[서론]

   정상세포는 끊임없이 생성되는 비정상적 신호와 다양한 스트레스에 노출되어 있으며, 이러한 비정상적인 환경으로 인해 생성되는 변형과 이에 따른 오작동을 방지하기 위한 많은 장치들을 가지고 있다. 가령, 세포는 세포를 감시하고 세포 주기를 조절하기 위한 체크포인트 (cell cycle checkpoint)가 존재해서 DNA손상과 손상된 세포의 분열을 막는다. 또한, 대사활동에 있어서도 대사물질, 효소들의 발현양과 변형 조절 등을 통해 대사의 방향을 결정한다. 이러한 조절의 실패로 인해 손상된 세포나 세포내 구성성분의 사멸은 자기소화작용 (autophagy) 혹은 세포자살 (apoptosis) 등의 예정된 세포사멸 (programed cell death)을 통해 제거되어 정상적인 생활사를 유지한다. 종양을 유발할 가능성이 높은 이른바 종양 유전자 (oncogene)는 대부분 여러 요인에 의해 변형이 일어나 정상적인 세포 생장을 유지하기 위한 장치들 특히, 세포주기 조절을 무력화시켜 비정상적인 세포의 생장을 유도한다.
   종양세포는 앞서 언급한 세포의 감시와 사멸 작용의 조절 실패에서 기인한 비정상적 생장을 하는 세포로 정상세포와는 다른 생리를 지닌다. 특히, 세포 대사에 있어 정상세포와는 다른 보편적인 특징을 지닌다. Warburg 효과라 잘 알려진 대로 종양세포는 포도당 수송단백질 (glucose transporter proteins; GLUTs)의 과발현에 따른 포도당 흡수율이 증가하며, 이렇게 상대적으로 다량 흡수된 포도당의 활용 또한 정상세포와 뚜렷한 차이를 보인다. 정상세포의 경우, 운동하는 근육을 제외하고는 산소가 있는 조건에서는 흡수된 포도당이 대부분 미토콘드리아의 산화적 인산화과정 (oxidative phosphorylation)에 참여하는 운명을 겪지만, 종양세포의 경우, 산소가 충분한 조건에서도 80 - 90% 가량이 해당과정 (glycolysis)을 통해 ATP를 생산한다. 또 다른 특징으로는 소위 adaptation, plasticity라 일컫는 유전자적 혹은 비유전자적 변화 방법으로 생장에 불리한 환경에의 적응을 꾀한다는 점이다. 빠르게 생장하는 종양세포는 대사환경에 따른 산화적 스트레스, 영양분 결핍, 저산소 등의 생장에 불리한 환경에 노출되며, 이러한 환경은 동일 암종이라 하더라도 콜로니에서의 위치, 이웃하는 세포 등에 따라 스트레스의 정도가 다양하다. 종양세포는 이러한 스트레스를 극복하기 위해 유전자적ㆍ비유전자적 변형을 통해 대사 재설정 (metabolic reprogramming and rewiring)을 꾀하여 주어진 환경을 극복하거나 새로운 환경으로의 긴 여정 (long-distance travel so called ‘Metastasis’)을 떠나기도 한다. 이러한 이유로 같은 콜로니에 위치한 동일 암종이라 하더라도 종양의 환경에 따라 종양 이종성 (tumor heterogeneity)를 지닌다.
   최근 생체내 대사 중추가 되는 미토콘드리아의 생체에너지와 산화 스트레스의 조절, 미토콘드리아 역학 변화 (mitochondrial dynamics) 조절이 종양 세포의 생장과 전이에 영향을 준다는 많은 증거를 보이고 있다 [1, 2, 3]. 이 글에서는 미토콘드리아 Syntaphilin (SNPH)이라는 단백질에 의한 미토콘드리아 역학 변화 및 종양의 생장과 전이 변화에 대해 소개하고자 한다.

[본론]

✓ 미토콘드리아의 이동성과 종양세포의 이동

  종양의 치료 약물 발굴을 위해 종양세포 생장에 대한 연구 뿐만 아니라 전이에 대한 연구가 활발히 진행되어 오고 있다. 최근 5-6년간 세포의 이동성 및 전이에 대한 연구에 있어 새로운 가능성과 증거들이 나오기 시작했다. 그 중 주목할 만한 발견은 종양세포에서 미토콘드리아의 이동성과 종양의 침윤 능력에 관한 것인데, 핵 주변에 모여 있는 미토콘드리아아가 외피 세포 골격 (cortical cytoskeleton)으로의 이동성을 보이고, 이러한 미토콘드리아의 외피 세포 골격으로의 이동이 종양세포의 침윤과 이동성을 높인다는 것이다. 이는 종양의 침윤 시, 침윤이 일어나는 장소에 집중해 막 변이와 종양세포의 이동을 위해 막대한 에너지가 필요할 때, 이동 가능한 농축된 에너지 제공자인 미토콘드리아를 종양 침윤 장소로 이동시켜 효과적인 침윤을 완성하게 한다.

✓ Syntaphilin의 구조

  SNPH는 SNPH gene으로부터 생성되는 단백질로 선택적 스플라이싱 (alternative splicing)을 통해 다양한 동형 단백질 (isoform)들을 만든다. 사람에 있어 대표적인 두가지 동형 단백질을 길이에 따라 L-SNPH (538 a.a), S-SNPH (494 a.a)라 표현했다. (그림1.)

  SNPH은 연구 초기 뇌에서 특이적으로 발현하는 단백질이라 알려졌다. 특히 뉴런은 그 생리적 특이성으로 에너지 요구성과 칼슘 수준의 완충을 위해 미토콘드리아가 축삭말단 (axonal terminal)이나 세포핵 (nucleus)으로 이동하며, 이러한 미토콘드리아의 이동은 미세소관을 따라 동력을 제공하는 모터 단백질인 dynein (역행운동 관여 모터 단백질; retrograde transport toward the nucleus)과 kinesin (전진운동 관여 모터 단백질; anterograde direction toward distal axons)에 의해 다이나믹한 이동이 이루어진다. 이때, 미토콘드리아의 전진운동에 관여하는 kinesin은 미토콘드리아 결합단백질인 칼슘 인지 단백질 (Miro)과 카고 어댑터 단백질 (TRAK)과의 콤플렉스 (Miro-TRAK complex)와 결합하여 미토콘드리아를 미세소관을 따라 전진 이동시킨다. 미토콘드리아의 운동성을 조절하는 또 다른 조절인자는 SNPH이다 [4, 5, 6]. SNPH는 kinesin 결합 도메인을 가지고 있어 (그림1) 모터 단백질인 Kinesin KIF5와 직접 결합하여 Miro-TRAK 콤플렉스에서 분리시키고, 또 다른 미세소관 결합 도메인은 미세소관에 결합되어 시냅스 활성과 증가하는 칼슘 신호에 따라 미토콘드리아의 운동을 멈추게 한다. (그림2)

✓ 종양 전이와 미토콘드리아 운동성

  미토콘드리아가 활발한 운동성을 지닌 세포 소기관이라는 것은 새로운 개념이 아니다. 특히 미토콘드리아가 뉴런의 미세소관 네트워크를 따라 활발하게 이동하고 시냅스 등과 같은 높은 에너지를 요구하는 사이트에 많이 이동됨은 잘 보고되어 있다. 다만, ‘뉴런-특이적’이라 생각하던 미토콘드리아의 이동 경로와 조절은 최근 종양을 비롯한 림프구에서도 작동함이 밝혀졌으며, [7, 8] 종양세포에서 미토콘드리아의 운동성과 조절 기전, 생리적 의의에 대한 관심이 높아졌다. 최근 연구 결과들에서는 공격적인 침윤을 나타내는 종양세포는 피질 세포 골격으로 미토콘드리아의 이동이 확인됐고, 이는 뉴런에서처럼 침윤을 위한 지역적 에너지 요구성에 의해 미토콘드리아의 이동이 활발해지는 것이라 여겨진다.

✓ 종양세포에서의 SNPH에 의한 미토콘드리아와 세포의 이동성 조절

  종양세포에서의 미토콘드리아 운동성이 세포의 이동성과 종양의 전이에 중요한 역할을 할 것이라고 알려져 있지만, 이에 대한 조절기전에 대한 연구는 아직 부족하다. 종양세포의 전이과정을 이해하고 미토콘드리아에 의한 종양 세포 침윤의 새로운 조절자를 찾기 위해 최근 게놈 전체에 걸친 shRNA 스크리닝이 수행되었고, 이를 통해 SNPH이 발굴되었다. [7] 그동안의 연구결과에 의하면 뉴런-특이적 발현 및 뉴런내 미토콘드리아의 이동을 중지시키는 단백질로 알려져 있었으나, SNPH의 짧은 형태의 선택적 스플라이싱 이종 단백질 SNPH (S-SNPH)은 암을 비롯한 여러 비뉴런 조직에서 발견되었으며, 미토콘드리아 외막과 내막에 존재함이 알려졌다. 뿐만 아니라 SNPH의 KD은 미토콘드리아를 외피 세포 골격으로 재배치를 유도하고, 종양세포의 이동성과 침윤을 증가시켜 종양 전이를 유발하였다. [8] 반대로 침윤성 종양 세포에서 SNPH의 과발현은 전이성을 현저하게 감소시킨다.

✓ SNPH의 미토콘드리아 이동성 조절 기전

  종양세포에서 SNPH의 미토콘드리아 이동성 조절기전 연구는 미토콘드리아 SNPH의 결합 단백질 CHIP (E3 ligase), Hausp (deubiquitylating enzyme)의 발견과 SNPH의 ubiquitination site 동정을 통해 규명되었다. [9] SNPH의 미세소관 결합부위의 Lys잔기들이 CHIP의해 유비퀴틴 변형이 이루어지면, SNPH와 미세소관과의 결합하어 미토콘드리아의 이동이 중지되며, 반대로 HAUSP에 의해 유비퀴틴 변형이 풀어지면, SNPH-미세소관과의 결합이 끊어져 미토콘드리아의 이동성이 증가한다. 이러한 유비퀴틴화에 의한 SNPH-미세소관 결합의 조절은 종양세포의 이동성과 침윤에 있어서도 유비퀴틴화 의존적 조절이 이루어진다. 나아가 SNPH의 유비퀴틴 자리 Lys의 돌연변이를 이용한 동물모델에서도 유비퀴틴화를 억제할 경우, Wild type에 비해 현저하게 종양 전이가 증가함을 확인할 수 있다. 이로써, SNPH 미세소관 결합 도메인에서의 유비퀴틴화의 조절을 통해 미토콘드리아의 이동성, 종양세포의 침윤과 전이 조절된다는 것을 알 수 있다. (그림3)

✓ SNPH의 미토콘드리아 산화적 인산화과정 조절

  SNPH 결손 세포주를 이용한 연구에서 한가지 흥미로운 결과를 확인되었다. 미토콘드리아 SNPH (S-SNPH)의 결손은 종양 세포주의 생장을 억제하고, ATP저하, oxygen consumption의 저하, 미토콘드리아 산화스트레스 유발 및 이에 따른 미토콘드리아 막의 과분극이 유발됨을 확인했다. 이러한 결과는 기존에 알려진 SNPH의 기능과는 전혀 다른 기능을 암시하고 있으며, 산화적 인산화과정의 조절과 이에 따른 미토콘드리아 에너지 대사의 조절을 통해 종양 세포의 생장을 조율하는 SNPH의 새로운 기능을 제시할 수 있으리라 기대한다.

[결론]

  종양 세포는 주위 환경에 따라 환경을 극복하거나 새로운 생장 환경으로의 이동을 시도하는데, 이러한 기전은 종양이 빠르게 진화하고 종종 불리한 미세 환경에 대처하는데 중요한 역할을 함과 동시에 질병 진행의 핵심인 약물 내성 및 전이 능력과 같은 새로운 적응 특성을 부여한다. 지난 수년간 인상적인 기술 발전을 통해 암 치료의 패러다임을 변화시켰고 개인화 또는 정밀화된 개념이 끊임없이 소개되고 있다. 하지만, 불행히도 지금까지의 분자 표적 약물들은 종양세포의 내성이나 전이성으로 인해 단편적인 반응에 집중되어 있기에 임상으로의 적용에는 많은 현실적 어려움이 있다고 보고되고 있다. [10] 이런 이유로 종양세포의 생장과 전이과정에서 주된 역할을 하는 스위치분자에 대한 발굴과 연구가 필요하다.
   SNPH의 감소는 종양 세포에서 미토콘드리아와 종양세포의 이동성을 증가시키며, 실험동물을 이용한 전이 모델에서도 전이된 종양에서 그 발현이 현저하게 감소되어 있음을 확인하였다. 더욱이 게놈 데이터베이스와 환자들에게서의 발현양 분석을 통해 전이된 암종에서 SNPH의 발현양이 크게 감소됨이 확인되어 종양 전이과정에 있어 SNPH의 조절 기전을 뒷받침한다. 더욱 흥미로운 부분은 종양의 생장에 있어 SNPH의 발현은 대사에너지를 높이고, ROS (Reactive Oxygen Species)를 완충하는 등 생장에 필요한 대사 설정에 기여한다는 것이다. 이에, 종양의 미세환경에 따른 SNPH의 조절이 생장과 전이에 있어 중요한 스위치 역할을 할 것이라는 기대를 갖게 한다. (그림4) 후속 연구에서 여전히 남아있는 과제인 종양 생장에 기여하는 SNPH의 기전연구를 통해 종양의 생장과 전이를 동시에 제어할 수 있는 dual role을 지닌 새로운 치료 약물의 발굴과 미세환경의 변화에 따른 종양의 대사 재설정을 고려한 새로운 패러다임의 종양치료 연구가 활발해질 것이라 기대한다.

참고문헌

• 1.

  W. X. Zong et al., “Mitochondria and cancer”, Molecular Cell. 2016, doi: 10.1016/j.molcel.2016.02.011

• 2.

  S. Vyas et al., “Mitochondria and cancer”, Cell. 2016, doi: 10.1016/j.cell.2016.07.002

• 3.

  D. B. Rivadeneira et al., “Survivin promotes oxidative phosphorylation, subcellular mitochondrial repositioning, and tumor cell invasion”, Science Signaling. 2015, doi: 10.1126/scisignal.aab1624

• 4.

  J. S. Kang et al., “Docking of axonal mitochondria by syntaphilin controls their mobility and affects short-term facilitation”, Cell. 2008, doi: 10.1016/j.cell.2007.11.024

• 5.

  Z. H. Sheng et al., “Mitochondrial transport in neurons: impact on synaptic homeostasis and neurodegeneration”, Nature Review Neuroscience. 2012, doi: 10.1038/nrn3156

• 6.

  S. Campello et al., “Orchestration of lymphocyte chemotaxis by mitochondrial dynamics”, Journal of Experimental Medicine. 2006, doi: 10.1084/jem.20061877

• 7.

  M. C. Caino et al., “A neuronal network of mitochondrial dynamics regulates metastasis”, Nature Communications. 2016, doi: 10.1038/ncomms13730

• 8.

  M. C. Caino et al., “Syntaphilin controls a mitochondrial rheostat for proliferation-motility decisions in cancer”, Journal of Clinical Investigation. 2017, doi: 10.1172/JCI93172

• 9.

  J. H. Seo et al., “Syntaphilin ubiquitination regulates mitochondrial dynamics and tumor cell movements”, Cancer Research. 2018, doi: 10.1158/0008-5472.CAN-18-0595

• 10.

  I. F. Tannock et al., “Limits to personalized cancer medicine”, The New England Journal of Medicine. 2016, doi: 10.1056/NEJMsb1607705

저자약력