(왼쪽부터) 허용민 교수 (연세대학교 의과대학), ymhuh@yuhs.ac

황금숙 박사 (한국기초과학지원연구원), gshwang@kbsi.re.kr

이은우 박사 (한국생명공학연구원), ewlee@kribb.re.kr

이상철 박사 (한국생명공학연구원), lesach@kribb.re.kr

위암(Gastric cancer)은 세계적인 암 사망의 주요 원인이며(매년 100만명 이상 암 발병 판정), 국내 암 사망자수에서도 3위에 올라와 있다. 현재 조기진단이나 수술 기술이 발달함에 따라 생존율은 높아지고 있지만, 아직 진행성 위암의 경우 효과적인 치료제가 없는 상황이다. 이러한 치료제 개발의 실패의 주요 원인은, 진행성 위암 중 중간엽(mesenchymal)세포의 특성을 지니는 암은 쉽게 전이가 되거나 기존 항암제에 내성을 지니며 재발하기 때문이다. 따라서, 중간엽형에 해당하는 환자들은 5년 생존률이 30% 미만으로 나타나는, 가장 예후가 나쁜 환자군으로 보고된 바 있다. 현재 재발이나 전이된 위암을 치료하기 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있지만 많은 부분이 아직까지 밝혀지지 않았다.

국내연구진이 ‘페롭토시스’라는 새로운 세포사멸 기전을 이용한 난치성 위암의 효과적인 치료방안을 제시하고, 이에 대한 원인을 규명하였다. 향후 페롭토시스를 이용한 난치암 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 한국생명공학연구원 이상철/이은우 박사팀, 한국기초과학지원연구원 황금숙 박사팀, 연세대학교 의과대학 허용민 교수팀(교신저자:이상철/이은우/황금숙/허용민, 제1저자: 이지윤/남미소/손혜영)이 공동으로 수행한 이번 연구는 미국립과학원 회보 ‘PNAS’ 2020년 12월 7일자 온라인 판에 게재되었다. 

(논문명 : Polyunsaturated fatty acid biosynthesis pathway determines ferroptosis sensitivity in gastric cancer. 2020. PNAS, 117 (51) 32433-32442) 

페롭토시스(Ferroptosis)는 세포막의 지질과산화에 의해 발생하는 철(Ferrous)-의존적 세포사멸 경로이며, 최근 항암제 내성암을 비롯한 다양한 난치암의 효과적인 세포사멸 경로로서 주목받고 있다. 본 연구팀은 위암 환자의 전사체 정보를 기반으로 위암세포주들을 중간엽형(mesenchymal-type)과 상피형(epithelial-type)으로 분류 했을 때, 중간엽형 위암세포만이 페롭토시스 약물에 의해 죽는 것을 확인하였다.

전사체(Transcriptome)와 지질대사체(Lipidome) 분석을 통해 중간엽형 위암세포들에서 다중불포화지방산 합성효소들의 발현이 높게 나타났으며, 이 세포들이 실제로 다중불포화지방산과 이를 포함하는 인지질을 많이 함유하는 것을 확인하였고 지질추적분석(lipid tracing analysis)를 이용해 중간엽형 위암세포들에서 불포화지방산 생합성이 활발이 일어남을 확인하였다. 이는 본 연구에서 발굴한 신규 유전자(ELOVL5, FADS1)가 중간엽형 위암세포주에서 페롭토시스 진행의 핵심 인지질 형성에 필수적이며, 지질과산화가 쉽게 일어날 수 있는 환경을 조성하여 위암세포를 잘 죽게 만들 수 있음을 규명한 것이다.

공동연구책임자인 허용민 교수는 “동 연구성과를 통해 향후 개발될 난치병 치료제는 위암 중에서도 기존의 표준 항암제로는 재발을 방지할 수 없는 난치성 위암에 효과가 있을 것으로 기대되며, 대사 신약 개발의 모델이 될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

공동연구책임자인 이은우 박사는 “페롭토시스라는 새로운 세포사멸기전에서 불포화지방산 합성경로의 중요성을 밝힌 것”이라며, “새로이 발굴된 유전자(ELOVL5와 FADS1)가 항암제 반응성을 예측하는 중요한 단서가 될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

공동연구책임자인 황금숙 박사는 “본 연구성과에서 불포화 지방산 합성경로 규명에 활용된 지질체학 및 대사추적 신기술은 앞으로 난치성 질환의 새로운 치료 타겟 발굴에 핵심적인 역할을 할 것이다.“고 밝혔다.

• 연구팀은 중간엽형(mesenchymal-type)위암세포가 페롭토시스 유도 약물에 민감하게 반응하여 잘 죽는 반면, 상피형(epithelial-type) 위암세포는 죽지 않는 것을 확인하였다(A).
• 이들 세포들의 전사체 분석를 통해 중간엽형 세포에서 공통적으로 높은 발현을 보이는 다중불포화지방산 합성에 관여하는 두 유전자(ELOVL5, FADS1)를 발굴하였다(B, C).
• 지질대사체(Lipidome) 분석을 통해, 중간엽형 세포들은 페롭토시스에 중요한 인지질이라고 알려진 PE-AA와 PE-AdA를 과량 함유하고 있는 것을 확인하였다(D,E).
• 지질추적분석(Lipid tracing analysis)을 통해, 중간엽형 세포들은 필수지방산인 리놀렌산(Linoleic acid)으로부터 아라키돈산(AA) 및 아드렌산(AdA)을 합성하는 능력이 뛰어난 반면, 상피형 세포들은 전혀 합성하지 못하는 것을 확인하였다(F).
• ELOVL5, FADS1의 역할을 규명하기 위해 CRISPR-Cas9 시스템을 이용하여 유전자 녹아웃(KO)을 진행하였고, 유전자가 결손된 위암세포주는 지방산 및 지질합성이 저하됨과 페롭토시스 유도 약물에 저항성을 보임을 확인하였다.
• 반대로 ELOVL5, FADS1 두 유전자 발현이 낮은 상피형 위암세포주에 아라키돈산을 유입시키게 되면 페롭토시스 유도 약물에 민감하게 반응함을 확인하였다.
• 이를 통해 다중불포화지방산 합성효소인 ELOVL5, FADS1이 지방산 합성을 통해 최종적으로 페롭토시스 반응성을 결정하는 주요 인자임을 밝혔다.
• 마지막으로, 중간엽형 위암세포주들에서는 ELOVL5와 FADS1의 프로모터 부위에 메틸화가 없는 반면, 상피형 위암세포주에서는 많이 발견됨을 확인하였고, 따라서 두 유전자의 발현이 DNA메틸화에 의해 조절됨을 확인하였다. 

(왼쪽) 신규 조절인자. 아라키돈산(AA)과 아드렌산(AdA)은 다중불포화지방산 합성효소(ELOVL5, FADS1)를 통해 세포 내에서 합성이 되며, 이 효소의 발현 여부에 따라 세포사멸 반응성이 결정 됨