되면미토콘드리아내의 Ca 농도가상승하며, 증가된 Ca은전자전달계를변화시켜다량의산소유리기를방출하여세포손상에기여한다. 또한 Ca 으로인해미토콘드리아투과성변이 (MPT,

23 18 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 mitochondrial permeability transition) 라고불리는과정을통해미토콘드리아로용질들이유입되면, 삼투압팽화현상이일어나면서결국은미토콘드리아의외막이파열되고, 그틈새로미토콘드리아내단백질중하나인시토크롬 c가방출되면서본격적인세포사멸연속단계가전개된다. 사. MAPK(mitogen-activated protein kinase) 의역할 MAPK는세포외자극을세포막에서부터세포내핵까지전달하는대표적인신호전달경로로잘알려져있다. MAPK는성장호르몬, 사이토카인, 스트레스등의수용체로부터활성화된신호를세포내로전달하여세포의증식, 분화, 사멸등다양한기능을담당한다 29). MAPK는크게다음과같이세가지로분류할수있다. - ERK( 세포외신호활성효소 ) - JNK(c-JUN N-terminal 활성효소 ) - p38 MAPK ERK(ERK1/2) 는성장호르몬의신호전달에주로관여하며세포의증식및분화에중추적인역할을담당하는반면, 스트레스활성효소로분류되는 p38 MAPK 와 JNK는이름그대로세포외부의스트레스성자극에의해활성화되며염증반응, 세포사멸등을매개하는것으로알려져있다.

24 제 3 장연구개발동향 19 아. 허혈 (ischemia) 에의한세포사멸관련인자 허혈로인한세포사멸에관여하는인자로 NO와활성산소종 (reactive oxygen species; ROS) 이알려져있다 22). NO가세포사멸에관여하는기전이괴사를통한것인지아폽토시스를통한것인지는명확히밝혀져있지않으나, 카스파아제의대표적인기질인 poly(adp-ribose)- polymerase 가 NO에의해가수분해되는것으로미루어 NO가 apoptotic 세포사멸에관여할것으로예상된다 23). 활성산소종은허혈및재관류시다량생성되며단독으로혹은 NO와함께상승작용을일으키며세포사멸을유발한다. 따라서, 특정세포의선택적사멸과생존의원리는 NO, 활성산소종및과산화아질산염 (peroxynitrite) 에대한세포의저항성및민감성과밀접히연관되어있을것으로생각되고있다. NO, 활성산소종및과산화아질산염에대하여저항성을나타내는세포들에서생존전략을이해하면세포의사멸을방지할수있는전략을수립하는데에결정적인역할을할것으로판단된다. 최근보고된연구에서아폽토시스과정의핵심단계중하나는미토콘드리아막이붕괴됨으로써미토콘드리아내부단백질의일부가밖으로유출되면서아폽토좀 (apoptosome) 생성이탄력을받는것으로알려져있다.

25 20 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 미토콘드리아의붕괴를전후로해서세포의아폽토시스단계를두가지로대별할수있다. - 첫째, 미토콘드리아붕괴이전에진행하는경로에서는 Bcl-1라는단백질이관여하고, - 둘째, 붕괴이후의단계에서는카스파아제가관여하는데두가지모두세포막의약화를유도해미토콘드리아기능을소멸시킨다는공통점을갖는다. < 그림 3-1> Apoptosis 의내인성 (intrinsic) 및외인성 (extrinsic) 경로 20)

26 제 3 장연구개발동향 21 < 표 3-2> Apoptosis 관련단백질및활성인자 20) Pathway Agents Target Stage of Development TRAIL DR4 and DR5 Preclinical Extrinsic pathway Monoclonal antibodies agonist to Dr4 and Dr5 DR4 and DR5 Phase II/III ATRA PML-RARα Clinical use Arsenic trioxide PML-RARα Clinical use Direct effect on the mitochondria Intrinsic pathway Phase II/III G3139(antisense therapy) Bcl-2 Clinical trials Antisense Bcl-XL Bcl-XL Bax, BCL-Xs Bax, BCL-Xs Preclinical Preclinical and Caspases activators Caspases The common clinical trials pathway Apoptin Survivin Agents active on ONY-015 p53 Suspended apoptosis pathway regulators p53 INGN201 Phase II/III IκB kinase inhibitor PS1145 IKKβ Preclinical Proteosome/ubiquitin Bortezomib 20S proteosome Clinical use PI3K/Akt pathway CCl779 mtor Phase II RAD 세포사멸 (apoptosis) 억제제연구동향 세포사멸 (apoptosis) 에대한저항성이암으로진행되는데있어중요한메커니즘으로떠오른이후, 종양세포들이정상세포에서나타나는동일한세포사멸의운명을피하도록이메커니즘을표적으로하는것이유망한항암제치료전략으로제시되고있다.

27 22 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 최근 Cancer Cell 학술지에서 John Reed 연구진은세포사멸에있어중요한 중단 (brake) 메커니즘 을제거할수있는저분자량억제제가종양세포의불멸성에어떻게영향을미치는지고찰함으로써이접근법의타당성을제시해주고있다 21). 미리설계된세포사멸의궁극적인작동자는카스파아제라는단백질분해효소군이다. 정상적으로는카스파아제는세포사멸억제제 (IAP: inhibitor of apoptosis) 효소군에의해조절되는데, IAP가카스파아제에결합하여필요할때까지불활성화시키는것으로알려져있다. 종양에서는카스파아제및 IAPs 가모두과다발현되는데카스파아제를활성화시키는데문제가생김으로써세포사멸에저항성을가져오게되는것으로생각할수있다. IAPs 중가장잘알려진 XIAP 는세포사멸경로의끝단계, 즉미토콘드리아의존성및비의존성자극에의해활성화되는세포사멸경로가통합되는부위에서세포사멸을억제한다. - IAPs 인 XIAP 에결합하는수백만개의화합물라이브러리를스크리닝한결과 8개의 polyphenylurea 를기초로한화합물이 XIAP 에있어 caspase-3 와 caspase-7 을불활성화하는데관여하는 BIR2 부위에결합함으로써카스파아제의억제를역전시키는것으로밝혀졌다. - 화합물중가장강력한것은여러가지종양세포주와시험관내 (in vitro) 일차백혈병세포주에서세포사멸

28 제 3 장연구개발동향 23 을유도하였으며, 정상세포에서는독성이거의없는것으로나타났다. 이러한화합물들은또한종양세포를항암제치료법인 etoposide(vp16), doxorubicin(dox) 또는 paclitaxel(taxol) 에대해민감하게만들어항암효과를상승시켜주는작용도나타냈다. - 이는종양이카스파아제활성화를조절하는자체적인원동력을가지고있으며, 세포사멸억제제 (IAPs) 를억제함으로써정상세포에는영향이거의없으면서종양에서세포사멸이일어나도록할수있음을시사해준다. - 또한 XIAP 길항제는기존의항암제약물과양립할수있으며, 그자체로도생체내 (in vivo) 에서종양성장을억제시킬수있어이러한약물들은단일제제로서또는병용요법으로서약물동력학및독성학자료를고찰할타당성을제시해준다. 뇌졸중은세포사멸이선택적으로일어남으로써나타나는특징을가지고있다 24). - 예를들면, 전허혈에서해마 CA1 신경세포가선택적으로사멸되나공존하는교세포 ( 성상세포및소교세포 ) 는허혈에의한독성에비교적잘생존하는것으로알려져있다. 또한, cnos 와 inos의발현증가는세포의사멸을유발하나 enos 는오히려세포의사멸을억제하는것이보고되었다 25).

29 24 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 선택적인세포의사멸에는활성산소종, 흥분성아미노산 (excitatory amino acids), 칼슘유입 (calcium influx) 등이관여할것으로보인다. 또한, 해마 CA1 신경세포사멸에서카스파아제유전자들의상향조절이중요하게관여한다는결과도보고되고있다 26). 그러나세포가사멸하는과정에관련된여러가지요소들이서로어떻게연관되어있는지에대한자세한정보는아직까지미흡하다. 뇌졸중에서선택적세포사멸이가능한이유로는다음과같은여러가지인자들이세포특이성을나타내기때문으로생각된다. - 성상세포와신경세포에서항산화효과를가지는글루타치온 (glutathione) 의양적차이를가지며, - 스트레스에의해발현되는열충격단백질 70(hsp 70) 이성상세포에보호작용을나타낼수있고, - NO의생성과밀접한관련이있는 NF-κB 의발현과작용이교세포, 특히소교세포 (microglia) 와신경세포에서특이적차이를보일수있다. MAPK와신경세포사멸과의연관성은최근에활발히연구가진행중에있으며아울러이들 MAP kinase 저해제를이용하여뇌손상치료제개발이전임상시험단계에있다. 세포의증식및분화에중추적인역할을담당하는 ERK1/2의신호전달경로저해제는 ERK1/2의윗단계활성효소인 MEK1/2 저해제의개발이가장앞서있다 30).

30 제 3 장연구개발동향 25-1세대 MEK1/2 저해제로서는 PD98059 와 U0126 를들수있으며이물질들은 MEK1/2 단백질과 ATP 간의결합을비상경적으로억제한다. - 2세대 MEK1/2 저해제로는 PD 를들수있고 1 세대저해제에비하여생체이용률이개선된물질로서현재항암작용에대한임상 1상시험이진행중에있다. - 이밖에도 Wyeth-Ayerst 사, Merck 사, Roch사등에서 MEK1/2 저해제를개발중에있다 년피리미딘이미다졸 (pyrimidine imidazole) 구조를갖는 SKF86002 발견이후이유도체들이 p38 MAPK를억제함이알려졌으며, 1995 년에 SB 이개발된이후최근까지도이물질이 p38 MAPK 신호전달경로연구목적에가장광범위하게사용되고있다 31). P38 MAPK의세포사멸뿐만아니라염증반응및면역반응등과관련된다양한질병에유효함이알려지고부터 p38 MAPK 저해제의개발이 MAPK 저해제개발중가장활발히진행되고있다. 최근까지 15개제약회사에서약 47건이상이특허출원중에있으며, 그중에서도 Vertex745 는류마티스성관절염치료제로서임상 2상시험중에있고, SB 는국소용치료제로서임상시험단계에있다. 다세포기관의세포는세포외기질 (extracellular matrix, ECM) 이라고불리는거대그물조직으로보호되어있다.

31 26 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 ECM은조직과세포를안정화시키는구조적인역할뿐만아니라, 발생, 분화, 이동, 성장및세포간또는세포기질간의상호작용을함으로써세포의생존인자로인식되고있다 27,28). 세포기질상호작용을방해하게되면세포는세포사멸과정을수행하며 (anoikis), 이는바로 ECM이중요한생존인자임을암시한다. 뇌졸중에서는성상세포가뇌혈관과의세포간접촉 (cell-cell contact) 이나세포-세포밖기저물질 (cellextracellular matrix) 과의접촉이손상된다. 또한, 에너지결핍조건에서면역활성화된성상세포가기저막에서분리되어떨어지게되고종국에는성상세포가아폽토시스에의한세포사멸과정을거쳐죽게된다고알려져있다. 최근의연구동향은 MAP kinase (ERK1/2, p38, JNK) 의활성화가신경세포사멸에관련이있음이알려지고있으며또한강력하고선택적인작용을갖는 MAP kinase 저해제들이개발되고있다 31). 이저해제들의뇌졸중치료효과는아직전임상시험단계에있으며, 특히전임상시험결과 p38 MAPK 저해제는항염작용및뇌신경세포보호작용이우수하기때문에향후뇌졸중치료제로서의개발에귀추가주목되고있다.

32 제 3 장연구개발동향 세포사멸조절요법 세포성장-사멸의가역적제어기술 (Cell Survival-Death Reversible Controlling Technology; CSDRCT) 은세포사멸조절요법 (Apoptosis Modulating Therapy; AMT) 개발을위한차세대핵심기술이다. 최근의연구결과, 다양한질병의발병원인이근원적으로세포사멸신호전달기구의비정상적인기능에기인한다는사실이밝혀지고있다 32). AMT는이를근거로하여세포사멸신호전달기구의활성조절을통한질병의치료요법으로전세계적으로경쟁적개발연구가진행되고있다. AMT는세포의병리적성장과사멸현상을세포사멸유도요법 (Apoptotic therapy) 또는세포사멸억제요법 (Anti-apoptotic therapy) 을통하여질병의진행을차단함은물론정상기능의세포로전환시켜근원적으로질병을치료하는데그목적이있다. 현재세계적인제약기업에서경쟁적으로개발되고있는 AMT 기반약물들은약물의작용점이대부분비가역적세포사멸단계 ( 예 : 단백질절단에의한 caspase 의활성화단계 ) 이기때문에세포의사멸을차단할수는있지만정상적기능의세포성장상태로의회복은보장되지않는다는이유로근원적치료효과가의문시되고있다 33). 그러므로세포사멸신호전달체계의비가역적단계보다

33 28 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 는가역적결정단계의조절인자가 AMT의이상적인타겟분자로평가되어 CSDRCT 개발의필요성이최근크게부각되고있다.

34 29 제 4 장 결론및제언 진핵세포의다양한기능에필요한단백질들의발현은기본전사기구 (basal transcription machinery) 와이의조절에필요한다양한조절매개체 (coregulator 또는 coregulator complex) 들의작용에의해이루어지며, 이들인자들은여러외부신호자극전달조절계에따라독특하면서도상호보완적인기전을통해서대상유전자들의발현을정교하게조절한다. 세포의증식 분화 세포사멸을조절하는유전자, 단백질간의상호작용, 신호전달분자들의작용기전, 그리고분자적신호망에대한많은연구를통하여세포사멸관련인자에대한많은학술적정보를확보하여왔다. 조직 세포의성장, 분화및사멸조절을이해하기위해서는외부조절인자에의해작동하는신호전달체계에대한이해와더불어궁극적으로유전자들의발현조절에대한연구가선행되어야한다. 뿐만아니라, 세포에는세포의증식 분화관련전사조절인자가세포증식과분화에관련된 DNA 복제관련단백

35 30 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 질, 세포주기조절단백질, 세포외기질및막구성단백질, 신호전달인자, 에너지대사관련단백질, 산화환원조절단백질같은표적유전자들의발현을조절하고, 발현된이들단백질들은다시전사조절인자의활성을조절하는유기적인유전자네트워크가존재한다. 그러므로세포사멸기전에대한정확한이해는혈관질환, 퇴행성질환, 면역계질환, 악성종양, 노화등의질병에관련된연구분야에새로운장을열게될것으로예상된다. 대표적인비가역적세포사멸모델인퇴행성질환을활용하여표시및기능단백질학 (functional proteomics) 을중요한연구수단으로관련인자들의대량발굴이가능하다. - 총표시단백질체지도 (total display proteome map) 를기반으로미토콘드리아단백질체학 (mitochondrial proteomics), 핵단백질체학 (nuclear proteomics) 및소포체단백질체학 (ER proteomics) 등을도입함으로써이들세포소기관이세포사멸을조절하는능력을선발적으로발굴할수있다. 발굴된분자타겟은과발현또는발현억제모델을이용하여세포내에서의조절기능을제공함으로써세포사멸관련질환의바이오신약의개발에활용가능할것으로예측된다. 세포사멸은정량적인연구가가능하며신경세포사멸을연구하는모델로서이미확립된세포주를활용하여신경

36 제 4 장결론및제언 31 세포의사멸과생존을조절하는인자를대량으로발굴가능하다. 세포의사멸을유도하는방법으로는세포사멸에초기실행인자로서밝혀진반응성스트레스및미토콘드리아이상을유도하는약물을사용하여병렬적인모델로서활용할수있다. - 세포사멸을조절하는인자들의발굴을분획과단백질체학을병행하거나, 핵, 미토콘드리아, 소포체및세포질로서구획하여발굴을시도할수있으며, microarray 를사용하여분자수준에서다량의세포사멸조절유전자군을발굴할수있다. - 또한, 단백질체학과 microarray 를병용하여상호보완하거나, 발굴된단백질 ( 유전자 ) 은진핵세포발현벡터를이용한과발현모델의운영으로서검색이가능하다. - sirna 및우성음성의제조등을통하여해당인자를 knock-out 하는방법을통해세포사멸조절인자로서의역할과이와관련된신호전달체계를규명하는데에활용할수있다. 전세계적으로세포사멸연구개발이이루어지고있는의약품을약효군별로살펴보면신경계, 항암제, 항감염제가주요연구개발타겟이되고있다. - 신경계분야의경우신경보호제분야와기억력증강제분야가포함되며알츠하이머병, 뇌졸중, 중추신경계질환치료제의연구개발분야의비중이커지고있다.

37 32 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 - 이외에도노화에의한성인병 ( 심혈관계질환, 호흡기질환, 암등 ) 치료제와 AIDS 치료제에대한연구개발도활발하게진행되고있다. 지난 10여년간세포사멸을조절하는세포내단백질이나신호전달경로가밝혀짐에따라이를응용하여뇌졸중과같은노인성뇌질환의치료제개발이시도되고있으며가까운장래에임상적으로사용될약물이개발될전망이다. 현재세포의형질전환, 세포의사멸기전, 세포의신호변환등의기술이지놈프로젝트 (genome project) 연구와연계되어질병의전개과정이파악되고있다. 이상과같은기술혁신은앞으로새로운의약품시장의창출을선도할것으로예상된다.

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41 36 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 ERK1/2 phosphorylation mediated by peroxynitrite via enforced mitochondrial formation of reactive oxygen species." FEBS Lett., 547(1-3), pp.92-96, D. Wang & S. J. Lippard, Cisplatin-induced posttranslational modification of histones H3 and H4." J. Biol. Chem., 279(20), pp , D. W. Nicholson, From bench to clinic with apoptosis-based therapeutic agents." Nature, 407(6805), pp , Z. Zakeri et al., Mechanisms of cell death 2000." Cell Death Differ., 7(12), pp , D. Stuart et al., p53 mutant mice that display early ageing-associated phenotypes." Nature, 415, pp.45-53, 2002.

42 저자소개 표석능 약학박사 현, 성균관대학교교수 손은수 약사 현, 한국과학기술정보연구원선임연구원 저서 : 바이오의약품의개발및특허동향등 BB066 표석능 손은수 세포사멸관련인자발굴과분자기작에관한이해 2005 년 12 월 19 일인쇄 2005 년 12 월 23 일발행 발행처 서울특별시동대문구청량리동 ꂕ 전화 : 등록 : 1991 년 2 월 12 일제 호 발행인조영화 인쇄처영신기획

2016 학년도약학대학면접문제해설 문제 2 아래의질문에 3-4분이내로답하시오. 표피성장인자수용체 (epidermal growth factor receptor, EGFR) 는수용체티로신인산화효소군 (receptor tyrosine kinases, RTKs) 의일종으로서세

2016 학년도약학대학면접문제해설 문제 2 아래의질문에 3-4분이내로답하시오. 표피성장인자수용체 (epidermal growth factor receptor, EGFR) 는수용체티로신인산화효소군 (receptor tyrosine kinases, RTKs) 의일종으로서세 본문제에대한지적소유권은동국대학교에있습니다. 본교의서면허락없이무단으로출판, 게재, 사용할수없습니다. 문제 2 2016 학년도약학대학면접문제 아래의질문에 3-4 분이내로답하시오. 표피성장인자수용체 (epidermal growth factor receptor, EGFR) 는수용체티로신 인산화효소군 (receptor tyrosine kinases, RTKs) 의일종으로서세포의생존과증식