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국내 연구진, 암줄기세포 에너지 대사 규명
의학약학 한국연구재단 (2015-07-17)

◇ 암 발생과 전이 일으키는 암줄기세포의 미토콘드리아 에너지 대사 과정 규명
  - 새로운 차원의 대장암 치료제 개발의 전환점 마련

교육부(장관 황우여)와 한국연구재단(이사장 정민근)은 “국내 연구진이 암 발생과 전이를 일으키는 암줄기세포의 에너지 대사 과정을 규명하여 대장암 치료의 새 장을 열었다”고 밝혔다.

한진 교수(인제대)와 송인성 연구교수(인제대) 등은 암줄기세포의 에너지 대사 과정을 규명하는 연구를 교육부와 한국연구재단이 지원하고 있는 중점연구소지원사업을 통해 수행되었으며, 가스트로엔터롤로지(Gastroenterology) 6월 16일 온라인 게재되었다.

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명: FoxM1-induced Prx3 regulates stemness and survival of colon cancer cells via maintenance of mitochondrial function
   - 저자 정보: 송인성 (제1저자, 인제대 연구교수), 한진(교신저자, 인제대 교수)

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성

  가. 대장암은 국내․외에서 세 번째로 많이 발생하는 암(표준화 발생률 38.6%)으로 1, 2기 대장암은 재발 위험이 낮고 생존률이 높으나, 원격 전이* 암인 경우 치료 후 생존률(5년 후, 18.6%)이 현저히 낮은 암임. 기존에 재발위험이 높은 3기 대장암환자는 화학치료와 경구용 항암제, 표적치료제 등을 이용한 표준 항암요법을 시행함. 이 같은 치료에도 원격 전이 대장암의 경우 5년 생존율이 매우 낮음.
    * 원격 전이: 암이 발생한 장기에서 멀리 떨어진 다른 부위에 옮겨 발생하는 것

 나. 암줄기세포는 일반 암세포와는 달리 무제한 재생능력을 가져 전이의 원인으로 작용하며 높은 약물 저항성을 나타내는 것이 특징임. 이에 연구진은 암재발과 전이를 막기 위해 암줄기세포 공략법을 연구함.
 
 2. 개발 원리: 대장암 환자 암조직으로 부터 분리된 암줄기세포를 통해 미토콘드리아* 기능에 대한 연구 수행. 그 결과 암줄기세포는 미토콘드리아 기능이 일반 암세포보다 증진되어, 미토콘드리아 안에 있는 항산화 단백질, 페록시레독신3**의 활성화를 통해 고효율로 에너지를 얻음을 확인함.
    * 미토콘드리아 : 세포 소기관의 하나로 세포호흡에 관여함. 따라서 호흡이 활발한 세포일수록 많은 미토콘드리아를 함유하고 있으며 에너지를 생산하는 공장으로 불림
    ** 페록시레독신3(peroxiredoxin 3) : 미토콘드리아 내 활성산소를 제거하는 항산화단백질

3. 연구 성과
 가. 페록시레독신3의 활성화가 암줄기세포의 생존 및 전이, 그리고 항암제 내성 원인이 됨을 동물실험을 통해 증명.
 나. 페록시레독신3은 폭스엠1(FoxM1)이라는 전사조절인자*에 의해 유도됨을 규명.
    * 전사조절인자 : DNA가 mRNA를 만드는 과정을 조절하는 요소

한편, 한진 교수는 "이 성과는 암 발생과 전이의 원인이 되는 암줄기세포의 미토콘드리아 에너지 대사 과정을 규명함으로써 암의 재발과 전이를 막는 새로운 치료 전략을 제시했다는 점에서 의의가 크며, 항암 치료제 개발에 큰 전환점을 마련했다"고 밝혔다.

연 구 결 과  개 요

1. 연구 배경
 ○ 우리나라 인구 4명중 1명이 암으로 사망할 정도로 암은 국민건강에 커다란 위협요인이며, 대장암은 갑상선암과 위암에 이어 높은 발생 빈도를 나타냄. 또한, 대장암은 국소재발과 원격전이가 동반되는 광범위한 재발이 많이 발생함. 이러한 재발 및 전이 그리고 항암제 내성 원인으로 암줄기세포가 최근 대두되었으며, 암줄기세포를 표적으로 하는 치료법의 필요성이 증가함. 그러나 암줄기세포의 특징 및 특이 표적 부재 등의 이유로 임상적용이 이루어지지 않음. 본 연구에서는 대장암 재발 및 전이 원인 암줄기세포 사멸을 위한 치료 표적 발굴을 위해 암줄기세포 에너지 대사와 미토콘드리아 특징을 규명하였음. 

2. 연구내용
 ○ 본 연구팀은 대장암 환자 수술후 절제된 암조직과 대장암 세포주로 부터 암줄기세포를 분리하여 암줄기세포 미토콘드리아 기능연구를 수행하였음. 그 결과, 암줄기세포 미토콘드리아 기능이 일반 암세포에 비해 증진되어 glycolysis 보다 oxydative phosphorylation에 의존해 ATP를 생성함을 확인하였음. 또한, 암줄기세포의 생존 및 전이 그리고 항암제 내성 원인이 과발현된 미토콘드리아 Prx3 단백질임을 유전자 기능연구와 동물실험을 통해 증명하였으며, Prx3의 과발현이 FoxM1 전사인자에 의해 유도됨을 규명하였음.
 
3. 기대효과
 ○ 본 연구를 통해 대장암 암줄기세포는 미토콘드리아 기능이 향상되어 oxidative phosphorylation 의존적으로 에너지를 생성하며, 미토콘드리아 Prx3 단백질이 암줄기세포 생존에 중요한 인자로 FoxM1에 의해 조절됨을 규명하였음. 이는 암줄기세포사멸을 위한 표적으로 제공되어 신규항암제 개발에 기여함으로써 대장암 치료에 획기적인 전환점을 제시해 줄 것임.


연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가
대장암 암줄기세포 미토콘드리아 기능을 정밀하게 분석하였으며 이로부터 대장암 및 암줄기세포 특이인자를 규명, 새로운 항암제 표적을 제공하였음.

어디에 쓸 수 있나
대장암 치료 신규 항암제 개발 표적으로 제공되며, 항암요법 치료전략 수립에 기여함.

실용화까지 필요한 시간은
정확한 시간을 예상하기는 어렵지만, Prx3/ FoxM1 저해제 탐색 후속연구와 암줄기세포에 대한 깊은 연구가 진행된다면 그리 오랜 시간이 걸리지 않을 것으로 기대함.

실용화를 위한 과제는
Prx3/ FoxM1 저해제 탐색 후속연구의 진행과 이를 통한 항암제 후보 물질의 발굴이 필요함.

연구를 시작한 계기는
대장암 전이와 재발 문제 해결을 위한 암세포 미토콘드리아 기능 변화 분석과 암 발생 및 기원에 대한 의문에서 본 연구를 시작하였음. 

에피소드가 있다면
연구초기에 보편화 되지 않은 실험기법과 실험장비들로 많은 어려움이 있었으나, 하나하나 배우고 익히는 시간이 어려웠던 만큼 많이 즐거웠음.

꼭 이루고 싶은 목표는
암줄기세포 특이 인자 Prx3/ FoxM1을 타겟으로하는 대장암 표적 치료제의 개발

신진연구자를 위한 한마디
미토콘드리아 연구에 많은 관심과 연구 부탁합니다.

암줄기세포 표적 항암제에 의한 대장암 치료 전략
그림설명1. 암줄기세포 표적 항암제에 의한 대장암 치료 전략
암조직내에는 극소수의 암줄기세포가 존재하며, 이들에 의해 암의 전이 및 항암제 내성이 유발되어짐. 대장암 암줄기세포의 에너지 생성은 일반암세포의 에너지 생성과정과 달리 미토콘드리아 전자전달계를 통해 에너지원 ATP를 생성하며 이를 위해 전사활성화 인자 FoxM1이 페록시레독신 3 (Prx3)를 촉진함. 따라서, 대장암 치료를 위한 항암요법은 표준요법과 같은 고식적 항암요법은 재발 및 다른 장기로의 전이를 초래함. 따라서 Prx3등을 표적으로 하는 암줄기세포 표적 항암제와 고식 항암제 병용항암요법의 새로운 대장암 치료전략이 필요함.

대장암 암줄기세포 미토콘드리아 기능 분석
그림설명2. 대장암 암줄기세포 미토콘드리아 기능 분석
(A)~(F). 대장암 세포주들에서 암줄기세포 표지자인 CD133/CD44/Lgr5 의 항체를 사용하여 세포를 분리하여 일반암세포와 암줄기세포의 미토콘드리아 기능을 분석하였음. (A)미토콘드리아 활성산소 (B) 칼슘 (C) 미토콘드리아 내막전압, (D) 산소소모량 (E) 젖산 생성 (F) ATP 생성 등을 측정하였음. 그 결과 암줄기세포 (black box)의 미토콘드리아 기능이 향상되어 산소를 소모하여 많은 ATP를 생성하는데 반해 glycolysis에 의한 ATP 생성은 일반암세포에 비해 적음. 이는 (E)의 lactate 생성양을 통해 유추할 수 있음. glycolysis를 통한 ATP 생성과정은 lactate를 생성하기 때문임.

[의미] 암줄기세포는 일반암세포와 달리 oxidative phosphorylation의존적으로 에너지를 생성함을 의미함.

대장암 환자유래 암줄기세포의 Peroxiredoxin 3 발현 확인
그림설명3. 대장암 환자유래 암줄기세포의 Peroxiredoxin 3 발현 확인
(A). 대장암 환자의 정상조직과 암조직으로부터 줄기세포 표지자 CD133 항체를 이용하여 세포를 분리한 후 RNA를 분리하여 유전자 발현 분석을 시행하였음. 그 결과 분리된 세포는 다른 줄기세포의 발현이 분리에 사용된 마커와 마찬가지로 암줄기세포와 정상 줄기세포에서 증가되어있었으나, Prx3 발현은 암줄기세포에서 특이적으로 증가되어 있음을 확인하였음. (B). 암조직의 immunohistochemistry staining에서 정상에서는 거의 줄기세포가 보이지 않으나 암조직내에는 일부 암줄기세포가 관찰되며 이부위 주변세포들의 Prx3 발현이 현저히 증가되어있음을 확인할 수있음.  

[의미] 대장암 암줄기세포에 Prx3가 과발현됨을 검증함. 암줄기세포 특이인자로 제공.

 미토콘드리아 Prx3 발현 억제에 따른 암증식 및 전이 그리고 생존 변화 확인
그림설명4. 미토콘드리아 Prx3 발현 억제에 따른 암증식 및 전이 그리고 생존 변화 확인
암줄기세포 특이적으로 발현이 증가된 Prx3 단백질의 in vivo 기능 검증 실험을 수행함. (A). xenograft 실험. nude mice에 Prx 3발현이 억제된 암세포에서 분리된 암줄기세포를 이식함. 그결과 암증식 속도가 현저히 감소하였음. (B). orthotopic xenograft 실험으로 간전이를 확인하기 위해 (A)와 같은 세포를 사용하여 spleen에 세포를 주입함. 그후 간에 생성되는 암을 측정하였음. 그 결과,Prx3 저해 암줄기세포가 주입된 쥐의 간 전이가 현저히 감소됨을 확인하였음. (C) orthotopic xenograft 실험으로 대장 전이를 확인하기 위해 맹장에 (A)와 같은 세포를 주입한후 대장 전이를 확인함. 그 결과, 그림 (C)와 같은 결과를 확인함. (D) 두 세포주가 각기 이식된 쥐의 생존율을 확인함. 그 결과 Prx 3가 저해된 암줄기세포가 이식된 그룹의 생존율이 현저히 높음을 확인하였음.

[의미] Prx3 단백질이 암줄기세포 생존 주요인자임을 in vivo 실험을 통해서 검증함. 

암줄기세포 특이 Prx3 발현 조절인자 FoxM1 규명
그림설명5. 암줄기세포 특이 Prx3 발현 조절인자 FoxM1 규명
암줄기세포에서 과발현되는 Prx3가 FoxM1에 의해 과발현됨을 확인하였음. (A) chromatin immunoprecipitation assay를 통해 FoxM1 전사인자가 Prx3 유전자의 프로모터 부위에 결합함을 확인하였음. 또한 FoxM1 이 줄기세포 표지자인 CD133 발현 역시 조절함을 확인하였음. (B). FoxM1 과발현에 의해 암줄기세포의 수가 증가함을 확인함. (C) FoxM1 저해제 siomycin A처리에 의해 암줄기세포 수가 감소함을 확인함. (D). 본 연구내용을 모식도로 요약하였음. 대장암 암줄기세포는 K-ras에 의한 조절기전이 잘 알려져 있으며 FoxM1 역시 이 신호전달체계에 의해 활성화 됨이 알려져 있음. 이러한 활성화는 미토콘드리아 Prx3발현을 증가시키고 미토콘드리아 기능을 조절 암줄기세포의 self-renewal과 tumorigenic ability에 기여함.

[의미] 본 연구 결과는 대장암 암줄기세포의 미토콘드리아 기능이 향상되어 일반암세포와는 다른 기능을 가지고 있어 기존 항암요법으로는 세포사멸유도에 어려움이 있으며, 암줄기세포를 사멸할수 있는 항암요법이 병행되어 시행되어야 함을 시사하고 암줄기세포 특이 항암제 개발의 타겟으로 Prx3과 FoxM1을 제시함.

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