1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

면역항암치료는 PD-1, PD-L1과 같은 면역관문 단백질에 대한 차단항체 (blocking antibody)를 이용하여, 암세포가 면역체계에 의해 제거되도록 하는 치료법으로, 이는 FDA에 승인되어 혁신적인 치료효과를 보여주고 있습니다. 그러나, 차단항체 단독치료는 그 효율이 낮아, 다른 치료법과 같이 적용하는 병용치료가 모색되고 있습니다. 또, 항체 기반 치료제는 기존 항암제에 비해 제조 공정이 매우 복잡하고, 보관이 까다로워 고가의 치료비가 발생하기 때문에, 이를 타개하기 위해, 면역관문 단백질의 regulator 규명과, 이를 억제하는 저분자 의약품 개발이 요구되고 있습니다. 저분자 화합물은 합성이 쉬워 상대적으로 비용이 적고, 다른 약물과의 병용이 더 수월한 장점이 있습니다.

이러한 연구의 일환으로, 최근 whole genome scale의 CRISPR 스크리닝 등을 이용한 시스템 수준의 연구에 의해 새로운 PD-L1 조절자가 발굴되었고, 이를 통해, functional genomics 기반 스크리닝의 뛰어난 효능이 입증되었지만, 약물 개발의 단계에는 미치지 못하였습니다 (Burr et al., 2017, Mezzadra et al., 2017).

이에 저희는 PD-L1의 발현을 효율적으로 억제하고, 면역반응에 대한 암세포의 민감성을 높이는 근원적인 항암 치료제를 발굴하기 위해, 약 5000개의 약물화가 가능한 유전자 (druggable gene), 암 유발 유전자 (cancer driver gene)를 표적으로 하는 pooled shRNA screening을 수행하였고, 그 결과, PD-L1 발현의 새로운 positive regulator로서 WNK3를 발굴하였습니다. 유전적, 화학적 WNK3 억제를 통해, 암세포의 PD-L1 transcription이 억제되고, 암세포-면역세포 공배양 조건, MC38 syngeneic mouse model에서 면역세포에 의한 암세포의 사멸이 증가함을 보였습니다. 이러한 WNK3의 기능은 JNK/c-JUN pathway를 통해 이루어지고, kinase activity-dependent하다는 것을 보임으로써, WNK3 kinase activity에 선택적인 억제제가 기존 항체치료제를 대체할 새로운 면역항암제가 될 가능성이 있음을 보였습니다.

스크리닝의 여러 후보 유전자들 중, SIK3의 억제 또한 PD-L1 발현을 억제하였지만, WNK3 억제와 달리, 암세포-면역세포 공배양 조건에서 면역세포에 대한 암세포의 저항성이 증가하고, PBMC의 granzyme B release가 감소하는 것을 관찰하였습니다. 이를 통해, 경구 투여와 같이 전신에 적용되는 저분자 화합물 개발을 위해서는 면역세포에 대한 효과도 시험해야 한다는 것을 알았습니다. 이 후, WNK3의 유전적, 화학적 억제는 암세포-비의존적으로 CD4+, CD8+ T cell의 활성화를 유발한다는 것을 관찰하였습니다. 암세포의 PD-L1 발현 억제 기능과 더불어, 예상치 못했던 새로운 기능이 WNK3가 항암면역 치료의 타겟으로서 유의할 것이라는 판단을 하게 해주었고, 이 부분이 본 연구의 흥미로운 점 중 하나라고 생각합니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

저희 연구실은 연세대학교 의과대학 의생명과학부 소속의 시스템 암생물학 연구실로, 에비슨의생명연구센터에 위치하고 있습니다. 김현석 교수님의 지도 아래, 폐암, 위암, 대장암, 교모세포종 등의 난치암 분자아형을 대상으로 multi-omics 분석, 대규모 약물 스크리닝, CRISPR/shRNA 스크리닝을 통해 암의 전이 및 악성화 기전, 면역회피 기전을 규명하고, syngeneic 모델을 포함한 다양한 마우스 모델에 약물을 적용함으로써 항암 치료의 타겟과 후보물질을 발굴하기 위한 연구를 진행하고 있습니다. 대표적인 연구로 EMT 분자아형 위암 특이적 항암신약 후보물질을 발견, 기술이전 이후 신약으로의 개발 진행 중인 사례가 있습니다. 이와 같이, 저희 연구실은 wet lab과 dry lab이 결합되어 있어, in silico 분석부터 in vitro, in vivo 실험이 가능하고, 구성원 간 활발한 교류를 통해 또는 연세대학교 의과대학 소속 연구실과의 공동연구를 통해, 폭 넓은 연구가 이루어지고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

질병 치료에 효과적인 약물을 찾는 것만큼 약물 타겟 발굴과 약물의 작용 기전 규명 또한 신약 개발의 중요한 요소이기 때문에, pooled shRNA 스크리닝과 같은 기능 유전체학 기반 스크리닝은 신약 개발에 있어 매우 효과적인 tool입니다. 이번 연구의 방법론을 향후 다른 질병, 다른 phenotype에 적용함으로써 다양한 방향으로 연구를 확장할 수 있다는 것도 본 연구의 성과라고 생각합니다.

물론, 스크리닝으로 항상 눈부신 결과를 얻을 수 있는 것은 아닙니다. 특히, 스크리닝으로 얻은 candidate gene은 false positive도 포함하고 있습니다. 스크리닝 이후로는, 모든 연구가 그렇듯이, 진흙 속의 진주를 찾듯 다방면으로 candidate의 유효성을 검사하고, 자세히 들여다보는 과정이 필요합니다. 그러는 동안, 많은 희망과 좌절을 겪으며, 저 자신을 담금질한 것 같습니다. 하지만, 그 결과, WNK3라는 암 연구분야에서 조명받지 못했던 단백질을 PD-L1 regulator로 찾게 되어 큰 보람을 느낄 수 있었습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

연구를 지속함에 있어, 연구 주제에 대한 학계, 의료계, 산업계의 관심도 또한 중요한 요소라고 생각합니다. Cancer immunotherapy는 제가 강조하지 않아도 현재 많은 관심이 집중되어 있고, 연구개발, 투자의 열기가 뜨거운 분야입니다. PD-1/PD-L1 면역관문 억제제의 시장 규모는 매년 성장하고 있습니다. 또, 치료 효과 증대를 위한 병용치료 연구, FDA에 승인된 PD-1, PD-L1, CTLA4, LAG3의 차단항체 외 새로운 면역관문 억제제의 개발 연구 등 항체 기반 치료제에 대한 연구 외에도 CAR-T와 같은 immune cell therapy, 최근에는 microbiome을 통한 접근 등, 광범위한 연구가 이루어지고 있습니다. 더불어, 면역항암 치료의 저항성 기전 규명은 더 넓은 환자군의 치료를 도모할 수 있기 때문에 더 많은 연구가 요구되어지고 있습니다. 연구를 통해 환자 치료에 기여하길 바라는 연구자들이 의의를 두며 매진할 수 있는 분야라고 생각합니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

WNK1 knockout mice가 embryo lethal한 특성을 가지기 때문에, 본 연구에서 사용한 pan-WNK 억제제는 임상에 적용될 수 없는 한계를 가지고 있습니다. 따라서, 본 연구에 대한 후속 연구로서 현재 부재한 WNK3 선택적 억제제의 발굴, 개발 연구가 착수되었습니다. 이와 함께, 후보물질을 여러 암종에 적용하여, 적응증을 탐색할 예정입니다. 암 외에, WNK3 억제는 직접적으로 면역세포를 활성화하기 때문에 면역결핍 질환 등 다양한 적응증 발굴의 가능성도 생각하고 있습니다. 저는 이 연구에 참여해 WNK3 연구를 이어갈 계획입니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

Pooled shRNA 스크리닝을 위해, array 형식의 13만개 shRNA clone으로부터 druggable genes, cancer driver genes를 targeting하는 shRNA를 cherry-pick하는 시작 단계부터 NGS 시퀀싱 결과 분석까지, 관련 지식이 전혀 없었던 저에게는 모든 것이 도전이었습니다. 하지만, 연구실 동료들과 지식과 의견을 교환하고 서로 배우면서, 또 저 스스로 많은 고민을 하면서, 각 단계들을 해결하였고, 앞으로 어떤 새로운 과제를 하게 되어도 해낼 수 있겠다는 자신감을 가지게 되었습니다. 이러한 기회를 주시고, 제가 고비를 겪을 때마다 격려로 이끌어 주신 김현석 교수님께 항상 감사하다는 말씀을 드리고 싶습니다. 그리고, 종양침윤 면역세포 분석과 WNK3의 면역 조절 기능 관련 실험을 맡아 주신 권호근 교수님, 김기천 박사님께 진심으로 감사드립니다. 두 분의 따듯한 조언으로 정말 많은 힘을 얻었습니다. 또, 논문에 도움을 준 오세진 박사님, 김학현 학생, 김용건 학생, 이윤지 선생님, 김민서 선생님, 권성진 선생님, 옥연수 학생에게도 감사의 말씀드립니다. 제가 항상 보고 배운 연구실 여러분과 힘든 이야기 들어 주시고 조언을 아끼지 않으셨던 이혜은 박사님, 오수영 선생님께도 감사드립니다.

마지막으로, 제가 박사과정을 이어갈 수 있도록 물심양면으로 지원해주신 윤진섭 아버지, 김기선 어머니와 항상 응원과 지지를 보내준 윤주로 언니, 우상교 형부, 우다겸, 우다원 조카에게 깊은 감사와 사랑을 전합니다.