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[남궁석의 신약연구史]CTLA-4 발견, ICI 타깃되기까지

입력 2018-05-03 09:27 수정 2018-05-03 12:39

남궁석 충북대 교수

면역항암요법의 역사③Immune Checkpoint inhibitors 가능케한 연구들..T세포 활성을 조절하는 CTLA-4, 1996년 anti-CTLA-4 항체 종양억제 입증 첫번째 사이언스 논문 게재

이번 연재에서는 지금 항암요법의 가장 핫 이슈로 떠오르고 있는 면역 체크포인트 억제제(Immune Checkpoint inhibitors, ICI)를 가능케 한 연구결과, 즉 면역체크포인트 억제제의 주요 타깃인 CTLA-4와 PD-1/PD-L1의 발견 과정을 알아보도록 하자. 지금까지 알아본 다른 신약들과 마찬가지로 궁극적으로 블록버스터 신약을 낳게하는 배경이 된 연구들도 연구의 초기에는 미래의 잠재력을 전혀 짐작할 수 없었던 기초연구에 바탕을 두고 있다. 즉 면역체크포인트 억제제의 타깃들과 아이디어는 1980년대에 들어서 분자생물학적 테크닉에 의하여 T세포의 조절기전에 관여하는 유전자들이 하나둘씩 발견되면서 서서히 구체화된 것이다.

T세포가 활성화되기까지 필요한 것들 : MHC Recepter, CD28

1970년대에 이르러 B세포 이외에도 T세포가 항원에 특이적인 성질을 가지고 있다는 것이 알려지게 되었다. 특정한 병원체에 감염된 항원 전시 세포(APC:Antigen Presenting Cell)가 세포 표면에 있는 주 조직적합성 복합체(MHC : Major histocompatibility complex)에 항원의 일부를 전시하면 T 세포는 이를 인지하여 해당 세포에 독성을 나타내거나, 다른 면역세포를 활성화시키게 된다. 그렇다면 T 세포는 어떻게 특이적인 항원을 인식할까?

이러한 의문은 1980년대 초반에 T세포 리셉터(TCR : T Cell Recepter)라고 알려진 단백질 복합체가 MHC와 항원을 인식한다는 발견으로 이어졌고, TCR의 알파/체인은 항체에서 발견되는 것과 유사한 이뮤노글로블린 슈퍼패밀리의 단백질로써 각각의 T 세포마다 다른 항원/MHC를 인식할 수 있도록 다양한 변화를 가질 수 있다는 것이 알려졌다. 이후에 CD4라는 보조 리셉터를 세포 표면에 발현하는 T세포는 헬퍼 T세포로, CD8 을 가지는 T세포는 세포독성 T세포로 활성화된다는, 현재 면역학 교과서에 실려있는 기본적인 상식들이 1980년대 초반에 쏟아져 나왔다[1]. 그렇다면 T세포를 활성화하는 데는 APC에 존재하는 MHC+항원을 T세포의 TCR-CD4/CD8이 인식하는 것만으로 T세포는 활성화될까? 아니면 다른 시그널이 필요할까?와 같은 의문이 TCR의 발견 이후 본격적으로 제시되기 시작하였다.

즉 1980년대 초반에 T세포의 활성화 연구를 위해 사용되던 T세포 유래의 셀라인에서는 TCR과 이와 직접적으로 연결된 시그널만으로 활성화가 가능했지만, 실제 동물 유래의 T세포에서는 실제로 T세포가 활성화되려면 TCR에 의한 MHC-항원의 인식 이외에도 추가적인 신호가 필요하다는 것을 알게 되었다. 이러한 기전의 존재는 자가면역반응을 억제하는 자가면역관용(immune tolerance)과도 관련이 있다. 즉, T세포가 자기 자신을 함부로 공격하기 않기 위해서는 자신의 항원을 인식하는 T세포가 제거되어야 하며 이것은 주로 흉선에서 일어난다. 그러나 흉선에서 말초 조직으로 이동한 T세포 중에서는 자신의 항원을 인지하는 것들이 남아있으며, 이들의 기능이 제어되지 않는 경우 이들은 다른 세포에 손상을 주게될 것이다. 그러나 T 세포가 단순히 항원과 MHC에 의한 자극만을 받을 경우, T세포는 항체 존재하에도 반응을 보이지 않는 ‘아네르기’(anergy) 현상이 보고되었다. 그렇다면 어떤 조건에서 T세포는 활성화될 것인가? 이미 1970년대에 T세포의 활성화에는 항원 의존적 시그널과 항원 자체에 의존적이지 않은 두가지 신호가 있다는 가설이 제시되었다[2]. 항원에 의해 전달되는 항원 특이적인 신호와 항원에 특이적이지 않은 신호가 동시에 작용해야 한다는 “이중 신호 가설”(Two-signal hypothesis) 중에서 항원에 의한 신호는 MHC와 항원 펩타이드를 TCR이 인식하는 것으로 전달된다는 것이 규명되었다. 그러나 남은 하나의 신호는 어떻게 전달될까?

1980년대 초반에 T세포를 항원으로 만든 여러가지의 단일 항원 항체가 분리되었다. 이들은 T세포 표면에 존재하는 단백질을 인식하게 되고, 이러한 항체 중 일부는 T세포 표면에 있는 단백질과 결합하면 이들이 자연적인 활성인자(agonist)와 결합한 것과 비슷한 효과를 내는 것도 있었다[3]. 예를 들어 TCR의 보조 수용체인 CD3에 결합하는 항체는 체외에서 IL-2와 함께 T세포와 처리하면 T세포를 활성화시키기도 하였다. 이러한 성질을 이용하여 T세포 표면에서 활성인자로 작용하는 여러 가지의 단백질들이 발견되었는데, 이중의 하나가 CD28 이라는 이뮤노글로블린과 유사한 폴드를 가지고 있는 단백질이었다[4]

1990년대 초반에 마크 젠킨스(Marc Jenkins)와 제임스 P 앨리슨(James P Allison)은 각각 인간과 쥐 모델에서 CD28이 TCR과 더불어 공동자극인자로 작용해야만 T세포를 활성화시킬 수 있다는 것을 확인했다[5,6]. 그리고 B7-1(CD80)과 B7-2(CD82)라는 두가지 단백질이 APC 표면에 존재하여 이것이 T세포의 CD28과 결합하여 공동 자극인자로 작용한다는 것이 확인되었다[7]. 그러나 이것은 복잡한 T세포의 조절기작의 빙산의 일각에 불과하였다.

▲그림 1 : T세포가 활성화되기 위해서는 항원전시세포 (APC:Antigen presenting cell)이 MHC를 통해 전시하는 항원을 T세포 리셉터 (TCR:T-Cell Receptor)가 인지하는 것만으로는 부족하다. 항원전시세포에서 공동자극인자로 작용할 B7 단백질과 CD28 단백질의 상호작용이 없이는 T세포는 항원이 있어도 활성화되지 못하는 아네르기 (Anergy) 상태에 빠지게 되나 (좌) APC에 B7 단백질이 존재하면 이는 T세포의 CD28과 결합하여 공동자극신호 (Co-stimulation signal) 로 자극하여 T세포를 활성화시킨다 (중) CD28의 활성화는 CTLA-4 의 단백질 발현을 촉진하고, CTLA-4는 B7에 대한 친화력이 더 높기 때문에 CD28과 경쟁하게 되고, T세포의 활성화에 브레이크를 걸게 된다.

CTLA-4

1987년 프랑스 마르세이유의 연구자들은 세포독성 T세포에서 특이적으로 발현되지만 B세포 등에서는 발현되지 않는 유전자를 찾는 과정에서 CTLA-4(Cytotoxic T Lymphocyte Associate-4)라는 유전자를 발견하였다[8]. 이 유전자는 CD28과 마찬가지로 T세포 표면에 존재하는 막단백질로서 이뮤노글로블린 슈퍼패밀리에 속하는 폴드를 가지고 있었다. 이 유전자의 발견 당시에는 이 유전자의 기능을 짐작하기는 힘들었지만, CD28에 의한 면역공동자극 기전이 연구되면서, 이 단백질이 CD28과 유사한 구조를 가졌다는 점에 착안되어 이 단백질의 기능이 연구되기 시작하였다. 이후 CTLA-4 는 CD28과 결합하여 T세포를 활성화시키는 단백질인 B7과도 결합하며, CD28에 비해서 좀 더 높은 활성을 지닌다는 것이 밝혀졌다. 따라서 처음에는 이 단백질은 CD28 와 유사하게 T세포의 공동 자극인자로 작동한다고 생각했다[9]. 그러나 후속 연구를 통해 CTLA-4는 CD28과는 상반되게 작동한다는 것이 드러났다. 즉 CTLA-4 의 발현은 CD28 에 의한 T세포의 활성화 이후에 나타나며, CTLA-4는 CD28과 경쟁적으로 작용하여 T세포 활성화 신호를 억제하게 된다는 결과를 얻어서 CTLA-4 는 T세포 활성인자라기보다는 T세포의 억제에 관여한다는 것을 알게 되었다[10,11].

이후 1995년 발표된 CTLA-4가 없는 녹아웃 마우스는 T 세포의 과다한 성장으로 인해 생후 3-4주에 사망한다는 결과를 통해 CTLA-4가 T 세포의 억제에 관여한다는 사실이 확실하게 입증되게 되었다[12].

이렇게 1990년대 중반까지 CD28과 CTLA-4의 연구를 통하여 T세포의 활성화와 억제 기전들이 밝혀지게 되고, 이러한 연구는 면역세포에 의한 항암기전과 관련해서도 확장되게 된다.

CTLA-4 저해에 의한 암 억제

사이토카인의 항암 효과와 종양 면역감시이론을 입증하기 위한 그간의 결과에서 보여준 것처럼 실제 면역시스템이 암을 억제하는데 관련이 있다는 간접적인 증거는 많이 도출되었다. 실제로 흑색종에서 발현되는 단백질이 환자에서 유래된 세포독성 T세포가 항원으로 인지할 수 있다는 결과가 1991년 보고되었다[13]. 만약 암세포에서 많이 발현되어 T세포에게 인식되는 항원을 이용하면 특정한 암에 대한 면역반응을 유도할 수 있지 않을까 하는 기대하에 이러한 항원 등을 이용한 암 백신(Cancer Vaccine)의 시도가 이어졌다. 그러나 대부분의 이러한 시도는 별다른 효과를 얻지 못한 채로 끝났다[14]. 왜 암세포에서 많이 발현되는 항원을 이용하여 면역 반응을 유도하려는 시도가 실패하였나? 그 이유는 1990년대 중반 밝혀진 T세포의 활성화 기전을 생각해보면 쉽게 이해가능하다. 비록 암 세포에서 발현되는 항원이 MHC를 통해 전시되더라도 암세포는 B7과 같은 CD28 과 상호작용하여 공동자극을 일으키는 단백질을 발현하지 않기 때문에 B7-CD28 에 의한 공동 자극은 일어나지 않고 T 세포의 활성화는 일어나지 않게 된다.

▲그림 2 마크로파지 (Macrophage)나 수지상세포 (Dendritic Cells)과 같은 APC와는 달리 대개의 암세포에서는 공동자극을 일으키는 CD28과 결합하는 리간드인 B7 을 발현하지 않기때문에 T세포의 활성화는 일어나지 않는다.

그렇다면 원래는 B7을 가지지 않은 암세포에 인위적으로 B7을 발현하게 만든다면 해당 암세포에 대한 면역반응이 일어날까? 1992-1993년 브리스톨-마이어-스큅스(BMS)와 UC 버클리의 연구팀은B7가 발현되는 암세포를 쥐에 이식하면 B7을 발현하지 않는 대조군 세포와는 달리 이 암조직은 빠르게 제거되는 것을 확인하였다[15-16]. 즉 B7과 CD28과의 상호작용이 암 세포에서 일어난다면, 암 세포에 대한 면역반응이 일어날 수 있으며, 별다른 면역반응을 일으키지 않는 이유는 B7/CD28 및 B7/CTLA-4 간의 면역 조절기전이 작용하지 않아서라는 것을 입증한 셈이다.

여기서 그동안 CD28에 의한 공동자극기전, 그리고 CTLA-4 에 의한 T세포 활성화 억제기전 C연구에서 선도적인 역할을 한 제임스 앨리슨(James P Allison)은 다음과 같은 가설을 세웠다. 만약 CTLA-4에 의한 T세포 활성화 억제가 일어나지 않는다면 T세포는 좀 더 활성화된 상태로 존재할 것이고, 이는 암 억제에 효과가 있지 않을까? 이들은 B7을 발현하는 암세포를 쥐에 이식하며 Anti-CTLA-4 항체를 같이 주입하였다. 이전에 관찰된 것처럼 B7을 발현하는 암세포는 쥐에서 자연적으로 작아지게 되는데 Anti-CTLA-4 항체를 주입하면 좀 더 빠르게 암세포가 줄어들었다. 이번에는 B7을 발현하지 않은 암세포의 이식후에 결과를 살펴보았다. 그 결과 놀랍게도 Anti-CTLA-4 항체가 같이 주입된 항체에서는 완전히 암조직이 사라지는 것이 관찰되었다. 1996년 사이언스에 게재된 논문의 제1저자인 다나 리치(Dana Leach)가 수행한 처음 실험 결과를 앨리슨에게 보여주었을 때 그는 그 결과를 바로 믿지 못하고, 리치와 함께 재실험을 하였지만 그 결과는 그대로 재현되었다[17]. 후속 연구를 통하여 이들은 anti-CTLA-4 항체와 암세포를 다른 기전으로 죽이면 죽은 암세포에서 유래된 항체가 APC에 전시됨으로써, 좀 더 다양한 암에 대한 억제효과를 얻을 수 있을 것이라고 예측하였고 이를 입증하는 일련의 실험결과들이 1990년대 말에 도출되었다[18-19].

▲그림 3 : 마우스에서 CTLA-4 항체에 의한 항암효과의 입증. 제임스 앨리슨 ( James P. Allison) 연구팀은 1996년 사이언스에 면역체크포인트 억제제의 개념을 실증하는 기념비적인 논문을 싣는다 [17]. 이들은 이전의 연구에서 암세포에 CD28 의 리간드인 B7을 발현한 암세포를 주입하면 쥐에서 암이 거부반응을 보인다는 결과를 얻었고, 이것이 CTLA-4 항체를 주입하면 가속화된다는 결과를 얻었다 (좌 하단). 이들은 B7를 발현하지 않은 암세포와 CTLA-4 항체를 주입한 결과, 놀랍게도 CTLA-4 항체를 주입한 쥐에서는 암세포가 완전히 사라졌다.

그러나 여기서 얻은 결과는 어디까지나 실험동물인 마우스에서의 결과였고, 과연 이 결과가 사람의 암에 적용될 수 있을지는 미지수였다. 이러한 연구가 진행되던 도중, 태평양 건너의 한 연구실에서는 면역항암요법의 역사에 중요한 역할을 하는 또다른 단백질이 발견된다. 다음 연재에서는 또 다른 면역체크포인트인 PD-1/PD-L1 의 발견의 역사와 본격적인 면역체크포인트 억제제의 개발의 시작과정을 알아보도록 하자.

참고문헌

1. Littman, D. R. (2015). Releasing the brakes on cancer immunotherapy. Cell, 162(6), 1186-1190.

2. Bretscher, P., & Cohn, M. (1970). A Theory of Self-Nonself Discrimination: Paralysis and induction involve the recognition of one and two determinants on an antigen, respectively. Science, 169(3950), 1042-1049.

3. Jung, G., Ledbetter, J. A., & Müller-Eberhard, H. J. (1987). Induction of cytotoxicity in resting human T lymphocytes bound to tumor cells by antibody heteroconjugates. Proceedings of the National Academy of Sciences, 84(13), 4611-4615.

4. Aruffo, A., & Seed, B. (1987). Molecular cloning of a CD28 cDNA by a high-efficiency COS cell expression system. Proceedings of the National Academy of Sciences, 84(23), 8573-8577.

5. Jenkins, M. K., Taylor, P. S., Norton, S. D., & Urdahl, K. B. (1991). CD28 delivers a costimulatory signal involved in antigen-specific IL-2 production by human T cells. The Journal of Immunology, 147(8), 2461-2466.

6. Harding, F. A., McArthur, J. G., Gross, J. A., Raulet, D. H., & Allison, J. P. (1992). CD28-mediated signalling co-stimulates murine T cells and prevents induction of anergy in T-cell clones. Nature, 356(6370), 607.

7. Linsley, P. S., Brady, W., Grosmaire, L., Aruffo, A., Damle, N. K., & Ledbetter, J. A. (1991). Binding of the B cell activation antigen B7 to CD28 costimulates T cell proliferation and interleukin 2 mRNA accumulation. Journal of Experimental Medicine, 173(3), 721-730.

8. Brunet, J. F., Denizot, F., Luciani, M. F., Roux-Dosseto, M., Suzan, M., Mattei, M. G., & Golstein, P. (1987). A new member of the immunoglobulin superfamily—CTLA-4. Nature, 328(6127), 267.

9. Linsley, P. S., Greene, J. L., Tan, P., Bradshaw, J., Ledbetter, J. A., Anasetti, C., & Damle, N. K. (1992). Coexpression and functional cooperation of CTLA-4 and CD28 on activated T lymphocytes. Journal of Experimental Medicine, 176(6), 1595-1604.

10. Walunas, T. L., Lenschow, D. J., Bakker, C. Y., Linsley, P. S., Freeman, G. J., Green, J. M., ... & Bluestone, J. A. (1994). CTLA-4 can function as a negative regulator of T cell activation. Immunity, 1(5), 405-413.

11. Krummel, M. F., & Allison, J. P. (1995). CD28 and CTLA-4 have opposing effects on the response of T cells to stimulation. Journal of Experimental Medicine, 182(2), 459-465.

12. Waterhouse, P., Penninger, J. M., Timms, E., Wakeham, A., Shahinian, A., Lee, K. P., ... & Mak, T. W. (1995). Lymphoproliferative disorders with early lethality in mice deficient in Ctla-4. Science, 270(5238), 985-988.

13. van der Bruggen, P., Traversari, C., Chomez, P., Lurquin, C., De Plaen, E., Van den Eynde, B., ... & Boon, T. (1991). A gene encoding an antigen recognized by cytolytic T lymphocytes on a human melanoma. Science, 254(5038), 1643-1647

14. Rosenberg, S. A., Yang, J. C., & Restifo, N. P. (2004). Cancer immunotherapy: moving beyond current vaccines. Nature medicine, 10(9), 909.

15. Chen, L., Ashe, S., Brady, W. A., Hellström, I., Hellström, K. E., Ledbetter, J. A., ... & Linsley, P. S. (1992). Costimulation of antitumor immunity by the B7 counterreceptor for the T lymphocyte molecules CD28 and CTLA-4. Cell, 71(7), 1093-1102.

16. Townsend, S. E., & Allison, J. P. (1993). Tumor rejection after direct costimulation of CD8+ T cells by B7-transfected melanoma cells. Science, 259(5093), 368-370.

17. Leach, D. R., Krummel, M. F., & Allison, J. P. (1996). Enhancement of antitumor immunity by CTLA-4 blockade. Science, 271(5256), 1734-1736.

18. Hurwitz, A. A., Yu, T. F. Y., Leach, D. R., & Allison, J. P. (1998). CTLA-4 blockade synergizes with tumor-derived granulocyte–macrophage colony-stimulating factor for treatment of an experimental mammary carcinoma. Proceedings of the National Academy of Sciences, 95(17), 10067-10071.

19. Van Elsas, A., Hurwitz, A. A., & Allison, J. P. (1999). Combination immunotherapy of B16 melanoma using anti–cytotoxic T lymphocyte–associated antigen 4 (CTLA-4) and granulocyte/macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF)-producing vaccines induces rejection of subcutaneous and metastatic tumors accompanied by autoimmune depigmentation. Journal of Experimental Medicine, 190(3), 355-366.

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