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p53 돌연변이를 타겟하는 효과적인 암 치료
p53 돌연변이를 타겟하는 효과적인 암 치료 저자 도민재 (KAIST 화학과)
등록일 2019.08.01
자료번호 BRIC VIEW 2019-R19
조회 1066  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
종양 억제 유전자 TP53은 암에서 가장 빈번하게 돌연변이가 발생하는 유전자다. 야생형(wild type) p53은 여러 경로로 종양 발달을 억제할 수 있다. 그러나 TP53의 돌연변이로 인해 p53이 비활성화되면 종양 세포의 사망 기작을 회피하고 빠르게 증식할 수 있게 된다. TP53 돌연변이의 높은 빈도 때문에 돌연변이 p53의 정상 기능을 회복시키고, 이에 따라 종양 세포의 사망 유도하여 암을 치료하려는 노력이 이루어져 왔다. 서로 다른 전략을 통해 미스센스(missense) 돌연변이 p53 단백질을 재활성화시킬 수 있는 작은 분자들이 확인되었으며, 두 가지 화합물을 현재 임상실험을 거치는 단계이다. 본 총설 논문에서는 돌연변이 p53의 약리적 재활성화와 관련된 최근 진행 상황을 논의하고, 이러한 전략의 문제와 해법을 알아본다.
키워드: p53, oncogene, tumor suppressor gene, missense mutation, nonsense mutation
분야: Cancer Biology/Oncology

본 자료는 Targeting mutant p53 for efficient cancer therapy. Nat. Rev. Cancer, 2018, 18: 89-102.의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. p53의 구조와 돌연변이
3. 미스센스 돌연변이 표적 치료
4. 넌센스 돌연변이 표적 치료
5. 결론


1. 서론

p53 전사 인자는 DNA 손상이나 원암유전자 활성 등의 스트레스 조건에서 켜지게 되는 세포의 스트레스 센서 기능을 한다. 정상 조건에서 p53 단백질 수준은 p53이 프로테아좀(proteasome)을 통해 분해될 수 있도록 하는 E3 유비퀴틴(ubiquitin) 단백질 접합효소(ligase)인 MDM2에 의해 음성피드백(negative feedback) 조절을 받고 있기 때문에 낮은 편이다. 세포 스트레스는 p53, MDM2 단백질에 대한 인산화 작용을 통해 p53과 MDM2의 결합을 방해하고, p53 아세틸화를 자극하여 p53 축적과 활성화를 이끌어 낸다. 그 결과 p53이 타겟하는 p21 단백질을 생성하는 CDKN1A (depend-ent kinase inhibitor 1A), 그리고 세포 사멸을 조절하는 BAX (BCL2 associated X), BBC3로도 알려진 (PUMA p53 upregulated modulator of apoptosis), PMAIP1로도 알려진 NOXA 등의 유전자들을 발현시킨다. 이를 통해 세포 주기를 억제하고 세포 사멸을 유도하게 된다. 최근의 연구에 의해 p53이 SLC7A11 유전자가 인코딩(encoding)하는 시스테인(cysteine)/글루타메이트(glutamate) 역수송체(antiporter) XCT의 발현을 감소시키고, GLS2 유전자가 인코딩하는 글루타미나제(glutaminase) 2의 발현을 증가시켜서 대사를 조절하여 세포가 페로토시스(ferroptosis)에 의한 죽음에 민감하도록 만들 수 있다는 것이 알려졌다. 또한 p53은 TIGAR 유전자가 인코딩하는 해당 과정 조절 포스타파아제(phosphatase)와 같은 효소들의 발현을 증가시킨다는 것도 알려졌다. 게다가 p53은 DNA 수리, 분화, 줄기세포 재생 등 다양한 세포 과정에 관여한다. 종양성 스트레스는 p53과 관련된 DNA 손상 반응 신호전달 경로를 자극하는데, 이는 발암과정의 주요한 장벽 중 하나이다.

TP53 유전자의 체세포 돌연변이는 인간의 종양에서 자주 일어난다. TP53 생식세포 돌연변이는 LFS 증후군(Li–Fraumeni cancer predisposition syndrome)과 관련이 있다. 또한 p53 결핍 쥐에서 발견되는 높은 종양 비율은 p53의 중요한 종양 억제 역할을 한다는 확실한 증거가 된다. 그러나 p53 매개 종양 억제의 정확한 메커니즘은 완전히 파악되지 않고 있다. p53 의존적 세포 주기 억제와 사멸 경로는 오랫동안 p53 매개 종양 억제에 결정적이라고 생각되어 왔다. 놀랍게도 최근의 데이터는 CDKN1A, BAX, PUMA, NOXA의 발현 증가를 통한 세포 주기 억제 및 사멸을 유발하는 p53의 능력이 생체 내 실험에서 p53 매개 종양 억제에 불필요한 것으로 드러났다. 대신 대사와 산화환원(redox) 균형에 관여하는 p53 표적 유전자들인 TIGAR, FDXR (ferredoxin reductase), PRKAB1 (protein kinase AMP-activated non-catalytic subunit beta 1) 및 SENS1 (sestrin 1)이 p53 종양 억제 경로에서 핵심적인 역할을 할 수 있다.

TP53 유전자는 지금까지 알려진 인간 암에서 가장 빈번하게 변이가 발생한 유전자로, 종양 발생 중 TP53 비활성화에 대한 강한 선택압(selective pressure)의 존재를 나타낸다. RB1, APC (adenomatous polyposis coli), PTEN과 같은 종양 억제 유전자의 돌연변이와는 대조적으로, 대부분의 TP53 돌연변이는 미스센스 돌연변이다. 더욱이 많은 돌연변이는 p53 단백질의 GOF (gain-of-function) 활동을 획득하여, p53 그룹의 다른 구성원인 종양 단백질 p63과 p73을 비활성화할 수 있게 된다. 따라서 종류에 따라 정도의 차이는 있지만 미스센스 돌연변이가 있는 TP53은 종양 진행을 활발히 촉진하는 원암유전자(oncogene)로 간주될 수 있다. 관찰된 GOF 활동은 발암과정 중에 유전자 기능의 완전한 손실보다는 TP53 미스센스 돌연변이가 주로 나타나게 되는 강력한 선택압을 설명할 수 있다. 그럼에도 불구하고 TP53 돌연변이의 약 10% 정도 되는 작지만 상당한 비율은 야생형 기능이 손상된 잘린 p53 단백질이 발현되게 하는 넌센스(nonsense) 돌연변이다.

본 총설 논문은 p53 돌연변이의 야생형 기능 복원을 위한 전략에 초점을 맞추고 있다. 우리는 p53 돌연변이를 표적으로 하는 분자의 개발과 관련해 지금까지 이루어진 진전에 대해 토론하고, 임상 개발에 대한 최신 동향을 살펴본다. 또한 넌센스 돌연변이를 가진 TP53의 전사를 약리적으로 유도하는 최근의 연구를 다룬다.

 

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그림 1. p53 네트워크.
p53은 초기 종양 세포의 활성 원암유전자, DNA 복제 문제, ROS 등에 의해 유도된다. p53은 MDM2와 음성피드백 구조를 이루고 있다. ATM, ATR, CHK1, CHK2에 의한 MDM2과 p53의 인산화(P)는 p53-MDM2 결합을 방해하여 p53을 안정화시킨다. CREBBP, KAT5에 의한 p53의 아세틸레이션(Ac)은 DNA 결합을 위해 p53을 활성화시킨다. p53 아세틸화는 SIRT1에 의해서도 조절된다. E2F, ARF는 MDM2 억제를 통해 p53을 유도한다. 스트레스 상황에 대한 세포의 반응 경로에서 p53의 핵심적인 역할 덕분에 TP53 돌연변이에 대한 강한 선택압을 설명할 수 있다.

 

2. p53의 구조와 돌연변이

게놈 염기서열 분석 결과 12종류의 암 환자 중에서 42%가 돌연변이 TP53을 가지고 있는 것으로 나타났다. 그러나 TP53 변이율은 종양 유형에 따라 크게 다르다. 예를 들어, 일부 신장세포암(renal clear cell carcinoma)의 TP53 돌연변이율은 2.2%에 불과한 반면, 고도 장액성 난소암(high-grade serous ovarian cancer)의 TP53 돌연변이율은 거의 95%이다. 암의 TP53 돌연변이의 대다수는 DNA와 결합하는 핵심 도메인인 100~300 잔기(residue)에 위치한 미스센스 돌연변이다. 가장 자주 영향을 받는 다섯 잔기는 Arg273, Arg248, Arg175, Arg245, Arg282 이다. 대부분의 미스센스 TP53 돌연변이는 p53의 DNA 결합을 방해한다. p53의 종양 억제제로서 정상적인 기능을 손상시키는 많은 TP53 변이는 단백질의 자유 에너지를 증가시켜 그 구조를 불안정하게 만든다. 미스센스 돌연변이 p53 단백질은 크게 DNA 접촉 돌연변이 또는 구조적 돌연변이로 분류될 수 있다. p53-R273H 돌연변이와 같은 첫 번째 유형의 돌연변이는 DNA와 직접 접촉하는 잔기를 대체한다. 이는 반드시 p53 단백질 구조에 심오한 영향을 미치는 것은 아니지만, 그럼에도 불구하고 단백질의 열안정성(thermostability)을 감소시킬 수 있다. 두 번째 유형의 돌연변이는 핵심 도메인의 접힘을 방해하는 아미노산 대체물을 생성한다. 예를 들어 p53-R175H와 같은 돌연변이가 생성하는 잔기는 빽빽하게 포장된 소수성 β-시트 구조에 위치하는 경우가 많다. 구조적 돌연변이는 보다 광범위한 구조적 왜곡 및 감소한 열안정성을 특징으로 한다.

 

표 1. 각 tumour 타입에 따른 TP53 돌연변이 빈도와 가장 흔한 변이 종류
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코돈(codon) 175와 273의 대체는 인간 종양에서 가장 일반적인 TP53 돌연변이에 속하지만, 종양 유형에 따라 돌연변이 패턴은 다르게 나타난다. 예를 들어 폐편평상피세포암(lung squamous cell carcinomas)은 담배 연기 내 발암물질 노출과 관련된 p53-R158L 및 p53-V157F 돌연변이와 같은 TP53 변형을 자주 수반한다. 본질적으로 모든 종양 관련 TP53 미스센스 변이는 서열상 DNA 결합에 영향을 미치지만, 각 아미노산이 대체하는 p53 구조, DNA 결합 및 파트너 단백질과의 상호작용에 따라 고유한 영향을 미칠 가능성이 있다. 따라서 돌연변이 p53 단백질은 정상 종양 억제 기능의 다양한 손실과 GOF을 획득한 상이한(heterogeneous) 단백질군이라고 볼 수 있다.

3. 미스센스 돌연변이 표적 치료

이론적인 관점에서 볼 때 p53과 같은 비활성 종양 억제자의 치료적 복원은 단백질의 억제보다는 기능적 재구성이 요구되기 때문에 더 어려워 보인다. 또한 MYC, RAS, PI3K와 같은 강력한 원암유전자를 포함해 여러 돌연변이가 존재하는 상황에서 p53의 종양 억제 기능을 복원하는 것은 종양을 제거하기에 충분하지 않을 수 있다. 하지만 종양 세포 환경에서 돌연변이 p53의 재활성화 효과는 성장을 촉진하는 원암유전자와 그에 따른 종양 유발 스트레스의 존재에 의해 영향을 받는다. 생체 내 연구에서 쥐는 야생형 p53을 활성화하면 효율적인 종양 세포 사멸 유도를 시작할 수 있었다. 많은 경우에 종양 세포에서 미스센스 돌연변이 p53이 MDM2 유전자를 발현하지 않는다. 따라서 p53 단백질이 높은 수준으로 존재하고 있다는 사실은 돌연변이 p53 자체가 좋은 치료 표적이 될 수 있음을 시사한다. 다시 말해서 그 표적은 종양 세포에 이미 많은 양이 존재하기에, 종양 세포의 죽음을 유도하기 위해 재구성하고 재활성화하기만 하면 된다.

지난 20년간 학술연구그룹과 산업계 모두의 노력은 돌연변이 p53의 적절한 접힘을 촉진하고 정상적인 p53 기능을 회복할 수 있는 작은 분자들을 찾아내는 것을 목표로 했다. 그 결과 돌연변이 p53을 재활성화 할 수 있는 분자의 목록이 점점 늘어나고 있다. 이러한 화합물은 화학 라이브러리 선별, 합리적 약물 설계 또는 분자 모델링으로 확인되었으며, CP-31398, APR-246, PK083, PK11007, NSC319726 (ZMC1), 스틱트산(stictic acid)과 같은 화합물을 포함하고 있다. 전체적인 목표는 p53 표적 유전자의 DNA 결합과 전이능력을 복원하고, 궁극적으로 세포 죽음을 유도하고 종양을 제거하기 위해 p53 핵심 도메인의 기본 구조를 안정화하는 것이다. 여러 돌연변이 p53 표적 화합물이 p53과 결합하고 안정시키는 것으로 나타났으나, 돌연변이 p53 재구조화에 대한 정확한 메커니즘은 아직 이해되지 않고 있다.

돌연변이 p53을 대상으로 하는 화합물은 서로 다른 전략을 사용하여 식별되었으며, 돌연변이 p53을 재활성화하는 능력은 다양한 분석 범위를 사용하여 입증되었다. 이로 인해 다양한 화합물에 대한 데이터를 평가하고 비교하는 것이 어려웠다. Fersht의 연구는 화합물이 p53 활성화 화합물로 분류되기 위해 충족되어야 하는 기준을 제시했다. 그 기준에 따르면 돌연변이 p53에 대한 결합, p53의 온도안정화, PAb1620과 같은 구조 특이적 항체를 이용한 살아있는 세포의 야생형 재구조화, CDKN1A와 같은 p53 타겟 유전자의 발현 증가를 입증해야 한다. 발현이 증가된 유전자와 하위 신호전달경로 신호는 p53을 다시 넉다운(knockdown) 할 경우 억제되어야 한다. 세포 열 이동 분석(thermal shift assay) 및 RNA 시퀀싱에 의한 p53 의존적 전사에 대한 연구 외에도 재활성화된 돌연변이 p53의 DNA 결합을 평가하기 위한 ChIP–seq과 같은 게놈 전반 분석을 사용하여 종양 세포에 대한 표적 결합을 평가하면 더 많은 정보를 제공할 수 있다.

돌연변이 p53의 약리적 재활성화는 p53 의존적 사멸에 의한 종양세포 사망을 유발하는 것으로 알려진 항암제와 조합 치료의 기회를 열어준다. APR-246과 아드리아마이신(Adriamycin) 및 시스플라틴(Cisplatin)을 조합한 결과, 폐암 및 난소암 이식 쥐 모델에서 암세포 사멸을 유도하는 상당한 시너지 효과가 나타났다. 여기엔 시너지가 발생하게 되는 몇 가지 그럴듯한 이유가 있다. 첫째, 야생형 p53 기능의 복원은 야생형 p53으로 종양을 우선적으로 대상으로 하는 시스플라틴과 같은 DNA 손상 항암제에 종양 세포를 더 민감하게 만든다. 둘째, DNA 손상 약물에 의한 돌연변이 p53의 유도는 APR-246과 같은 돌연변이 p53 활성 화합물에 대한 민감도를 높인다. 셋째로, 손상된 세포 산화환원 항상성 및 GSH (glutathione) 고갈은 약물 유도 p53 의존성 종양 세포 사망을 촉진할 수 있다. 백금 약물에 대한 강화된 약물 내성은 GSH를 포함한 세포 항산화 시스템의 발현 증가와 관련이 있다. 시스플라틴은 GSH에 결합되어 다세포 관련 단백질 전달체를 통해 배출된다. 이들의 활동은 높은 세포 내 GSH 수치에 의해 촉진된다. APR-246에 의한 GSH 고갈은 약물 유출에 간섭하여 약물 유도 암세포 사망을 증가시키게 된다.

야생형 p53은 자체 억제제인 MDM2를 발현시키기 때문에 돌연변이 p53의 재활성화는 MDM2을 증가시켜 원하는 p53 반응과 종양 세포 사망에 반대 영향을 줄 수 있다. 따라서 뉴트린(Nutlin)과 같은 화합물로 p53-MDM2 결합이 중단되면, 돌연변이 p53 활성 화합물의 효과가 증대되고 시너지 효과가 발생할 수 있다. 그러한 시너지는 세포 성장 억제 및 세포 사망 유도에 더 하여 p53 타겟 유전자의 발현량 증가와 관련하여 조사될 수 있다. 실제로 PK7088은 p21 유도 및 G2-M 세포 주기에 의해 평가된 뉴트린과 시너지 효과를 보였다. 췌장암 세포에 대한 연구에서 PRIMA-1은 뉴트린과 뚜렷한 시너지 효과를 보였다. 다시, 이러한 영향은 위에서 언급한 바와 같이 관련 셀 시스템을 사용하여 돌연변이 p53의 유무에서 조사해야 한다. RG7112, RO5503781 및 MI-773과 같은 MDM2 억제제가 현재 임상 개발 중임을 감안할 때, 이는 실행 가능하고 임상적으로도 가망 있는 전략으로 보인다.

4. 넌센스 돌연변이 표적 치료

넌센스 돌연변이는 TP53의 잘못된 돌연변이에 비해 빈도가 낮지만, 암의 모든 TP53 돌연변이의 10%를 차지한다. 가장 일반적인 넌센스 TP53 돌연변이는 TP53R213X이며, TCGA 데이터에서 보이는 12종양 유형 전체에서 다섯 번째로 가장 흔한 TP53 돌연변이다. 센스 돌연변이를 수반하는 mRNA에서는 어떤 tRNA도 종료 코돈에 결합되지 않고 번역이 중단될 것이다. 대신 eRF (eukaryotic peptide chain release factor subunits)를 모집하여 리보솜에서 잘린 단백질을 방출함으로써 번역을 종료한다. 조기 종단 코돈은 잘리고 불안정하며 기능하지 않는 단백질의 합성을 초래하며, 나머지 엑손(exon) 부위에 의해 촉발된 NMD (nonsense-mediated mRNA decay)는 mRNA 발현량을 감소시키게 된다. 따라서 넌센스 돌연변이 mRNA의 전신 단백질의 발현을 목표로 하는 치료 전략은 번역 과정의 충실도를 줄임으로써 달성할 수 있는 번역적 판독의 유도와 NMD 억제에 초점을 맞추어야 한다. 두 과정을 모두 목표로 하는 것은 전체 길이 단백질의 훨씬 더 효율적인 유도를 산출할 수 있다.

siRNA (small interfering RNA)에 의한 eRF 넉다운은 조기 종료를 억제하고 리포터 mRNA에 의한 번역적 읽기 작업을 유도한다. 이러한 작업을 촉진하는 작은 분자를 설계할 수 있을까? 옥사디아졸(oxadiazole) PTC124은 루시퍼라아제(luciferase) 발광 효소를 사용하여 세포 기반 스크리닝 과정에서 읽기 작업 유도체로 확인되었다. 그러나 이러한 결과는 PTC124가 조기 종료 코돈의 판독을 유도하는 것이 아니라 루시퍼라아제에 직접 작용한다는 추가 연구에 의해 의심을 받았다. CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) 유전자의 넌센스 돌연변이를 가지고 있는 낭포성 섬유증(cystic fibrosis) 환자들에게 PTC124를 사용한 임상 결과에서는 유의미한 효능을 보여주지 못했다. 하지만 DMD (Duchenne muscular dystrophy gene dystrophin) 유전자에 넌센스 돌연변이를 가지고 있는 근위축증(Duchenne muscular dystroph) 환자에 대한 임상연구는 한 환자 부분군에서 질병 악화를 느리게 만든 것으로 나타났다.

G418 (geneticin)과 젠타마이신(gentamicin)과 같은 아미노글리코사이드(Aminoglycoside) 계역의 항생제는 TP53R213X를 포함한 여러 TP53 넌센스 돌연변이의 전사 과정을 유도할 수 있다. 이는 약리학적 유도가 가능하다는 것을 보여준다. 아미노글리코사이드 파생 모델 NB124는 TP53의 넌센스 변이 TP53R213X, TP53Q192X, TP53E298X에 대한 전사 유도 가능성을 보였다. TP53R213X 넌센스 돌연변이를 운반하는 H1299 폐암 세포주에서는 전체 길이 p53 단백질이 활성화되어 p53 표적 유전자 CDKN1A와 BAX의 발현 및 세포 사멸이 유도됨이 입증되었다. 또한 NB124는 APC 유전자의 넌센스 돌연변이도 전사할 수 있도록 유도했다. 젠타마이신 B1은 TP53을 전사시키는 훨씬 더 강력한 유도체다.

5. 결론

지금까지 여러 가지 이유로 돌연변이 p53은 치료 목표가 될 수 없는 것으로 여겨져 왔다. 그러나 p53-R175H 및 p53-R273H와 같은 일반적인 미스센스 돌연변이 p53 단백질의 적절한 구조 형성 및 재활성화를 촉진하는 분자들이 점차 증가하고 있다. 이러한 화합물 중 몇 가지는 배양된 종양 세포와 다양한 생쥐 종양 모델에서 상당한 항암 활동을 보여주고 있다. 또한 가장 일반적인 넌센스 돌연변이인 TP53R213X를 포함하여, 넌센스 TP53의 약리적 재활성화에 관해서도 진전이 이루어졌으며, 상당한 수준의 전체 길이 p53의 기능을 나타낸다. 돌연변이 p53 재활성화의 정확한 메커니즘을 더 잘 이해하는 것은 분명히 중요한 목표다. 지금까지 식별된 미스센스 돌연변이 p53을 대상으로 하는 화합물들은 p53 핵심 도메인에 결합하여 p53의 열안정성을 향상시킨다. 또한 세포의 산화환원 균형에 대한 영향을 포함하여 돌연변이 p53 표적 화합물의 p53 독립적 영향을 고려하는 것도 중요하다. 그러한 산화환원 효과는 이들 화합물의 항암 효과에 직접적으로 기여할 수 있으며 p53 독립적 효과를 설명할 수 있다. 또한 산화환원 효과는 부분적으로 기존의 화학 치료 약품 또는 새로운 표적 치료 약물과 결합하여 관찰된 시너지를 설명할 수 있다. 이러한 시너지는 약리학적인 돌연변이 p53 활성화가 클리닉에서 구현될 경우 중요한 치료적 의미를 가질 수 있다.

 

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도민재(2019). p53 돌연변이를 타겟하는 효과적인 암 치료. BRIC View 2019-R19. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3292 (Aug 01, 2019)
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