- 유전체, 전사체, 단백체 및 임상 데이터의 통합으로 정밀의학적 특성 규명
- 순수 국내 연구진의 공동연구로 한국인 특이적 난치 암의 신규 치료 표적 발굴

폐암의 가장 주요한 원인은 흡연이다. 그런데 비흡연자의 폐암 발병률은 꾸준히 증가하고 있으며, 특히 여성의 발생률이 높다. 비흡연 폐암 환자의 약 80%는 EGFR 및 ALK 단백질 등을 표적으로 하는 항암제가 처방되고 있지만, 표적이 없는 나머지 환자는 부작용이 많고 항암제 반응률이 상대적으로 낮은 세포독성 항암제를 사용하고 있어 표적치료제가 절실한 상황이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 화학생명융합연구센터 이철주 박사팀은 한국생명공학연구원의 김선영 박사팀, 국립암센터의 한지연 박사팀과 한국인 특이적 비흡연 폐암의 에스트로겐 신호전달 체계 과발현 현상을 다중오믹스 기반으로 규명하고, 항암제 사라카티닙(saracatinib)을 표적 치료 물질로 제시했다고 밝혔다. 다중오믹스는 유전체, 단백체 등 다양한 분자 정보를 통합해 총체적인 정보를 제공하는 기술로, 단백체의 경우 미량의 시료를 대량으로 복제하는 기술이 없어 수십 마이크로그램(μg, 100만분의 1그램) 수준의 미량 단백질을 최대한 손실 없이 분석해야 하는 고난이도 분석법이다.

연구팀은 지난 10여 년간 국립암센터에 내원한 비흡연 폐암 환자 1,597명의 생체검사 시료의 유전자 분석을 통해 치료 표적이 발견되지 않는 비흡연 폐암 환자 101명의 폐암 조직을 확보했다. 이후 임상 정보와 유전체, 전사체, 단백체, 인산화 단백체 데이터를 각각의 오믹스 분석법에 분배하는 방법으로 데이터를 상호참조할 수 있게 했다. 특히 단백체 분석에서는 동중원소표지법을 이용해 기존 단백질 분석에 필요한 양의 10%인 100μg의 단백질만으로도 시료 당 평균 9천여 종의 단백질과 5천여 종의 인산화 단백질의 양을 측정했다.

유전자변이 및 암세포의 신호전달 경로를 측정한 결과, 암 발생과 관련된 유전자로 알려진 STK11와 ERBB2의 운전자 돌연변이(driver mutation)가 비흡연 폐암 환자의 조직에서 다수 관찰됐으며, 여성호르몬인 에스트로겐 신호전달 경로가 과발현됐지만 호르몬 수용체 자체는 큰 변화가 없는 것을 확인했다. 이를 바탕으로 호르몬 치료제가 아닌 하위 신호전달 단백질 저해제인 사라카티닙을 STK11와 ERBB2의 변이가 있는 세포에 적용한 결과, 대조군 대비 통계적으로 유의미(p<0.01)한 세포 사멸 효과가 있음을 관찰했다.

이를 바탕으로 연구팀은 비흡연 폐암 환자 중 에스트로겐 신호전달경로에 특이적 발현을 보이는 환자의 감별진단이 가능한 분자 진단 기술을 개발하고 있다. 또한, 비흡연 폐암 동물모델에 대한 사라카티닙의 치료 효과 분석을 위해 국립암센터와 전임상 시험을 공동으로 진행할 계획이다.

KIST 이철주 박사는 “다중오믹스 분석으로 난치암의 새로운 치료 표적을 발굴한 성공적 사례”라며, “순수 국내연구를 기반으로 병원과 연구기관이 공동연구를 통해 이룬 성과라는 점에서 큰 의미가 있으며, 이러한 경험을 바탕으로 인간 질병에 대한 다중오믹스 연구의 확장에 앞장설 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업 및 바이오의료기술개발사업(2022M3H9A2096187)으로 수행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 「Cancer Research」 (IF 11.2, JCR 분야 10.6%) 최신 호에 온라인 게재됐다.

□ 논문 

  ○ 제목: Proteogenomic Characterization Reveals Estrogen Signaling as a Target for Never-Smoker Lung Adenocarcinoma Patients without EGFR or ALK Alterations

  ○ 학술지: Cancer Research

  ○ 게재일: 2024.4.15.(온라인)

  ○ DOI: https://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-23-1551

□ 저자 

  ○ 주신영 박사후연구원(제1저자/KIST 화학생명융합연구센터), 이철주 책임연구원(교신저자/KIST 화학생명융합연구센터)

○ 연구배경

환자의 흡연력과 무관한 비흡연폐암의 발병률이 국내에서 증가하는 추세에 있어 비흡연 폐암의 병리학적 관심이 높아지고 있다. 그 중 70%의 비흡연폐암 환자는 특이적 치료타겟이 알려져 있지만 나머지 30%의 환자의 치료타겟은 알려진 것이 없어서 표적치료제를 사용하기 힘든 상황이다. 그러한 환자의 효과적인 치료를 위해 정밀의학적 특성 규명과 치료타겟 발굴이 필요하다.

○ 연구내용

지난 10년간 모은 비흡연폐암 환자의 생검시료 중에서 치료타겟이 없는 폐조직 101례의 코호트(cohort)를 구성하였다. 암조직의 생물학적 특징을 분석하기위해 다중오믹스 (유전체, 전사체, 단백체, 인산화 단백체를 통합하는 것) 방법으로 동일 조직으로부터 데이터를 얻어 각 데이터간 상호참조를 할 수 있는 생물빅데이터로 재조직하였다. 이를 기반으로 유전자변이로부터 단백질에 이르는 암세포의 핵심 신호전달 경로를 관찰하였다. 그 결과 에스트로겐 호르몬 신호전달 경로에 있는 유전자의 특이발현이 한국인 비흡연폐암의 특징임을 확인하여, 항암제 사라카티닙(saracatinib)을 표적치료물질로 제시하였다

○ 기대효과

본 연구는 다중오믹스 방법을 도입하여 비흡연폐암의 정밀의학적 특성규명을 시도하였다는 것이며, 특히 세계적 수준의 단백체 분석법을 도입하여 다중오믹스 분석의 병목지점인 단백체 분석에서의 해상도를 극적으로 끌어올려 생명현상의 종착지인 단백질 수준까지의 종합관찰을 가능케 하였다. 이를 바탕으로 치료타겟이 아직 발굴되지 않은 난치암환자에게 정밀의학 실현 가능성을 제시할 수 있었고, 순수 국내 자원만으로 세계적 수준의 연구성과를 얻어낸 점이 주요한 연구 의의라 할 수 있다.

연구결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

● 본 연구는 비흡연 폐암 환자를 주로 치료해온 국립암센터의 한지연 교수의 연구 개발 제안으로 시작되었음. 비흡연 폐암은 흡연력이 없는 고령의 여성들에게 주로 발병되어 병리적 특징이 있음이 예상됨에도 불구하고 현재까지 연구가 되지 않아 표적 항암제가 없는 상황이었음. 특히 국내의 대기 특징과 가스기반 요리 시설의 설치조건등의 생활 환경이 타 의료선진국과는 다른 이유의 발병 원인이 예상되어 비흡연 폐암 환자들의 병리적 분석은 외국에서의 연구 결과를 그대로 적용하기 힘든 점이 있었음. 

● 수십년간의 시료 확보로 얻어진 1600례 가량의 대량 시료를 기반으로 다중오믹스 분석이 가능한 시료를 추려냄으로서 기존에 알려진 치료타겟인 EGFR 변이나 ALK-fusion변이가 없는 시료를 최대한 많은 수를 확보하였음. 이를 통해 최고수준의 다중오믹스 분석을 시도하여 한국인 특이적인 상황에 맞는 변이를 찾고자 하였음.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

● 국립암센터에서 수집한 시료를 기반하여 시료 수집처가 단일한 코호트를 구성하였음. 이를 통해 병원에 차이에 따른 편차를 최소화 하였고, 이를 통해 얻은 연구 데이터는 비흡연 폐암의 발병원인인 한국의 문화지리적 특성을 반영할 수 있음.

● 단백체 분석을 위해 100마이크로그램의 소량 시료만으로도 단백질 9000여개를 동정 및 정량을 할 수 있는 기술을 적용하여 작은 암조직에서도 높은 수준의 데이터를 얻어내어 소중한 시료의 소비를 최소화 시킬 수 있었음.

● 비흡연폐암 중에서도 알려진 변이가 없는 시료를 선별하는데 노력을 기울였고, 추가적으로 변이가 알려진 시료 40례를 분석하여 비교분석하는 방법으로 변이에 따른 생물학적 특징을 분별해 낼 수 있었음.

● 유전자 분석은 보통 변이가 있어도 여러가지 수정 메커니즘의 존재로 인해 단백질까지 그 변이가 영향을 주는 경우가 매우 드물기 때문에 생명현상의 최종 목적지인 단백질에 미치는 변이를 확인할 수 있는 단백체 데이터가 병리적 특징을 분석하는데 핵심이 되는 데이터임.

● 한국인 특이적 비흡연폐암의 변이들을 유전자 수준에서 단백질 수준까지 그 영향을 일관적으로 보이는 변이를 발굴했고, 그 결과 유전적 변이가 여성호르몬 관련 신호전달체계에 큰 영향을 미침을 관찰하였음. 이 결과는 여성에서 비흡연폐암이 많이 관찰되는 병리적 특징과 연관되어 후속연구에 매우 큰 실마리를 제공한다고 판단됨.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 

● 비흡연 폐암을 진단받은 환자들 중 폐암에서 흔히 관찰되는 유전자 변이가 관찰되지 않아 표적 항암제 치료를 받지 못해 절망하는 환자들이 있음. 이러한 환자들의 에스트로겐 신호전달 관련 유전자의 분자적 진단을 통해 여태까지 활용되지 않았던 표적 항암제 치료제를 제안할 수 있음.

● 환경적 원인, 예를 들어 대기오염이나 주거환경에서 노출되는 물리화학적 독성물질에 의해 유발되는 비흡연 폐암의 특징을 감안하였을 때, 본 연구 결과로 관찰된 신규 유전자 돌연변이의 생물학적 원인을 도출 할 수 있다면 비흡연폐암의 위험성을 판단하여 이를 예방하는 의료정책을 제안할 수 있을 것임.

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?

● 비흡연 폐암의 분자수준의 분석 결과를 기반으로 얻어진 돌연변이나 암유발 회로에 대한 지식을 활용하면 적은 비용으로 핀포인트(pinpoint) 검증을 할 수 있을 것로 기대됨. 

● 연구결과로 제시되는 치료 표적 단백질은 기존에 승인받은 약물이 이를 제어할 수 있음을 확인하여, 동물 모델에서 치료효과가 입증된다면 드럭 리포지셔닝의 성공적인 사례가 되어 환자들에게 빠르게 치료제를 공급할 수 있을 것임.

● 연구의 깊이가 낮아 표적치료제가 없는 난치암에 대한 치료물질을 연구하는 국내연구진에 본 연구성과를 제시함으로서 유전단백체 연구의 활용가능성을 제고하는 계기가 될 것으로 관련 연구자들과의 협업을 기대함. 

[그림 1] 비흡연폐암 유전단백체 분석 연구의 개요 [사진=KIST]
(왼쪽) 본 연구에서 분석한 한국인 비흡연폐암 환자들의 성별 분포. 여성이 대부분이었음.
(중간) 비흡연폐암 환자의 유전자 돌연변이 스크리닝 결과 15퍼센트의 환자 폐조직에서 미확인 돌연변이 발견. 최종적으로 101례의 조직에서 유전단백체 분석을 수행하였음.
(오른쪽) 다중오믹스 분석법을 통해 한국인 비흡연폐암의 분자적 특징을 분석하였음.[그림 2] 미확인 변이를 가지는 환자의 대표 특징 및 변이 유전자 동정 [사진=KIST]
(왼쪽) 미확인 변이를 가지는 환자 조직을 분석한 결과 유전자와 단백질 모두에서 에스트로겐 호르몬 반응에 관계되는 유전자들의 발현이 증가함을 관찰 할 수 있었음.
(오른쪽) STK11과 ERBB2 운전자 변이를 지는 환자들이 흡연력과 유의미하게 차이를 보임을 확인하였고, 높은 에스트로겐 반응은 기존에 알려진 KRAS 변이와 유사한 결과를 보임을 확인하였음.

[그림 3] 한국인 비흡연폐암 특이적 변이를 이용한 약물 발굴과 세포주에서의 항암효과 입증 [사진=KIST]
(왼쪽) 에스트로겐 반응 관련 단백질을 조직면역염색법을 이용하여 검증하였고, 공공 바이오 빅데이터에서 관련 단백질의 발현을 가장 효과적으로 억제하는 약물이 Saracatinib임을 확인하고 이 약물의 기전과 한국인 비흡연폐암환자의 유전자 발현과 교차분석하여 긍정적인 항암효과를 예측함.
(오른쪽) 폐암 세포주들 중 환자들과 동일한 돌연변이가 있는 세포주를 선별하여 이러한 변이가 없는 대조군과 함께 saracatinib을 처리하였을때 저농도에서 고농도까지 우수한 암세포 사멸효과를 확인하여 Saracatinib의 항암효과를 입증하였음.