뇌종양세포의 증식과 악성화를 조절하는 핵심유전자 발견...고려대 김형기 교수팀

[임광자]

국내 연구진이 뇌종양세포의 증식과 악성화를 조절하는 핵심 유전자(엘엠오2*)를 발견하고 그 기능을 밝혀냈다. 환자의 2년 생존율이 20%에 불과한 악성 뇌종양 치료제 개발에 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다.
    * 엘엠오2(LMO2) : 유전자의 발현을 조절하는 전사인자로서 급성 림프구성 백혈병의 원인이 되는 단백질로 알려짐

고려대 김형기 교수(교신저자)가 주도하고 김성학 박사(제1저자)가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구자)의 지원으로 수행되었고, Cell Death and Differentiation에 2월 27일자로 게재되었다.
* 논문명 : The LIM-only transcription factor LMO2 determines tumorigenic and angiogenic traits in glioma stem cells

대부분 종양연구는 종양조직 내 모든 세포가 같다는 전제하에 연구가 진행되어, 지금까지 암 발생 및 악성화와 관련해 특정 세포나 단백질의 중요성 및 조절과정에 대해서는 잘 알려지지 않았다.

연구팀은 2008년에 뇌암줄기세포가 뇌종양에 원인이고, 특정 단백질(ID4)이 중요한 조절인자임을 밝혀낸 바 있다.(Genes & Development 저널)

연구팀은 뇌암 악성화의 주원인인 혈관세포의 형성도 뇌암줄기세포로부터 유래되고, 이 과정에서 엘엠오2가 없으면 암 형성이 현저하게 감소됨을 밝혀냈다. 

또한 엘엠오2는 실제 뇌종양환자의 조직에서 악성일수록 발현이 증가되고, 환자생존율에도 밀접하게 관련되어 있었다.
* 미국국립암연구소의 뇌종양환자 DB에서 환자 생존분석결과, 엘엠오2가 과발현된 양성군의 생존기간은 13.2개월, 음성군은 22.2개월로 2배가량 차이가 나타났다. 

즉 엠엠오2가 악성종양형성에 직접적으로 관여할 뿐만 아니라, 특히 혈관세포의 분화, 성숙, 유지에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인하였다.

김형기 교수는 “지금까지 백혈병의 원인으로 알려진 엘엠오2가 뇌암줄기세포 생성을 촉진하고, 암줄기세포가 직접 혈관세포로 분화된다는 사실을 확인한 연구”라며, “기존과는 다른 효과적인 악성 뇌종양 치료제 개발에 기반을 마련하였다”고 밝혔다.

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

신체의 가장 중요한 부분인 뇌에서 발생하는 종양 중 가장 치명적인 악성 교모세포종(Glioblastoma)은 수술로 완전히 제거하기 어려울 뿐만 아니라, 재발의 위험으로 항암 및 방사선 치료가 쉽지 않는 것으로 알려져 있다. 이러한 종양이 가지고 있는 가장 큰 특징 중 하나가 과도한 혈관 발달인데 이러한 종양혈관을 표적으로 하는 혈관신생억제 약물의 항암 효과는 초기와는 달리 시간이 지나면서 오히려 약물의 부작용이나 내성으로 인해 암이 재발되는 경우가 많아 이를 극복하기 위해 혈관신생 과정에 대한 폭넓은 이해가 필수적이다.    
   
이와 관련하여 최근 Nature에 발표된 두 편의 흥미로운 논문에 따르면 “뇌암줄기세포는 직접적으로 혈관세포로 분화되어 종양혈관 형성을 조절한다”는 새로운 개념이 제시되었으나 현재까지 정확한 조절 기전이 규명되지 않았다 (Ricci et al., 2010; Wang et al., 2010).

본 연구에서는 급성림프구성백혈병 원인 유전자로 알려져 있는 엘엠오 2 (LMO2)가 뇌암에서 암줄기세포 생성을 촉진하고, 또한 암줄기세포가 직접적으로 혈관세포로 분화되어 종양혈관의 형성이 조절되는 새로운 신호기전을 규명하였다. 

2. 연구내용

바이오인포매틱 분석을 통해 정상조직에 비해 종양조직에서 발현이 높고 세포 분화를 유도했을 때 감소되는 유전자 그룹 중 가장 발현차이가 높은 유전자 중 엘엠오 2를 후보 유전자로 선정한 후 in vivo와 in vitro에서 기능연구를 실시하였다. 엘엠오 2를 과발현시키면 세포주기관련 및 줄기세포 특성 유전자들의 발현이 증가되어 세포의 분열이 빨라지고 궁극적으로 이러한 세포를 면역결핍생쥐의 뇌에 주입했을 때 한 달 이내에 혈관발달이 높은 암이 형성되는 것을 관찰 할 수 있었다. 또한 이러한 과정은 노치신호(Notch signaling) 의존적으로 일어남을 확인하였다. 흥미롭게도 엘엠오 2가 과발현된 암세포는 혈관세포 배양 조건에서 혈관세포 표지인자 발현이 현저하게 증가되어 있고 혈관신생도 일어남을 확인하였다. 이와는 반대로 엘엠오 2의 발현을 억제시켰을 때 암 형성 및 혈관세포 분화가 감소되었고 생쥐의 생존기간이 유의적으로 증가됨을 확인하였다.
뿐만 아니라, 실제 뇌종양환자의 조직분석에서도 엘엠오 2의 발현이 환자 생존률과 밀접하게 관련 있음을 보여주었다. 따라서, 엘엠오 2가 악성종양형성에 직접적으로 관여할 뿐만 아니라 특히 혈관세포의 분화, 성숙, 유지에 중요한 역할을 한다는 것을 제시하였다.

3. 기대효과

1) 암줄기세포 생성 조절인자 및 혈관세포 분화 유도인자로서 기능을 하는 엘엠오 2의 직접적 혹은 하위 신호전달체계를 제어함으로써 암줄기세포와 종양혈관신생을 동시에 억제할 수 있는 항암제 개발의 가능성을 제시함.
 
2) 본 연구를 통해 뇌암줄기세포를 중심으로 암의 발달 과정과 관련된 후보유전자의 작용 기작을 규명하는 것은 향후 모든 암에 존재하는 암줄기세포에 적용할 수 있는 이론적 및 기술적 측면을 제시함.

연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가
급성림프구성백혈병의 원인유전자인 엘엠오 2의 뇌종양에서의 새로운 역할을 규명하였다.

어디에 쓸 수 있나
암줄기세포 뿐만 아니라, 종양혈관신생을 동시에 억제할 수 있는 항암제 개발을 위한 작용점을 제시하였다. 

실용화까지 필요한 시간은
보다 집중적인 연구개발이 수행된다면 가까운 장래에 임상적으로 적용할 수 있는 엘엠오 2 타겟 항암제가 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

실용화를 위한 과제는
추가적인 전임상 동물모델과 환자 임상샘플을 이용하여 연구결과의 검증이 필요하다.

연구를 시작한 계기는
암의 발생, 전이, 재발의 원인으로 이해되는 암줄기세포의 특성을 연구함으로써 암을 정복할 수 있는 새로운 항암 치료 방법을 제시할 수 있을 것이라 생각한다.

에피소드가 있다면
미국 MD anderson 암연구소의 Alfred Yung 박사 연구팀과 동일한 뇌암 모델에서 엘엠오 2의 발현 조절과 기능 연구에 대한 경쟁이 있었다.

꼭 이루고 싶은 목표는
실험실에서의 기초연구 결과들을 임상으로 적용시키는 실질적인 연구를 하고 싶다.

신진연구자를 위한 한마디
초심을 잃지 않고 연구에 매진하면 좋겠다.

[그림1] 암줄기세포에서 혈관세포 전환분화 확인을 위한 실험 모식도
뇌암 환자 유래 암줄기세포를 분리한 다음, 렌티바이러스 시스템을 통해 형광단백질인 GFP (Green Fluorescent Protein)을 세포내 도입함. 단백질 발현을 형광현미경으로 발현을 확인하였고 이 세포를 면역결핍 생쥐의 뇌에 주입하여 뇌암을 형성시킴. 형성된 생쥐의 뇌암을 분리하여 면역조직화학법 혹은 면역형광염색법을 이용하여 혈관세포의 인간 특이적 표지인자 항체와 GFP를 동시에 발현하는 것을 확인함으로써 종양혈관세포가  암줄기세포로부터 유래된 것을 확인함.

[그림2] 뇌암줄기세포에서 종양혈관세포로 전환분화
앞서 제시된 형광단백질(GFP)가 표지된 뇌암줄기세포 유래의 마우스 종양조직을 면역형광염색법(IF)를 통하여 분석한 결과, GFP(녹색, 뇌종양줄기세포해당)와 혈관 특이적 표지인자인 vWF(붉은색)와 함께 발현되는 세포를 확인함으로써 이 혈관 세포는 뇌암줄기세포에서 유래된 세포임을 확인함.

[그림3] 세포자살시스템을 이용하여 암발달 과정에서의 혈관분화의 중요성 제시
LMO2의 하위 타겟유전자인 VE-cadherin의 프로모터에 세포자살유전자(tk)를 삽입한 시스템을 종양줄기세포에 넣은 다음 면역결핍생쥐의 뇌에 직접 주입하여 암 발달을 비교한 결과 대조군에 비해 암 발달이 저해됨을 확인하였음.