국내 연구진이 암세포의 발생과 전이 현상을 근본적으로 설명하는 세포의 부착-부유 전이(AST, Adherent-to-Suspension Transition) 이론을 정립하여 순환암세포의 생성과 약물저항성 획득 및 면역세포의 활성화 등 암생물학 분야의 난제를 해결할 돌파구를 마련하였다.
 

<연세대학교 박현우 교수, 지헌영 교수, 노재석 교수>
 

한국연구재단(이사장 이광복)은 연세대학교 박현우 교수, 지헌영 교수, 노재석 교수 공동연구팀이 부착세포와 부유세포* 간의 근본 특성으로 알려진 ‘세포모양’과 ‘세포부착 의존성’이 AST 인자들을 통해 형질전환 되는 기전을 규명하고, AST 국제학설을 발표했다고 밝혔다. 
* 부착세포와 부유세포 : 세포는 모양에 따라 서로 붙어 자라는 상피세포(E), 세포끼리 연결을 잃은 중간엽세포(M), 어디에도 붙지 않는 동그란 부유세포(S) 세 종류로 나뉜다. 이중 상피세포와 중간엽세포는 부착성이 있어 부착세포(A)로 불린다.

약 20년간 세포모양의 리프로그래밍*을 설명해온‘상피-중배엽 전이(EMT) 이론’은 현존하는 암생물학 분야의 유일한 이론으로 배아의 발생, 암의 악성화, 각종 섬유화 질환 등을 설명하는데 활용돼왔다.
* 리프로그래밍 : 세포의 근본적인 성질(모양, 줄기능 등)이 핵심인자를 통해 변화하는 과정으로서 현재까지 야마나카인자를 통한 분화된 세포의 역분화줄기세포(iPSC)로의 리프로그래밍이 유명하다.  

하지만 EMT는 부착세포의 모양 변화만 다루어 대다수 암환자의 사망원인인 순환암세포를 통한 암전이 현상을 설명하는 데 한계가 있으며, 이로 인해 암전이 제어인자 발굴 및 치료제 개발에도 어려움이 따랐다. 

연구팀은 조직이나 세포에 부착된 고형암세포가 특정 조건에서 부유세포로 전환되어 혈관을 통해 이동하면서 순환암세포가 되는 현상에 주목하고, 암세포의 부착의존성을 리프로그래밍하는 생명 현상인 ‘세포 부착-부유 전이 이론’인 ‘AST’를 발표하였다. 

연구팀은 200 종류가 넘는 인간 세포를 ‘부착의존성'에 따라 ‘부착세포'와 ‘부유세포' 두 종류로 분류했으며, 혈액세포의 특이적 전사인자 스크리닝을 통해 세포부착성 리프로그래밍을 매개하는 핵심 AST 인자의 조합을 규명하였다. 

또한 AST 조합을 부착세포에서 발현시켜 부유세포로 형질전환하는데 성공하였으며, 동물모델 및 전이암환자의 순환암세포에서 AST 제어를 통한 암전이 억제 효능을 규명하였다. 
더불어 AST 이론을 설명할 수 있는 새로운 연구기법과 세포/동물 모델, 환자 바이오뱅크, 바이오진단마커를 개발하였다. 

박현우 교수는 “이번 연구는 부착세포와 부유세포 간의 형질전환에 관한 AST 이론 정립 및 응용기술 개발을 통해 암 악성화 및 순환암세포 생성 과정을 이해하는 기반을 마련한데 의의가 있다”라며 “AST 제어기술 개발을 통해 우리나라가 차차세대 항전이 치료요법을 선도하는 기반이 되길 기대한다”라고 밝혔다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 과학난제도전 융합연구개발사업, 중견연구, 기초연구실, 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 암생물학 분야 국제학술지 ‘몰레큘러 켄서(Molecular Cancer)’에 3월 30일 게재되었다. 

주요내용 설명

<작성 : 연세대학교 박현우 교수>

논문명
Reprogramming anchorage dependency by adherant-to-suspension transition promotes metastatic dissemination
저널명 
Molecular Cancer
키워드 
Cancer(암), Metastasis(전이), Hippo pathway(히포신호전달), AST(부착-부유 전이), Anchorage dependency(세포부착성)
DOI
10.1186/s12943-023-01753-7
저  자
박현우, 지헌영, 노재석 교수(교신저자/연세대학교), 허현빈, 섭유진, 오종욱 연구원 (제1저자/연세대학교) 

1. 연구의 필요성
 ○ [글로벌 암전이 기초연구 및 임상치료의 한계점] 전세계 선진국 인구의 약36%가 암환자이며, 이들 사망원인의 >90%가 암전이(Metastasis)에 의한 것임에도 불구하고 1) [기초 분야 미충족 수요] 2000년 이후 EMT (상피-중간엽 전이, Epithelial-to-Mesenchymal Transition) 이론에 국한된 일련의 암 발생, 악성화, 전이, 약물저항성, 암줄기세포(Cancer Stem Cell, CSC) 관련 분자기전 및 항암약물 개발의 한계, 2) [의료 분야 미충족 수요] EMT 마커 기반 암환자의 분자 아형(mesenchymal subtype)에 따른 암분류체계 한계에 직면한 환자 예후, 항암제 치료반응, 치료 후 재발율의 예측 정확도 및 평가시스템의 문제점, 3) [진단 분야 미충족 수요] 암유발인자(Oncogene) 관련 돌연변이, 진단용 바이오마커, 암전이 조기 예측인자 개발의 한계, 4) [제약 분야 미충족 수요] 기존 항암 약물 타겟의 고갈 및 암전이 제어인자 발굴/치료제 개발의 한계 등 EMT 이론에 의존한 암생물학 패러다임의 한계가 세계적으로 대두되고 있으며, 이로 인한 글로벌 사회/경제/문화적 손실이 심각함. 
 ○ [EMT 이론에 국한된 글로벌 암 연구의 한계] 지난 20년 동안 암 관련 전분야 [기초, 진단, 임상, 병리, 제약]에서 진행된 암 치료기술 개발의 심각한 한계는, 오직 EMT 패러다임에 국한되어 전분야의 기초지식 및 치료기술이 축적되어 온 것임. 그 이유는 EMT가 암생물학의 현존하는 유일한 이론이기 때문임. 
 ○ [최초 AST 패러다임 개척의 시대적 필요성] AST (부착-부유 전이, Adherent-to-Suspension Transition) 패러다임 개척을 통해 생명과학의 새로운 현상을 정립하고, 암의 기초, 진단, 임상, 병리, 제약 전분야에 걸쳐 혁신적, 독창적인 학문분야를 건설하였음. 특히, AST 연관 학계/산업체 파급효과를 '대한민국이 선점'하기 위한 지속적인 후속 연구에 대한 투자가 필요함. 본 발견은 Yamanaka factor를 통한 역분화줄기세포 (iPSC)의 개발 (2012년 노벨상 수상) 그 이상의 글로벌 파급력을 기대함.

2. 연구내용 
 ○ 세포부착성 형질전환 AST 패러다임 개척 및 세계 최초 '보이지 않는 약물타겟' 발굴
▸ [AST factor 발굴을 통한 세포부착성 리프로그래밍 생명현상 최초 규명] 세포부착성 형질전환을 통한 세포의 부착-부유 전이(AST)를 유발하는 20개의 전사인자 'AST factor'를 발굴함. 혈액세포를 제외한 모든 부착세포에서 전혀 발현하지 않는 '보이지 않는 약물타겟'으로써 AST factor 활성 조절을 통해 여러 세포의 부착-부유 전이가 유발됨. AST factor 활성화에 의해 ECM 결합체계 약화, Anoikis 저항성 강화, ROS 저항성 강화, Hippo/TGFb signaling 약화 등의 gene signature를 기반으로 7일 후 부유세포로 무제한 배양이 가능함. 반대로, 부유-부착 전이를 유발하는 'SAT factor'를 발굴함. ASTSAT 상호배타적 조절기전을 통해 세포부착성 리프로그래밍 현상을 분자세포생물학적으로 규명함. AST 패러다임 기반 부착-부유 전이 과정에서 유전체, 단백체, 대사체의 변화 및 상/하위 신호전달체계를 규명함.
▸ [AST 패러다임 개척을 통한 난치성 질환 연관성 연구] 
AST 패러다임 연구를 토대로 부착-부유 전이 이상으로 인한 질환 및 생명현상에 대한 이해를 증대시킴. 신장질환: podocyte(부착세포) 소변으로 배출(부유세포), 고형암 전이: 암세포(부착세포) 순환암세포로 전환(부유세포), 혈액암 약물내성: 혈액암세포(부유세포) 골수에 흡착(부착세포), 감염: monocyte(부유세포) macrophage(부착세포)로 분화됨. 따라서, AST/SAT 결손을 통해 발생하는 다양한 질환 병인기전 및 발생과정을 새롭게 이해하고 관련 분자기전 연구를 목표함.
▸ [최소 개수의 핵심 AST factor 조합 규명 및 연구개발의 파급력] 다양한 세포 종류의 AST를 유발하는 핵심 AST factor 조합들을 발굴하여 다중오믹스 기반 통합분자네트워크 연구를 통해 세계 최초로 세포부착성 형질전환 원천기술 개발, 임상/병리 환자 코호트 및 바이오뱅크 구축을 통한 질환 관련성 규명, 바이오마커/신약개발을 목표함. 20개 AST family 내 다양한 핵심인자 조합이 존재함으로 AST 연구의 큰 파급력이 기대됨.
 ○ AST 패러다임 선점을 위한 연구기반 구축 및 차세대 암전이 제어기술 개발
▸ [EMT 대비 AST패러다임의 차별성, 독창성, 우월성 규명] 최근 EMT 이론에 대한 반박 논문이  Nature, Cell 등에 잇따라 보고 되면서 현재 암생물학을 지배하는 EMT이론의 심각한 한계가 대두됨. 암 악성화 및 전이 과정이 EMT-independent함이 보고됨. 또한, EMT 기반 분자 아형(mesenchymal type)에 따른 분류체계는 임상적 효용성이 적음. AST 패러다임은 EMT와 무관하며, 암환자의 원발암-CTC 분석 결과, EMT 대비 AST 패러다임 기반 gene signature및 AST factor 활성이 실제 전이 과정과 정합성이 우월함. 따라서, 다중오믹스 기반AST 통합분자네트워크 연구를 통한 기초, 임상, 제약 전분야에서 EMT/MET를 대체/보완할 혁신 AST/SAT 패러다임 정립 및 선점을 목표함. 
▸ [AST 패러다임 연구기반 구축을 위한 독창적 연구기법, Reporter System, 환자 바이오뱅크 구축] 현존하는 CTC 연구기법의 한계를 극복한 in vitro AST assay 연구개발을 통해 부착-부유 전이를 통한 CTC 연구 플랫폼 개발, 다양한 분자세포생물학적 마커 및 readout 규명, AST factor 유전자변형 마우스 모델 제작 및 암전이 모델과 교배, 조직 특이적 전이능(Organ tropism) 연구, in vivo AST 모니터링을 위한 다양한 AST reporter system 개발, AST factor 활성조절 저분자 화합물 효능 검증, 전이암환자 코호트 기반 '원발암-CTC-전이암'로 구성된 짝 검체 바이오뱅크 구축 및 다중오믹스를 통한 암환자 검체 빅데이타 확보 및 병리학적 분석을 계획함. 이를 통해 AST 패러다임 기반 기초, 임상, 진단, 제약 분야의 글로벌 리더를 목표함.

3. 연구성과/기대효과
 ○ [AST 기반 '순환암세포'(Circulating Tumor Cell; CTC) 생성 원리 규명] 암전이 제어 최대 난제인 고형암의 악성화에 따른 'CTC 생성' 과정에 AST factor의 핵심 역할을 규명함. 환자 유래 CTC mRNA 및 조직염색 분석 결과 AST factor가 암전이 과정에서 발현이 급증하며, 고형암세포의 부착-부유 전이 기전을 통한 CTC 생성이 AST factor 활성억제를 통해 현저히 감소함을 확인함. AST 패러다임 기반 최초 암전이 제어인자 IKZF1, NFE2, BTG2, IRF8, SPIB를 발굴하고, 이를 '보이지 않는', 'AST를 억제'하는 'INBIS-ible', 'AST-atic' drug target으로 명명함. 신규 암세포/마우스모델 기반 ASTSAT 전환을 통한 CTC 생성 및 전이암(colonization) 생성의 분자기전 규명을 통해 AST 패러다임 구축 및 최초의 암전이 제어 원천기술 확보를 목표함.
 ○ [AST factor 돌연변이 및 바이오마커 발굴을 통한 혁신 '암전이 예측인자' 발굴] 암환자의 '조기 암전이 예측'은 현재 미충족 의료수요로써 AST 패러다임 기반 1) 혁신 바이오마커 발굴을 통한 암전이 예측인자 개발 및 2) AST 암 유발 돌연변이 규명하여 차세대 정밀의료 실현을 통한 조기 항암치료는 재발성/전이성 암환자 생존율 향상에 크게 기여할 것임. AST 기반 혁신 바이오마커 발굴을 위해 원발암-CTC-전이암 바이오뱅크 유래 빅데이타 확보 및 유전체 분석을 통해 AST 특이적 세포막 단백질 발굴 및 기능 연구를 목표함.
 ○ [AST 기반 고효율 단백질의약품/Exosome 생산용 세포주 & 줄기세포치료제 연구개발] 
    AST/SAT세포부착성 리프로그래밍은 가역적임을 규명함으로써 AST 연구의 광범위한 응용가능성이 기대됨. AST 형질전환 기전 연구를 통해 단백질의약품/Exosome 생산용 세포주 연구개발에 활용함으로써 전세계적으로 사용되는 부유 CHO세포의 한계를 극복하고 대한민국 바이오시밀러 시장의 글로벌 리더를 목표함. Insulin - 췌장세포, IFNg - 대식세포, EPO - 신장세포, G-CSF - 섬유아세포, PDGF - 혈관세포 등 단백질의약품 생산 효율 극대화를 위한 최적화된  AST 세포주 개발을 목표함. 또한 AST 기반 iPSC 역분화 효율 증대 및 부착-부유 전이가 가역적인 hESC, MCS 줄기세포 연구개발을 통해 혁신 줄기세포치료제 개발에 기여할 계획임. 
 

(그림1) 기존 한계를 넘어 암생물학의 새로운 AST 패러다임 정립
암 악성화 기전과 관련된 수세기 동안의 연구 결과는 EMT (상피-중배엽 전이) 이론에 기반하여 왔다. 하지만, 최근 EMT 이론의 한계가 대두되고 있는 상황에서 AST 국제학설의 정립은 차세대 암생물학 분야를 이끌 패러다임으로 주목된다. 
그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 박현우 교수
 

(그림2) 세포부착성 리프로그래밍을 통한 차세대 항전이요법 선도
부착세포와 부유세포 간의 형질전환에 관한 AST 이론 정립 및 응용기술 개발을 통해 암 악성화 및 순환암세포 생성 과정을 이해함으로써 차세대 항전이 치료 전략을 선도할 것으로 기대한다.
그림설명 및 그림제공: 연세대학교 박현우 교수 
 

연구 이야기

<작성 : 연세대학교 박현우 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

현미경으로 매일 세포 관찰하다보면 누구나 품게 되는 근본적인 호기심이 있다.
“왜 부착세포는 붙어서 자라고 부유세포는 동그랗게 둥둥 떠서 자랄까?” 
“세포의 근본적인 성질인 ‘세포부착성’과 '세포모양‘이 결정되는 원리는 무엇일까?” 
“세포의 부착성을 리프로그래밍 할 수 있다면 풀리지 않은 생리적, 병리적 현상을 새롭게 이해 할 수 있을까?” 라는 가장 근본적인 생명현상에 대한 질문에 답하고자 연구팀은 'AST' (Adherent-to-Suspension Transition, 세포부착-부유 전이)로 명명한 세포부착성 리프로그래밍 패러다임을 정립하고 이를 매개하는 핵심 인자들을 밝힘으로써 최초의 AST 국제학설을 발표하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

본 연구진은 200 종류가 넘는 인간 세포를 '부착의존성'(Anchorage dependency)에 따라 2 종류, 즉 1) 별 모양의 '부착세포'(adherent cell)와 2) 둥근 모양의 '부유세포'(suspension cell)로 새롭게 분류하고, 이와 같은 형태학적 차이가 유발되는 발생학적인 원인 및 분자기전을 최초로 규명하였다. 혈액세포 특이적으로 알려져 왔던 전사인자들을 ‘AST 인자’로 명명하였고, 이들 중 핵심 조합을 부착세포에서 발현시킴으로써 부유세포로의 형질전환에 성공하였다. 더 나아가, 90% 암환자의 사망원인인 암의 전이 과정의 핵심 단계인 순환암세포의 생성원리에 AST가 중요한 역할을 담당하고 있으며, 이를 동물 모델 뿐만 아니라 전이성 유방암 환자의 순환암세포 분리/분석(싸이토젠(주))을 통해 인체에서 검증하였다. 놀랍게도, 연구진은 AST 저해제를 발굴하였고 이를 투여하면 순환암세포 생성이 감소하고 암전이가 억제되어, 동일한 원발암을 지니고 있음에도 불구하고, 마우스 모델의 수명과 삶의 질이 현저히 증가함을 밝혔다. AST 연구를 통해 순환암세포 제어를 통한 암전이의 정복 뿐만 아니라, 다양한 생리 현상 및 질병 치료로 확장하기 위한 노력이 진행 중이다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

암으로 인한 사망의 90%는 암전이로 인한 것인데 반해 암전이에 대한 세포분자생물학적 이해는 충분하지 않은 상황에서, 새로운 AST 패러다임을 최초로 정립함으로써 암생물학 및 세포생물학 분야의 새로운 시각을 제시하였으며 부착세포와 부유세포 간의 리프로그래밍이 관여하는 생리적, 병리적 현상들에 대한 이해를 높이고 질병 치료에 크게 기여할 것으로 기대된다.
본 연구팀은 AST 패러다임을 연구하기 위한 전혀 새로운 연구기법, 실험 장비 및 재료, 동물 모델, 환자 바이오뱅크 등을 최초로 개발 및 구축함으로써 AST 연구를 세계적으로 주도할 뿐만 아니라, AST를 활용한 암환자의 분류체계를 혁신하고 AST 저해제 신약개발을 앞서나감으로써 세계의 중심에서 차차세대 항암요법인 5세대 항전이요법을 선도할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 세포치료제 및 단백질의약품 생산세포주 개발에 필요한 원천기술을 확보함으로써 바이오산업에 기여할 것으로 기대된다.