미세환경의 이질성에 대응하는 암세포의 후성유전학적 역학 규명
뉴스 · 2025-12-23 · 조회 59
💠Overview 개요
연구제목 : 미세환경의 이질성에 대응하는 암세포의 후성유전학적 역학 규명
미세환경 차이에 따른 암세포의 후성유전학적 역동성 규명 연구
참가자 : 고려대학교 채수연, 고려대학교 한지수
파견 기관 : 캐나다 맥길대학교
해외교류연구자 : 김대겸 교수
💠Program purpose 연구목적
1 연구 배경 및 필요성
1.1 연구배경
1.1.1) 후성유전적 조절과 암
● 여러 암종에서 약물 내성의 분자적 기초를 밝히기 위한 많은 연구들이 발표되어 오고 있으며 이를 타겟하는 약물이 개발되어오고 있다.
- Ras 경로 표적 치료제 (Tipifarnib, Lonafarnib), MEK 경로 표적 치료제 (Trametinib, Selumetinib), EGFR 표적 치료제 (Afatinib, Dacomitinib) 등 내성 기작에서 중요한 역할을 하는 특정 분자나 신호 경로를 차단하고자 2세대 항암제가 개발되어왔으나, 보상 경로의 활성화 및 부작용에 의해서 실제 임상적 효과를 나타낸 항암제는 많지 않다.
- 면역관문억제제, CAR-T 세포 치료, TIL (Tumor-Infiltrating Lymphocyte) 치료 등 암세포에 대한 면역 반응 증강 및 재활성화를 통한 치료를 도모하는 면역치료도 개발되어오고 있으나 여전히 실패가 발생하고 있다.
● 후성유전학적 변화가 암세포의 가역적 약물 내성 형성에 중요한 기여를 한다는 연구들이 보고 되어오고 있다.
- 다양한 연구들에서 후성유전학적 조절로 약물 내성을 보일 수 있으며, 이러한 상태는 일시적이고 가역적임을 보고한 바 있다 (Sharma, S. V. et al., Cell 2010, 141, 69-80; Hangauer, M. J. et al., Nature 2017, 551, 247-250; Nathaniel W. Mabe et al., Nat. Cancer 2022, 3, 976–993; Sun, C. et al., Nature 2014, 508, 118-122; William A. Flavahan et al., Science 2017, 357, 1095-9203; Hata, A. N. et al., Nat. Med. 2016, 22, 262-269).
● 후성유전학적 변화가 암 내성 극복을 위한 중요한 연구 주제로 여겨지고 있지만, 복잡성, 가역성, 유전적 요인과의 상호작용, 임상 적용의 어려움 등 여러 한계와 도전 과제를 안고 있다.
1.1.2) 후성유전학적 역동성 (Epigenetic dynamics)
● 세포는 외부 자극 및 환경 변화 등에 반응하여 가역적인 후성유전학적 변화를 나타낸다.
- 후성유전학적 변화는 스트레스 상황에서 빠르게 신호전달을 조절하며, 종양 내 이질성에도 기인한다고 보고되고 있다. 즉, 환경 변화에 빠르게 적응하며, 이를 통해 약물 내성이나 전이 능력을 획득할 수 있게 한다.
- 이에 따라, 후성유전학적 효소인 Writer (DNA 메틸전달효소 (DNMTs); 히스톤 메틸트랜스퍼라제; 히스톤 아세틸전달효소 (HATs)), Eraser (DNA 탈메틸화 효소; 히스톤 탈메틸화효소; 히스톤 탈아세틸화효소 (HDACs)), Reader (Bromodomain 단백질; Chromodomain 단백질; 크로마틴 리모델링 복합체) 단백질 및 이의 타겟 유전자에 관한 연구가 많이 진행된 상태이다. 하지만 환경 변화에 따른 후성유전학적 변화에 관한 연구는 부족한 상태이다.
● 3차원의 고형암 환경에서 후성유전학적 변화가 어떻게 작용하는지에 대한 연구는 미비한 상태이다.
- 고형암은 3차원 구조로 형성되며, 암세포들이 종양 내부의 깊이에 따라 서로 다른 미세환경에 노출된다. 표면 부근은 산소와 영양분이 풍부하여 세포들이 활발히 증식하는 (proliferating) 영역을 형성하는 반면, 중심부로 갈수록 산소와 영양 공급이 부족해져 세포들이 휴면 상태(quiescent)로 전환되거나 극심한 영양 결핍으로 인해 괴사된 영역(necrotic core)이 형성된다.
- 이러한 미세환경의 차이는 암세포의 후성유전학적 역동성에 중요한 영향을 미치나, 이들을 미세환경별 분리 분석하는 기술과 후성학 유전자의 안정적인 발현 조절 시스템의 결여로 연구의 어려움이 있는 상태이다.
- 따라서 3차원의 종양미세환경에 따른 세포의 분리와 변동성 없는 정밀 유전자 발현 시스템을 통한 후성유전학 연구가 필요한 실정이다.
● 이에 1) 후성유전학조절인자 정밀 증폭 세포주를 구축 및 3차원 세포 모델 구축, 2) 각 층 (증식 영역, 휴면 영역, 괴사 핵)에서의 유전체 및 전사체 분석을 진행하고자 한다. 3) 이를 통해 종양 미세환경에 따라 작용하는 중요 후성학조절 효소 규명과 이들이 조절하는 신호 전달들을 체계적으로 규명하는 연구를 수행하고자 한다.
● 미세환경별 후성유전학적 역동성 규명은 항암제의 내성 극복에 새로운 전략을 제시할 수 있다.
▶ 연구의 목표를 달성하기 위해서는, 캐나다 맥길 대학교 김대겸 교수 연구팀의 BOGO시스템을 통한 OE-세포주 구축이 필요하다. 해외파견을 통한 기술력 교류 및 최종 연구목표를 이루고자 KOBRA 프로그램을 통한 김대겸 교수 연구팀과의 협업을 도모하고자 한다.
2 교류프로그램의 필요성
2.1) 연구 역량 강화
● 후성유전학적 연구를 수행하기 위한 안정적인 발현 조절 시스템의 필요성
- 전통적인 과발현 시스템은 유전자 삽입 위치와 발현 변동성으로 인해 후성유전학적 상태의 정밀 분석에 한계를 보인다.
- 전통적인 과발현 시스템은 유전자를 무작위로 삽입하거나 일시적으로 발현시키는 시스템이다. 이로 인한 발현 불균일성 및 전사 침묵이 발생하게 된다.
- 이러한 변동성 요인은 후성유전학적 조절 인자의 효과를 명확하게 파악하기 어렵게 한다.
● 캐나다 맥길대학교 김대겸 교수 연구팀은 Bxb-landing pad 시스템을 통하여 대량의 Human ORFs (개방형 읽힘 프레임, Open Reading Frames)의 균질한 유전자 발현 조절 및 세포 당 하나의 유전자 발현을 통한 연구를 수행한 바 있다.
- 특정 유전자의 안정적이고 정밀한 삽입 및 발현 조절이 가능한 혁신적 플랫폼은 단순한 과발현 시스템의 한계를 극복 할 수 있다.
- 정밀한 유전자 발현을 필요로하는 후성유전학 연구에 유전자 기능, 단백질 상호작용, 그리고 신호 전달 경로를 정밀하게 분석할 수 있는 강력한 도구로 활용될 수 있다.
- 후성유전학 조절 효소 ORF/Bxb-landing pad 시스템을 통한 정밀 유전자 삽입 기술은 연구의 정확도와 재현성 향상을 도모 할 수 있다.
2.2) 다학제적 협력 네트워크 구축
● 맥길대학병원은 세계적 수준의 임상 연구 환경과 최첨단 의료 시설을 갖추고 있어, 기초 연구와 임상 연구 간의 긴밀한 연계 분석 연구를 도모 할 수 있다는 장점을 보유하고 있다.
● 암세포의 약물 내성 및 종양 미세환경에서 후성유전학적 조절 메커니즘을 다각도로 분석하고, 이를 토대로 임상적 검증 및 맞춤형 치료 전략을 도출할 수 있는 효율적인 다학제적 협력 네트워크를 구축할 수 있다.
2.3) 국제 공동 연구 및 기술 확대
● 맥길대학교은 국제적으로 인정받는 연구기관으로, 이와의 협력은 국내 연구팀의 글로벌 경쟁력을 강화에 크게 기여할 것으로 사료된다.
● 따라서, 본 교류프로그램은 고려대학교 김준곤 교수 연구팀의 3차원 세포 모델 구축과 시공간에 따른 분리 분석법, 김대겸 교수 연구팀의 ORF/Bxb-landing pad 시스템을 활용하여 다학제적 협력을 기반으로 암의 후성유전 조절 기작과 약물 내성 극복 전략을 모색하고자 한다. 이와 같은 교류는 기초 연구뿐 아니라 임상 적용으로의 신속한 전환 및 국가 연구 경쟁력 강화에 크게 이바지할 것으로 기대된다.
💠Research content 연구내용
3. 프로그램 목표 및 내용
3.1 연구과제의 최종 목표
● 목표 연구에서는 Bxb-landing pad 시스템을 활용하여 후성유전학 조절 효소의 과발현이 유도된 세포주를 3차원 세포 모델로 조직화하여 연구를 수행할 것이다.
● 야생형 (Wild type, WT)과 과발현 (Overexpression, OE) 세포주를 3차원 세포 모델로 조직화하여, 층별 유전체 및 전사체 프로파일링을 통한 미세환경에 따른 핵심 후성유전조절 기작과 극복 전략을 모색할 것이다.
▶ 본 프로그램을 통하여 최종 목표인 미세환경에 따른 핵심 후성유전조절 기작과 극복 전략을 모색을 위한 Bxb-landing pad 시스템을 통한 후성유전학 조절 효소의 과발현을 해외파견을 통하여 습득하고자 한다 (그림 1).
그림 1 . 연구과제의 목표 및 내용에 관한 모식도
💠Exchange Scholars 파견성과
본 해외파견 기간 동안, 맥길대학교 김대겸 교수 연구팀과의 협업을 통해 3차원 종양 모델에서 미세환경에 따른 층별 세포 특성을 분리·분석하기 위한 실험 및 데이터 해석 전략을 확립하였다. 특히, 후성유전학적 조절 기작이 세포 외부 환경 변화에 민감하게 반응한다는 점에 착안하여, 3차원 세포 구조를 층별로 분리하고 각 층의 단백체를 비교 분석하는 접근법을 실제 데이터에 적용하고 그 한계와 개선 방향을 체계적으로 도출하였다.
2.3.1) 3차원 세포 층별 분리법 확립
우선, 폐암 세포주인 A549 및 H23 세포주를 이용하여 3차원 스페로이드 모델을 구축한 후, 스페로이드를 바깥 영역(outer)과 중심 영역(core)으로 분리하여 단백체 분석을 수행하였다 (그림 2, 그림 3A, B). 이를 통해, 미세환경 차이에 의해 선택적으로 활성화되는 단백질 및 후성유전학적 조절 인자를 규명하고자 하였다.
그림 2. 3차원 세포 층별로 분리
H23 세포주 기반 스페로이드의 경우, core와 outer 영역 간의 경계가 명확하지 않아 층별 특성 분리가 어려운 구조적 한계가 확인되었다 (그림 3D).
그림 3 . 단백체 분석 결과
이에 따라 해당 모델에서는 추가 분석을 진행하지 않고, 스페로이드 형성 조건의 최적화가 선행되어야 함을 명확히 규명하였다. 이는 3차원 모델 기반 후성유전학 연구에서 세포주 선택 및 구조적 검증이 필수적임을 확인한 중요한 결과이다.
반면, A549 세포주 기반 스페로이드 모델에서는 core와 outer 영역 간의 명확한 생물학적 차이가 관찰되었다. 다만, 동일 스페로이드에서 유래한 샘플 간에 유사한 패턴이 반복적으로 나타나는 batch effect가 확인되어, 이를 최소화하기 위한 데이터 분석 전략을 재설계하였다. 구체적으로, ① core vs control, ② outer vs control, ③ core vs outer 의 세 가지 비교 분석을 수행하였으며, 이 중 core vs outer 비교가 batch effect의 영향을 가장 적게 받는 조건임을 확인하였다. 이에 따라 해당 비교에서 도출된 fold-change 및 p-value를 기반으로 후속 분석을 진행하였다.
이후 GO 분석을 수행한 결과, 샘플 회수 및 전처리 과정에서 유도된 물리적·대사적 스트레스 신호가 core/outer 고유 특성을 가리는 한계가 확인되었다. 이에 따라 단순 기능 풍부도 분석 대신, 차등 발현 단백질(DEPs)을 선별한 후 STRING 네트워크 분석을 활용하여 단백질 간 상호작용 중심의 재분류 전략을 적용하였다. 이를 통해,
실험 과정에서 공통적으로 유도되는 대표적 stress-response 단백질군, core 미세환경의 특성을 반영할 가능성이 있는 stress-independent 신호 관련 단백질군 을 구분하여 정리하였다(그림 3F).
본 분석을 통해 도출된 stress-response 단백질군은 향후 **3차원 모델 조건 최적화 및 품질 관리 지표(marker)**로 활용 가능하며, stress-independent 단백질군은 core 미세환경에서의 후성유전학적 특성을 간접적으로 반영하는 후보 인자로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 현재 추가적인 네트워크 기반 분석을 진행 중이며, 후속 연구를 통해 미세환경 의존적 후성유전학 조절 신호를 보다 정밀하게 규명할 계획이다.
종합적으로, 본 해외파견을 통해 3차원 종양 모델 기반 층별 분석에서 발생할 수 있는 구조적·기술적·해석적 한계를 명확히 규정하고, 이를 극복하기 위한 분석 프레임워크를 체계적으로 정립하였다는 점에서 의미 있는 연구 성과를 확보하였다.
💠Expected effect 기대효과
● 연구 역량 강화: 안정적이고 정밀한 유전자 발현 조절 기술 도입으로 후성유전학 연구의 정확도와 재현성을 크게 향상
● 다학제적 협력 네트워크 구축: 맥길대학병원, 김대겸 교수 연구실, 고려대학교 김준곤 교수 연구팀 간의 긴밀한 협력 체계 구축을 통해, 기초 연구와 임상 연구의 연계를 강화
● 국제 공동 연구 및 기술 이전: 국제적 협력 네트워크를 기반으로 한 공동 연구 추진 및 기술 이전, 국가 연구 경쟁력 강화