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[남궁석의 신약연구史]HER2, 항암타깃 되기까지

입력 2018-01-30 13:39 수정 2018-01-30 13:39

남궁석 충북대 교수

항체 신약을 찾아서③– 제넨테크 생산을 넘어, 'HER2 타깃' 항암제 개발에 대한 회의와 불신, 난관

지난 연재에서 제넨테크의 창립 과정을 살펴보면서 알아보았듯 초기 바이오텍에서 재조합 DNA 기술을 이용하여 만들어낸 단백질 의약품은 어디까지나 기존에 천연물에서 추출하여 이미 생리적 활성이 알려진 단백질들을 보다 효율적으로 생산하는 방법, 즉 ‘생산 프로세스’의 개선이었다. 그러나 1980년대 이러한 1세대 바이올로직 의악품의 개발과 생산이 끝난 이후, 제넨테크와 같은 바이오텍은 ‘그 다음은 무엇을 할 것인가’에 대한 딜레마에 빠지게 된다. 즉, 기존의 사업모델이 ‘이전에 알려진 단백질 의약품을 좀 더 효율적으로 생산하는 방법’이었다면 이들이 1980년대 이후에 봉착한 과제는 ‘기존에 존재하지 않았던 약물’을 어떻게 재조합 DNA 기술 등을 이용하여 만들 것인지, 그보다 근본적으로 현재까지 약이 존재하지 않은 질병을 치료하기 위해서는 ‘어떤 타겟을 선택해야 하는지’에 대한 고민에 빠지게 된 것이다.

로버트 와인버그와 Neu

이제 제넨테크의 이야기로부터 잠깐 벗어나 제넨테크가 궁극적으로 찾게 되는 약물의 타겟이 되는 유전자에 대한 이야기로부터 시작해 보자. 이를 위해서는 1970년대 후반, 즉 이전 장의 암 유전자 발견이 시작되던 1970년대 말로 거슬러 올라가야 한다. 해롤드 바무스와 마이클 비숍 등을 위시한 분자생물학자들이 바이러스 유래의 암 유전자가 실제로는 정상 세포에도 존재하는 유전자와 거의 비슷한 유전자라는 것을 발견했을 때 이와는 약간 다른 접근 방식으로 암을 유발하는 유전자를 찾고자 했던 분자생물학자가 있었다. 그의 이름은 로버트 와인버그(Robert Weinberg)라는 젊은 MIT 의 조교수였다.

와인버그는 바이러스에서 암을 유발하는 유전자를 찾고자 했던 동시대의 다른 분자생물학자들과는 좀 다른 접근방식으로 암을 유발하는 유전자를 찾으려 했다 [1]. 와인버그는 돌연변이에 의한 정상 유전자의 변화가 암을 유발한다는 가설하에, 암세포에서 DNA를 추출하고, 이를 인산칼슘 (Calcium Phosphate)에 의해 동물세포에 외래 DNA를 형질전환(Transfection)하는 기법을 사용하여 정상세포를 암세포로 변화시킬 수 있는지를 보았다. 그리고 이를 통하여 정상세포에서 암을 유발하는 유전자를 찾기로 하였다. 이러한 시도에 의해서 1982년 발견된 인간 방광암 유래의 ‘암 유전자’ 는 이전에 바이러스 유래의 암 유전자로 알려진 ‘ras’와 동일한 유전자였다[2]. 이는 그 이후의 수많은 신호전달경로의 발견으로 이어지게 된다.

그 이외에 와인버그 랩에서는 쥐의 신경아세포종(Neuroblastoma) 유래의 암 유전자를 발견하였다[3]. 이 단백질은 약 185kDa 에 달하는 단백질로 인산화되며, 여태까지 발견된 다른 암 유전자와는 달리 세포막에 위치하는 특성을 가지고 있었다[4]. 이들은 이 유전자를 유전자 유래인 Neuroblastoma의 앞자를 따 ‘Neu’ 라고 불렀다. 그러나 어떤 이유에서인지 와인버그 랩에서는 이 유전자를 발견한 이후 이 유전자에 대한 연구는 그다지 활발하게 진행하지 않았다. 심지어 이들은 이 단백질에 특이적인 항체까지도 가지고 있었는데도 말이다. 아마도 이와 거의 비슷한 시기에 발견된 Ras의 결과에 흥분되어 정체를 알기 힘들었던 ‘Neu’ 는 접어두었는지도 모른다.

▲그림 1 가장 유명한 암 연구자 중의 하나인 로버트 와인버그 (Robert A. Weinberg) 랩에서는 1981년 ‘Neu’ 라는 유전자와 단백질을 처음 발견하고 이것은 나중에 HER2 와 동일한 유전자임이 밝혀진다.

EGF와 EGFR

EGF(Epidermal Growth Factor : 상피세포성장인자)는 1960년 밴더빌트 대학의 스탠리 코헨(Stanley Cohen, 1922- 참고로 이 사람은 허버트 보이어와 DNA 재조합 기술을 개발한 스탠리 N 코헨과는 다른 사람이다)에 의해서 발견된 단백질이다. 그는 마우스의 턱밑샘(submandibular gland) 유래의 추출물을 갓 태어난 마우스에 주사하니, 이가 빨리 돋거나 눈꺼풀이 빨리 열리는 현상을 관찰하였다[5]. 나중에 그는 이러한 현상을 촉진하는 것이 약 54개의 아미노산으로 이루어진 작은 단백질임을 확인하였고, 이 단백질이 상피세포의 성장과 같이 여러 종류의 세포의 분화와 성장에 중요함을 확인하였다. 그리하여 이 단백질은 상피세포성장인자(Epidermal Growth Factor, EGF)로 이름붙여졌다.

1976년도에 동위원소로 표지된 EGF를 이용하여 코헨 연구실의 그래함 카펜터(Graham Carpenter)는 세포 표면에 EGF를 특이적으로 결합하는 ‘부위’가 있다는 것을 확인하고 이들이 나중에 엔도사이토시스(Endocytosis)를 통하여 세포내로 흡수되는 것을 확인했다[7]. 후속 연구를 통해서 EGF를 결합하는 단백질은 분자량 170,000에 달하는 생체막에 위치하는 단백질로써, EGF를 처리하면 인산화되는 성질을 가지고 있었다[8]. 또한 바이러스 유래의 암 유발 단백질들의 상당수가 타이로신 인산화효소(Tyrosine kinase)라는 발견과 함께, 세포의 성장인자들의 수용체가 타이로신 인산화효소의 활성을 가지고 있다는 것이 밝혀진 것이 바로 1970년대 말이다.

▲그림 2 상피세포성장인자 (Epidermal Growth Factor : EGF)를 처음으로 발견하여 1986년 노벨생리의학상을 탄 스탠리 코헨 (Stanley Cohen)과 EGF 및 EGFR의 엔도사이토시스 과정 [6] 재조합 DNA 기술을 보이어와 함께 개발한 스탠리 S. 코헨 (Stanley S. Cohen)과는 다른 인물이다.

한편 제넨테크의 이야기로 되돌아가보자. 제넨테크에서는 악셀 율리히(Axel Ullrich)라는 독일 출신의 분자생물학자가 제넨테크의 타겟 디스커버리 프로그램을 이끌고 있었다[9,10]. 그는 제넨테크에서 인간의 인슐린 유전자를 처음으로 클로닝하였으며, 이것과 연계되어, 각종 성장인자(Growth Factor)들과 이들의 리셉터 (Recepter)들에 대한 관심을 가지게 되었다. 결국 암이 제어되지 않은 세포의 지속적인 성장이라는 것을 고려할 때 EGF, 인슐린, PDGF 와 같은 성장인자에 결합하는 리셉터에 대한 이해는 새로운 암 치료제의 타겟을 제시할지도 모른다는 것이 당시의 막연하다면 막연한 기대였다.

1970년대 말 재조합 DNA 기술의 발전에 의해서 인슐린, EGF, NGF(Nerve Growth Factor), 인슐린유사성장인자(IGF-2), TGF-alpha(Transforming Growth Factor-alpha) 등의 다양한 성장인자의 유전자가 클로닝되었다. 그러나 약 200개의 아미노산으로 이루어진 상대적으로 크기가 작은 성장인자에 비해서 훨씬 크기가 큰 1000개 이상의 아미노산으로 이루어진 큰 단백질인 성장인자 리셉터를 암호화하는 유전자들을 클로닝하기 위해서는 유전자 조작기술의 발전이 수반되어야만 했으며, 이는 1980년대 초에서야 이루어지게 되었다. 영국의 임페리얼 캔서 리서치(Imperial Cancer Research), 이스라엘의 와이즈만연구소(The Weizmann Institute)와 제넨테크의 공동 연구팀은 1984년 EGF 수용체(EGFR)가 다른 세포보다 50배 이상 더 많이 발현되는 암세포주인 A431에서 EGFR을 정제하고 이의 펩타이드 서열 분석을 시도하였다. 놀랍게도 EGFR 의 펩타이드 서열은 기존에 알려진 바이러스 유래의 암유발 유전자인 v-erb-B와 거의 일치하는 서열을 보였으며, 역시 바이러스 유래의 암 유전자인 v-Src(‘암의 원인을 찾는 여정 (3)’에서 소개한)의 타이로신 인산화효소 서열과 매우 흡사한 서열이었다[11]. 즉 EGFR 유전자가 실제로 바이러스에 의해서 ‘납치’되면 암 유전자로 작용한다는 것은 EGFR 이 암과 직접적인 관련이 있다는 것을 보여주는 매우 강력한 증거인 셈이었다.

뒤이어 1984년 제넨테크의 악셀 율리히를 제1저자로 한 인간 EGFR의 전체 서열이 보고되었다[12]. EGFR은 1,210개의 아미노산으로 구성된 단백질로써, C말단 영역에는 v-erb-B와 거의 일치하는 서열, 즉 타이로신 인산화효소로 예측되는 영역이 존재하고 있으며, 중간에 생체막 통과 도메인(Transmembrane domain), 그리고 N 말단에는 EGF와 결합하는 것으로 예측되는 도메인이 존재한다는 것을 알게 되었다. 또한 암세포주 A431에는 변형된 EGF 유전자가 존재하고 있다는 것 역시 확인하였다.

▲그림 3 EGFR 유전자를 처음 클로닝한 악셀 율리히 (Axel Ullrich). 지금으로는 상상할 수 없는 일이지만 1980년대 중반 진핵생물 유래의 하나의 유전자의 염기서열을 밝히는 것은 네이처 등의 아티클로 개제되는 큰 뉴스였으며, 전체 염기 서열이 그림과 같이 지면을 꽉 채워 실리곤 했었다.

바이러스 유래의 암 유전자인 v-erb-B가 실제로는 EGFR에서 유래된 유전자이며, EGFR이 분자량 170,000에 달하는 큰 단백질이라는 사실은 이전에 와인버그 랩에서 발견되었지만 손놓고 있었던 암유전자인 neu에 대한 관심을 불러일으켰다. 1984년 와인버그의 연구실에서는 그들이 발견한 neu가 v-erb-B와 유사하며, 또한 그들이 이전에 만들었던 neu에 대한 항체가 EGFR을 인식한다는 것을 발견하였다[13]. 그러나 EGFR과 neu는 비슷한 성질을 가지긴 했지만 완전히 동일한 단백질은 아니었다. 즉, EGFR이 분자량 170,000정도의 단백질이었다면 neu는 185,000의 분자량을 가진 좀 더 큰 단백질이었다.

이듬해 제넨테크의 악셀 율리히 팀은 v-erb-B를 프로브(Probe)로 이용하여 원래의 EGFR과 상동성을 지니지만, 이와는 별도의 유전자를 찾아내었다[14]. 이들은 이를 Human EGFR2의 약자로 HER2로 이름지었다. 이렇게 발견된 HER2 유전자는 HER1(처음 발견된 EGFR)보다 약간 긴 1255개의 아미노산을 가지고 있었으며 전반적인 구조는 HER1과 유사하게, N말단 영역에 세포외부에 위치하는 도메인, 하나의 생체막 통과 도메인, 그리고 C말단에 타이로신 인산화효소를 가지고 있었다. 그리고 이의 정체는 와인버그가 발견한 neu와 동일한 것임이 확인되었다.

즉 1980년대 중반까지 이들은 인간에 복수의 EGFR 유사 유전자가 존재하며, 이들이 암 세포주에 과발현되고, 동물에서 암을 유발하는 바이러스 중에서는 EGFR의 일부를 ‘하이재킹’ 해 간 것이 있다는 정도였다. 그러나 이들의 발견은 암세포주나 동물수준에서 확인된 것으로써, 실제로 이들의 발견이 암 환자에서 어떤 의미를 가지고 있는지에 대해서는 확인되지 않은 실정이었다. 와인버그와 같은 기초과학자들에게는 사실 이들의 발견이 암의 발생 메커니즘이 어떻게 되는지 그 자체로써 의미가 있다. 그러나 제넨테크는 근본적으로 의약품의 개발을 목적으로 하는 회사로서, 단순히 암의 발생 메커니즘을 이해하는 것 이상의 지식이 필요했다. 과연 이들의 발견은 임상적으로 의미있는 치료법을 개발하는데 보탬이 될 것인가? 이를 확인하기 위해서는 외부와의 협력이 필요했다.

HER-2

1986년 악셀 율리히는 UCLA에서 열린 세미나에서 그의 연구 결과를 소개하였다. 이 청중 중에는 UCLA의 종양전문의 데니스 슬라몬(Dennis Slamon)이 있었다. 그는 율리히와 협력연구를 제안했다. 즉 제넨테크는 ‘인간에게 암을 발생시킬지도 모르는’ 타겟 유전자를 가지고 있었다. 반면 데니스 슬라몬과 UCLA는 많은 암 환자 시료를 가지고 있었다. 혹시 이러한 암 환자 시료 중에서 HER1 혹은 HER2가 비정상적으로 많이 존재하거나 활성화된 것이 있지 않을까? 만약 그렇다면 HER1 혹은 HER2의 활성을 억제함으로써 암을 공격할 수 있겠다는 실마리를 얻을 수 있을 것이다. 악셀 율리히는 슬라몬에게 그들의 유전자를 보내주어서, 과연 해당 유전자가 실제 임상 현장에서의 암 환자와 어떤 관련이 있는지를 확인코자 하였다.

슬라몬이 얻은 결과는 매우 특이했다. 즉, 일부의 유방암 환자에서 HER-2 유전자가 복수의 카피로 증폭되어 있음이 확인되었다. 그러나 특이하게도 다른 유방암 환자에서는 이러한 현상이 나타나지 않았다. 이들 환자의 임상 기록을 살펴보니 더욱 특이한 현상이 관찰되었다. 즉 HER2 유전자가 5카피 이상으로 증폭된 유방암 환자는 매우 예후가 좋지 않고 더 많은 전이가 발생한다는 것이다[15].

▲그림 4 HER2와 유방암과의 관계. 데니스 슬라몬 (Denis Slamon) 은 HER2 유전자가 일부 유방암 조직에서는 과다하게 증폭되어 여러 카피가 존재함을 확인하였다. 3,4 번 칸은 단일 카피의 HER 유전자가 있는 반면, 1,2번은 2-5카피, 6번과 같이 강한 시그널이 있는 곳에서는 5-20카피 이상이 존재함을 의미한다. 또한 5카피 이상의 HER2가 존재하는 암종을 가진 환자의 경우 그렇지 않은 환자에 비해 매우 나쁜 예후를 보인다 [15]

HER2와 암 발생과의 관계를 입증하기 위해서 더 많은 후속 연구가 실시되었다. 일단 HER2 유전자를 세포주에서 인위적으로 과발현시키고 이를 누드 마우스에 주사하면, HER2 유전자 과발현이 쥐에서 암을 유도함을 확인하였다. 그렇다면 과발현된 HER2 단백질의 활성을 억제하면 암을 억제할 수 있을까?

일단 HER2 단백질의 활성을 어떻게 억제할 수 있을까? 악셀 율리히는 단일항원항체에 주목했다. 사실 ‘항체신약을 찾아서’의 첫번째 에피소드에 소개된 것처럼 단일항원항체는 이미 1970년대에 확립된 기술이고, 이를 의약품으로 응용할 수 있을까 하는 가능성은 일찍부터 제시되었다. 그러나 문제는 ‘무엇에 특이적으로 결합하는 항체’가 과연 약으로 사용될 수 있을지에 대해서 이해가 부족한 상태였다. 단일항원항체는 단백질로써 저분자 화합물과는 달리 일반적으로 세포막을 뚫고 세포 내부로 들어갈 수 없는 상황이다. 그러나 HER2와 같은 단백질은 생체막에 위치하고 있고, 세포 외부로 EGF등과 같은 성장인자와 결합하는 부분이 밖으로 노출되어 있다. 만약 HER2의 생체막 외부에 존재하는 EGF 결합부위를 이를 특이적으로 인식하는 항체가 결합하여 EGF의 HER2와의 결합을 억제한다면 결국 HER2의 활성을 억제할수 있을지도 모른다. 물론 이러한 아이디어는 일단 전임상 단계에서 검증되어야만 하는 것은 당연하다.

이들은 일단 HER2 를 특이적으로 인식하는 단일 항원 항체를 제조하고, 이를 HER2를 과발현하는 세포에 처리하면 이의 성장을 억제한다는 것을 확인하였다[16]. 다음으로 이들은 얻어진 항체 중에서 4D5 라는 항체를 쥐에 주입하면 쥐에 이식한 인간 종양의 성장을 억제한다는 것을 확인하였다 [17]. 즉 이들은 배양 세포주와 동물모델 수준에서 HER2에 결합하는 항체가 종양의 성장을 억제한다는 것을 보여준 셈이다.

항암 프로젝트에 대한 회의와 난관

이로써 이들은 그동안의 연구가 실제 질병을 치료할 수 있는 약으로 탈바꿈하기 위한 3가지 요소, 즉 암을 유발하는 특정한 단백질, 그리고 이 단백질이 과발현된 특정한 질환, 그리고 이를 억제할 수 있는 요소인 항체를 모두 갖춘 셈이었다. 그러나 제넨테크의 상황은 이들의 연구를 인간 대상의 치료제로 개발해 나가기에는 좋은 상황은 아니었다. 일단 1980년대에 추진된 제넨테크의 수많은 암 관련 프로젝트는 하나도 가시적인 성과를 내지 못하였으며, 따라서 회사의 의사결정권자들 역시 율리히와 슬라몬의 HER2에 대해서도 회의적인 반응이었다. 제넨테크에서 진행된 대개의 암 관련 프로젝트들은 모두 성공하지 못하였으며, 특히 단일항원 항체라는 여태까지 약으로 사용되어본 적이 없는 수단으로 암을 치료할수 있는 약을 만들겠다는 이들의 계획은 좀처럼 지지를 얻기 힘들었다. 결국 실망한 율리히는 제넨테크를 퇴사하고 독일의 막스플랑크 연구소로 이적했다.

율리히가 이적한 이후에도 슬라몬은 제넨테크 내에서의 HER2 프로젝트의 불씨를 살려보기 위해 부단한 노력을 했다. 그러나 이들의 노력이 결실을 맺기 위해서는 몇가지 기술적인 장벽과 이것보다 더 높은 사람의 ‘불신의 장벽’을 넘어야 했다.

다음 연재에서는 이들의 프로젝트가 결실을 거두어 어떻게 ‘허셉틴’ 이라는 형태의 항체신약으로 탄생하는지에 대한 과정을 다루고자 한다.

참고문헌

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2. Parada, Luis F., et al. "Human EJ bladder carcinoma oncogene is homologue of Harvey sarcoma virus ras gene." Nature 297.5866 (1982): 474.

3. Shih, C., Padhy, L. C., Murray, M., & Weinberg, R. A. (1981). Transforming genes of carcinomas and neuroblastomas introduced into mouse fibroblasts. Nature, 290(5803), 261.

4. Padhy, L. C., Shih, C., Cowing, D., Finkelstein, R., & Weinberg, R. A. (1982). Identification of a phosphoprotein specifically induced by the transforming DNA of rat neuroblastomas. Cell, 28(4), 865-871.

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8. Carpenter, G., LLOYD Jr, K. I. N. G., & Cohen, S. (1978). Epidermal growth factor stimulates phosphorylation in membrane preparations in vitro. Nature, 276(5686), 409.

9. Mukherjee, S. (2010). The emperor of all maladies: a biography of cancer. New York, NY. P412-419

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12. 12, Ullrich, A., Coussens, L., Hayflick, J. S., Dull, T. J., Gray, A., Tam, A. W., ... & Downward, J. (1984). Human epidermal growth factor receptor cDNA sequence and aberrant expression of the amplified gene in A431 epidermoid carcinoma cells. Nature, 309(5967), 418

13. Schechter, A. L., Stern, D. F., Vaidyanathan, L., Decker, S. J., Drebin, J. A., Greene, M. I., & Weinberg, R. A. (1984). The neu oncogene: an erb-B-related gene encoding a 185,000-Mr tumour antigen. Nature, 312(5994), 513.

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17. Shepard, H. M., Lewis, G. D., Sarup, J. C., Fendly, B. M., Maneval, D., Mordenti, J., ... & Slamon, D. (1991). Monoclonal antibody therapy of human cancer: taking the HER2 protooncogene to the clinic. Journal of clinical immunology, 11(3), 117-127.

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