- 대장암 항암제 ‘5-FU’ 내성의 핵심 원인 규명…암세포의 버티는 힘을 약화시키는 새 치료 전략 제시 - 환자 유래 오가노이드·동물 모델서 효과 검증을 통하여 기존 항암치료 효과 회복 가능성 확인
대장암 치료에서 가장 널리 사용되는 항암제 중 하나인 ‘5-FU (5-플루오로우라실)’는 수많은 환자의 생명을 살려온 대표적인 항암제다. 그러나 치료가 반복될수록 암세포가 약에 적응하면서 약효가 점점 떨어지는 항암제 내성이 큰 문제로 꼽혀 왔다. 특히 일부 환자에서는 처음에는 치료 효과가 나타나더라도 시간이 지나면서 암세포가 약물 공격을 견뎌내게 되고, 결국 치료 실패와 재발로 이어지는 경우가 많다. 하지만 암세포가 어떻게 항암제를 견디는 힘을 갖게 되는지는 그동안 명확히 밝혀지지 않았다.
한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 줄기세포융합연구센터 조현수 박사 연구팀은 경북대학교 허근 교수 연구팀과 공동으로 대장암 세포가 항암제 5-FU에 내성을 갖게 되는 핵심 원인을 규명하고, 다시 항암제에 반응하도록 만드는 새로운 치료 전략을 제시했다고 밝혔다.
연구팀은 먼저 5-FU를 반복적으로 투여해도 살아남는 내성 대장암 세포를 만든 뒤, 일반 암세포와의 차이를 정밀 분석했다. 그 결과, 내성 암세포에서는 EHMT2라는 단백질의 활성이 크게 증가한 것으로 나타났다. EHMT2는 세포 안에서 특정 유전자의 작동을 조절하는 역할을 하는 단백질로 연구팀은 이것이 항암제 내성과 관련된 핵심 요인일 가능성에 주목했다. 실제 환자 데이터를 분석한 결과에서도 EHMT2 활성이 높은 환자일수록 5-FU 치료 효과가 낮고 생존율도 떨어지는 경향이 확인됐다.
이어 EHMT2 기능을 억제하면 내성 암세포가 다시 항암제에 반응할 수 있는지도 확인했다. 실험 결과, EHMT2 활성을 낮추자 5-FU를 견뎌내던 암세포들이 다시 죽기 시작했고 증식도 크게 줄어들었다. 반대로 일반 암세포에서 EHMT2를 인위적으로 증가시키자 항암제 저항성이 강해졌다. 이는 EHMT2가 항암제 내성을 유도하는 핵심 역할을 하며, 이를 억제할 경우 암세포를 다시 치료 가능한 상태로 되돌릴 수 있음을 보여주는 결과다.
또한 이번에 발견한 치료 전략이 실제 환자 환경에서도 효과가 있는지를 확인하기 위해 환자 유래 오가노이드와 동물 모델을 활용해 추가 검증을 진행했다. 5-FU와 EHMT2 억제제를 함께 처리한 결과, 기존에는 반응하지 않던 내성 대장암의 성장이 뚜렷하게 감소했다. 이는 새로운 항암제를 개발하지 않더라도 암세포의 내성을 낮춰 기존 치료 효과를 높일 수 있음을 보여주는 결과로, 향후 항암제 내성 극복을 위한 새로운 치료 전략으로 활용될 가능성을 제시한다.
이번 연구는 암세포가 항암제에 적응하는 과정을 새롭게 규명하고, 이를 다시 치료 가능한 상태로 되돌릴 수 있는 핵심 표적을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 특히 현재 임상에서 널리 사용되는 5-FU 기반 항암치료의 한계를 극복할 가능성을 보여줬으며, 대장암뿐 아니라 위암·췌장암·유방암 등 5-FU를 사용하는 다양한 암 치료 전략으로도 확장될 수 있을 것으로 기대된다.
연구책임자인 조현수 박사는 “이번 연구는 암세포가 항암제에 적응하는 과정에서 후성유전체 조절 단백질 EHMT2가 핵심 역할을 한다는 사실을 규명한 데 의미가 있다”라며, “향후 EHMT2를 표적으로 하는 치료 전략이 항암제 내성을 극복하고 기존 항암치료 효과를 높이는 새로운 접근법으로 발전할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구성과는 기초의학 분야의 세계적 권위지인 Signal Transduction and Targeted Therapy (IF 52.7) 5월 18일 온라인판에 게재되었으며, (논문명: Targeting EHMT2 overcomes 5-fluorouracil resistance in colorectal cancer by modulating cell cycle and apoptosis / 교신저자: 생명연 조현수·손미영·김대수·한태수 박사, 경북대 허근 교수 / 제1저자: 생명연 태인환 박사) 생명연 주요사업, 생명연 전략 연구사업, 과기정통부 바이오ㆍ의료기술개발사업의 지원으로 수행되었다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경 ○ 대장암(Colorectal Cancer, CRC)은 전 세계적으로 세 번째로 흔한 암으로, 높은 발생률과 사망률로 인해 중요한 공중보건 과제로 남아 있다. ○ 5-FU (5-플루오로우라실)는 대장암1차 항암 요법의 핵심 약물로, FOLFOX ·FOLFIRI 등 복합 화학요법 처방에서 기반 약물로 폭넓게 사용된다. 그러나 반복 투여 시 암세포가 약물에 적응하면서 획득 내성이 발생하고, 전이성 대장암 환자의 최대 90%에서 내성이 관찰되어 치료 실패와 생존율 저하의 주요 원인이 되고 있다. ○ 최근 후성유전학적 이상조절이 대장암의 진행 및 약물 적응의 핵심 기전으로 주목받고 있으며, 후성유전 변형은 가역적 특성을 지니고 있어 기존 항암제와의 병용 치료 전략으로서 높은 가능성이 제시되고 있다.
□ 연구내용 ○ 연구팀은5-FU를 농도를 점차 높여가며 8개월간 반복 투여하는 방식으로 인간 대장암 세포주(HCT116, HT29)에서 5-FU 내성(5-FUR) 세포주를 수립하고, RNA 시퀀싱 분석을 통해 내성 세포와 일반 세포 간의 전사체를 비교 분석하였다. ○ 유전자 온톨로지(Gene ontology; GO) 분석 결과, 5-FU 내성 세포에서 '크로마틴 분리', '크로마틴 리모델링' 관련 유전자군이 유의하게 활성화되어 있음을 확인하였다. 히스톤 메틸전달효소(HMT) 발현 분석에서 EHMT2의 발현이 내성 세포에서 현저히 증가함을 규명하였으며, 이는 qRT-PCR 및 웨스턴 블롯으로 유전자 및 단백질 수준에서 모두 검증되었다. ○ TCGA 데이터베이스 및 계명대학교 의과대학 임상 조직 코호트 분석을 통해, 5-FU 비반응군 (무반응·진행성 병변)에서 반응군에 비해 EHMT2 발현이 유의하게 높고 전체 생존율이 뚜렷하게 낮은 것을 확인하였다. ○ siRNA를 이용한 EHMT2 발현 억제(knockdown) 실험에서, 5-FU 내성 세포의 증식이 현저히 감소하고 세포사멸(아폽토시스) 및 G1기 세포주기 정지가 유도되는 것을 유세포 분석과 웨스턴 블롯으로 확인하였다. 반대로 정상 암세포에 EHMT2를 과발현시켰을 때 5-FU에 대한 내성이 강화됨을 확인하여, EHMT2와 5-FU 내성의 인과관계를 규명하였다. ○ RNA-seq 및 ChIP-seq(크로마틴 면역침강 시퀀싱) 분석을 통해 EHMT2의 직접적인 하위 표적으로 PPM1B를 동정하였다. EHMT2는 PPM1B 유전자 프로모터 부위에 H3K9 이중메틸화(H3K9me2) 표지를 형성하여 PPM1B 발현을 전사 수준에서 직접 억제하며, 이로 인해 CDK2 인산화가 유지되어 세포주기가 계속 진행되고 약물 내성이 강화되는 것을 기전적으로 밝혔다. ○ EHMT2 선택적 억제제인 BIX-01294(BIX)를 5-FU와 병용 처리한 결과, 5-FU 내성 세포 유래 이종이식(xenograft) 마우스 모델 및 복강 내 정위이식(orthotopic) 모델에서 종양 성장이 상승적으로 억제되었으며, 주요 장기에 대한 독성은 관찰되지 않았다. 아울러 환자 유래 대장암 오가노이드(PDO) 모델에서도 동일한 EHMT2-PPM1B 조절축의 활성 및 병용 치료 효과가 재현되어 임상 전환 가능성을 확인하였다.
□ 연구성과의 의미 (1) 5-FU 내성의 새로운 후성유전 기전 규명 ○ 기존 연구에서5-FU 내성의 원인으로 ABC 수송체 과발현, 세포막 투과성 감소, 해독 효소 활성화 등이 제시되었으나, 후성유전학적 관점에서의 구체적 기전은 충분히 밝혀지지 않았다. 본 연구는 EHMT2-PPM1B 조절축이 5-FU 내성을 주도하는 핵심 에피제네틱 경로임을 최초로 규명함으로써, 기존 패러다임을 확장하는 새로운 분자 기전을 제시하였다. (2) 환자 유래 모델을 통한 임상 전환 가능성 입증 ○ 세포 실험 수준에 그치지 않고 이종이식 동물 모델, 정위이식 모델, 환자 유래 오가노이드(PDO) 등 다양한 전임상 모델에서 치료 효과와 기전을 일관되게 검증하였다. 이는 EHMT2 표적 치료 전략의 높은 임상 전환 가능성을 뒷받침하며, 향후 임상 연구의 강력한 근거로 활용될 수 있다. (3) 광범위한 암종으로의 적용 가능성 ○ 5-FU는 대장암 외에도 위암, 췌장암, 유방암, 두경부암 등 다양한 암 치료에 사용되는 항암제인 만큼, EHMT2-PPM1B 축을 표적으로 하는 치료 전략은 대장암에 국한되지 않고 5-FU를 기반으로 하는 여러 암종의 항암제 내성 극복에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다. ○ 또한 EHMT2는 시스플라틴, 독소루비신 등 다른 항암제 내성과도 연관성이 보고된 바 있어, 향후 다양한 항암제 내성 기전에서의 EHMT2-PPM1B 경로의 역할을 탐색하는 후속 연구의 기반이 될 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가 기존 연구에서 5-FU 내성 원인으로 약물 수송체 과발현, 해독 효소 활성화 등이 제시되었으나 후성유전학적 기전은 규명되지 않았다. 본 연구는 EHMT2가 PPM1B 유전자 프로모터에 H3K9 이중메틸화 표지를 형성해 PPM1B 발현을 직접 억제함으로써 5-FU 내성을 유도한다는 새로운 에피제네틱 기전을 최초로 밝혔으며, 환자 유래 오가노이드와 동물 모델에서 일관되게 검증해 임상 전환 가능성까지 제시하였음
어디에 쓸 수 있나 1. EHMT2 발현 수준을 분석하여 5-FU 치료에 반응하지 않을 가능성이 높은 환자를 사전에 선별하는 예측 바이오마커로 활용할 수 있음. 2. EHMT2 억제제와 5-FU 병용 치료를 통해 내성을 획득한 대장암 환자의 치료 반응을 회복시키는 임상 전략으로 발전시킬 수 있으며, 위암·췌장암·유방암 등 5-FU를 사용하는 다른 암종에도 적용 가능할 것임
실용화까지 필요한 시간은 우선 EHMT2를 5-FU 내성 예측 바이오마커로 활용하는 방향으로 빠르게 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다. 대규모 임상 코호트에서 추가 검증이 이루어진다면 진단·예측 기술로의 전환이 가능하며, EHMT2 억제제 병용 치료 전략은 전임상 결과를 바탕으로 임상시험으로 이어질 수 있을 것으로 전망됨
실용화를 위한 과제는 실용화를 위해서는 대규모 대장암 환자 코호트에서 EHMT2 발현과 5-FU 치료 반응 간의 상관성을 추가 검증할 필요가 있다. 또한 EHMT2 억제제의 안전성과 최적 투여 용량을 확립하기 위한 임상 연구와 함께, PPM1B 발현을 증가시키는 저분자 물질 개발등 새로운 치료 접근법 개발도 병행되어야 할 것임
연구를 시작한 계기는 5-FU를 반복 투여해도 살아남는 내성 대장암 세포를 분석하던 중, 크로마틴 리모델링 관련 유전자군이 비정상적으로 활성화되어 있음을 발견하였다. 이를 단서로 히스톤 메틸전달효소를 집중 분석한 결과 EHMT2가 내성 세포에서 현저히 과발현됨을 확인하였고, 이것이 내성의 핵심 원인일 수 있다는 가설을 세워 본 연구를 시작하게 됨
에피소드가 있다면 내성 세포주를 제작하는 부분에서 실패, 제작후 장기간 배양후 오염으로 인해 프로젝트를 중단할뻔 하였음. 마지막으로 한번만 더 제작한 것이 지금의 연구로 이어질수 있었음
꼭 이루고 싶은 목표는 EHMT2 발현 분석을 통해 항암제 내성 고위험 환자를 조기에 선별하고, EHMT2 억제제와 기존 항암제의 병용 치료로 내성을 극복하는 정밀의료 기반 치료 전략을 임상에서 실현되는 것을 목표로 함
신진연구자를 위한 한마디 작은 결과로 시작되었지만 궁금증에 대한 지속적인 연구를 진행해 좋은 성과를 얻었음. 자신을 믿고 연구를 끝까지 진행하면 좋은 결과가 기다리고 있을 것임
그림1. 대장암 항암제(5-FU) 내성 원인 규명과 새로운 극복 전략 모식도 [사진=한국생명공학연구원] 대장암 세포가 항암제 5-FU에 반복적으로 노출되면 EHMT2 활성이 증가하고, 암세포 증식을 억제하는 PPM1B 기능이 저하되면서 항암제 내성이 발생한다. EHMT2를 억제하면 PPM1B 기능이 회복되어 암세포 증식은 감소하고 세포 사멸은 증가하며, 그 결과 항암제 감수성이 회복된다. 이러한 효과는 환자 유래 오가노이드와 동물 모델에서도 확인되어, 5-FU 내성 대장암 치료를 위한 새로운 병용 치료 전략의 가능성을 제시했다.
그림2. 5-FU 내성 환자 유래 대장암 오가노이드(PDO)에서 BIX01294와 5-FU 병용 치료 효과 검증 [사진=한국생명공학연구원] A, B. PDO#3, #4/5-FUR 오가노이드에 DMSO, 5-FU, BIX01294, 5-FU+BIX 병용 처리 후 24·48·72시간 경과에 따른 오가노이드 형태 변화 관찰 C. PDO#3/5-FUR 및 PDO#4/5-FUR에서 각 처리 조건에 따른 EHMT2 및 PPM1B mRNA 발현 수준 분석 (qRT-PCR)
그림3. 5-FU 내성 대장암 이종이식 및 정위이식 동물 모델에서 BIX01294와 5-FU 병용 치료의 항종양 효과 검증 [사진=한국생명공학연구원] A. HCT116/5-FUR 이종이식 마우스 모델에서 DMSO, 5-FU(20mg/kg), BIX01294(10mg/kg), 5-FU+BIX 병용 투여 후 21일째 종양 사진 및 종양 성장 곡선 비교 B. HCT116/5-FUR 이종이식 종양 조직의 H&E 염색 및 Ki-67, p21, PPM1B 면역조직화학 염색 결과 비교 C. HCT116/5-FUR 정위이식(orthotopic) NOG 마우스 모델에서 DMSO 또는 BIX01294(10mg/kg) 21일 투여 후 맹장 육안 사진 및 맹장 무게 비교 D. 치료 기간 동안 NOG 마우스의 체중 변화 측정 결과
용 어 설 명
1. EHMT2 (Euchromatic Histone Lysine Methyltransferase 2) ◦ 세포 핵 안에서 특정 유전자의 활성을 조절하는 후성유전 효소로, 히스톤 H3의9번째 라이신(H3K9)을 메틸화하여 해당 유전자의 발현을 억제하는 역할을 한다. 암세포에서 과발현되는 경우가 많으며, 본 연구에서는 이 단백질이 대장암 세포의 항암제 내성 획득에 핵심적으로 관여함이 밝혀졌다. 2. 5-FU (5-플루오로우라실, 5-Fluorouracil) ◦ 대장암, 위암, 유방암, 췌장암 등 다양한 암 치료에 널리 사용되는 대표적인 항암제로, 정상 DNA·RNA 합성에 필요한 뉴클레오타이드 생성을 방해하고 DNA에 잘못된 염기를 끼워 넣음으로써 암세포의 분열과 증식을 억제한다. 임상에서 단독 또는FOLFOX·FOLFIRI 등 복합 항암 요법의 기반 약물로 오랫동안 활용되어 왔으나, 반복 투여 시 암세포가 내성을 획득해 약효가 소실되는 것이 주요 한계로 지적되어 왔다. 3. H3K9 이중메틸화 (H3K9me2, Histone H3 Lysine 9 Dimethylation) ◦ 히스톤 단백질 H3의 9번째 라이신 잔기에 메틸기 두 개가 붙는 후성유전학적 변형으로, 해당 부위 유전자의 전사를 억제하는 대표적인 표지다. EHMT2는 이 변형을 촉매하는 주요 효소이며, 암세포에서 이 표지가 비정상적으로 증가하면 종양억제 유전자나 세포사멸 관련 유전자의 발현이 차단되어 암 진행 및 약물 내성으로 이어질 수 있다. 4. PPM1B(Protein Phosphatase Magnesium-dependent 1B) ◦ 금속이온 의존성 세린·트레오닌 단백질 탈인산화효소(PPM 계열)의 일종으로, 세포 내 CDK2 인산화를 조절하여 세포주기 진행을 억제하고 세포사멸을 유도하는 역할을 한다. 정상 조직에 비해 대장암 종양 조직에서 발현이 감소되어 있으며, 발현이 낮을수록 환자 예후가 불량한 것으로 알려져 있다. 5. 환자 유래 오가노이드(PDO, Patient-Derived Organoid) ◦ 실제 환자의 종양 조직에서 채취한 세포를 3차원 배양 조건에서 증식시킨 미니 장기 모델로, 원래 종양의 유전적·조직학적 특성을 그대로 재현한다. 개인별 항암제 감수성 평가와 신약 효능 검증에 높은 임상적 관련성을 지닌 차세대 전임상 모델로 주목받고 있다. ◦ 본 연구에서는5-FU에 내성을 유도한 환자 유래 대장암 오가노이드(5-FUR PDO) 모델을 활용하여 EHMT2 억제제 (BIX-01294)와 5-FU 병용 치료의 효과를 검증함으로써, 세포 실험 및 동물 모델에서 얻은 결과가 실제 환자 조건에서도 재현됨을 확인하였다.
출처: [BRIC Bio통신원] 항암제 견디는 대장암, 약효 되살릴 실마리 찾았다,
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