유전자 발현 패턴을 이용한 약물표적적합성의 개발

한국과학기술원 최철희 교수

JS Park, JS Lee, CH Choi, Evaluation of drug-targetable genes by defining modes of abnormality in gene expression, Scientific Reports 5, Article number: 13576 (2015) doi:10.1038/srep13576

1. 연구 배경

신약의 개발은 우선 약물의 효과적인 표적을 필요로 한다. 효과적인 표적이 선정된 이후에야 표적 단백질을 조절할 수 있는 약물을 찾기 시작할 수 있기 때문이다. 따라서 신약 개발에 있어 효과적인 약물의 표적을 발굴하는 것은 매우 중요한 문제이다.

마이크로 어레이 등 대량의 유전자 발현 분석이 가능해짐에 따라 이러한 기술의 적용 분야는 질병과 정상에서의 발현량의 차이가 나는 유전자를 찾아내어 이들 중 일부를 약물의 표적으로 사용하고자 하는 것이었다. 그러나 이러한 접근법은 유전자 발현 분석 기술이 내포한 문제로 인하여 일관된 결과를 내놓지 못했다. 즉, 동일 목표를 위하여 행해진 여러 연구들이 서로 상이한 결과를 도출함에 따라 일관된 표적 단백질을 찾아내기 어려웠다. 또한, 연구가 진행되어 감에 따라 단순한 발현양의 차이는 효과적인 약물의 표적을 찾아 내는 것에 큰 도움이 되지 못한다는 것이 알려 지게 되었다. 따라서 연구자들은 RNAi 스크리닝, 네트워크 분석 등 여러 정보를 통합하여 효과적인 약물 표적을 찾기 시작하였으나 단백질의 약물 표적으로서의 적합성 자체를 평가할 수 있는 방법은 주목을 받지 못하고 있었다.

본 연구는 단백질이 약물의 표적이 되었을 때 얼마나 효과적일 것인가를 예측하는 방법론을 제공한다. 즉, 구체적으로 효과적인 약물 표적을 찾는 것을 너머 주어진 단백질이 약물에 의해 기능이 억제될 때 기대한 효과를 얼마나 나타낼 수 있을 것인가를 측정하기 위한 방법을 제공한다. 특히, 상대적으로 측정이 용이한 유전자 발현 정보만을 이용하며, 목표하는 질병과 그에 대한 대조군의 유전자 발현 정보가 있으면 적용 가능한 방법이기 때문에 응용 범위도 넓다.

연구의 기본적인 아이디어는 ‘표적 단백질은 약물에 의해 활성이 저해되었을 때, 그 표적 단백질에 의해 발현이 조절되는 유전자들의 발현 양상이 정상군의 발현 양상과 유사해져야 한다’는 것이다. 만약 여러 유전자에 대하여 이러한 양상을 수치화 할 수 있다면 약물 표적으로서의 적합성을 정량적으로 정의할 수 있을 것이라 기대하고 연구를 진행하였다. 그 결과, 초기에 가졌던 ‘약물 표적 적합성’이라는 개념을 유전자 발현 양상과 일치시킨 수치를 정의하였다. 이후, 이 수치에 따라 선별된 유전자들의 약물 표적 적합성을 실험적으로 검증하였다.

2. 연구 결과

연구의 기본 개념 약물은 일반적으로 표적 단백질의 활성도를 억제하는 것으로 간주하였다. 또한 약물 표적 적합성은 표적 단백질에 의해 발현이 조절되는 단백질들의 발현 양상의 관점에서 접근하였다. 즉, 약물이 효과를 나타내기 위해서는 약물에 의해 억제되지 않은 상황에서는 표적 단백질에 의해 발현이 조절되는 단백질들은 정상군과 질병군에서 큰 차이가 나야 한다. 반면 약물에 의해 표적 단백질의 활성이 저해되면 이러한 차이가 없어져야 할 것이다. 이를 도식화 한 것이 아래의 그림이다.

위와 같은 개념을 이용하여 약물의 표적 적합성을 나타내는 수치를 고안하여 실제 데이터에 적용해 보았다.

실제 유방암 데이터에 적용 공개되어 있는 유전자 발현 데이터 중 가장 많은 데이터가 존재하는 유방암을 대상으로 위에서 정의한 수치를 각 유전자에 대하여 계산해보았다. 그 결과 0.8 점 부근에서 약물 표적 적합성을 갖는 유전자가 가장 많은 분포를 보였고, 그 이상의 점수를 갖는 유전자는 급격히 줄어 드는 양상을 보였다. 이러한 분포의 통계적 유의성을 여러 방식을 이용하여 검증한 후, 분포에서 가장 점수가 높았던 유전자를 선별하여 실험적 검증을 시도하였다.

실험적 검증 컴퓨터로 계산하여 발굴한 유전자가 약물 표적으로서의 적합성이 있음을 증명하기 위하여 유방암 세포주에서 표적 유전자를 siRNA를 이용하여 발현을 억제한  후, 다양한 항암제를 처리하여 표적 유전자가 암세포의 생존 및 세포의 이동에 미치는 영향을 살펴보았다. 

그 결과, 두 종류의 유방암 세포주 (MCF-7과 MDA-MB-231) 를 이용한 실험에서 약물 표적 적합성이 높은 유전자들을 감소시켰을 때, 여러 항암제에 대한 세포 독성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다 (그림 A). 또한 암세포의 전이에 관여하는 세포의 이동성 역시 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다 (그림 B).

또한 암세포주를 이용한 in vitro 실험 결과가 임상에 적용 가능한지 확인하기 위하여 실제 임상 데이터에서 약물 표적 적합성이 높은 유전자의 발현 양에 따라 예후가 변하는지를 확인하여 보았다. 그 결과 아래의 그림과 같이 두 개의 유전자 (RICTOR과 PTPRF)에 대하여 통계적으로 유의미한 예후 차이가 나타남을 확인할 수 있었다.

3. 기대 및 전망

본 연구는 약물의 표적을 선별할 수 있는 방법 뿐 만이 아니라 다양한 방법으로 선별된 약물 표적의 적합성을 측정할 수 있는 방법을 제시하고 있다. 또한 상대적으로 많이 존재하는 실험 데이터인 유전자 발현 데이터만을 이용하기 때문에 응용 범위가 매우 넓다.

이러한 연구는 여러 종류의 암 및 다양한 질병에 대한 효과적인 약물 표적을 제시하여 줌으로써 새로운 약물 개발의 시작을 기대할 수 있게 해준다.