면역체크포인트 단백질의 생산을 억제하면 간암의 진행속도를 줄일 수 있다.

201926: 국립암연구소 제공

연구원들은 쥐의 간암에 대항하는 면역체계를 활성화하는 색다른 방법을 발견했다. 연구진은 면역체계의 종양을 보호하는 면역체크포인트 단백질의 활동을 직접 차단하기보다는 조사용 약을 이용해 단백질 생산을 억제했다.

국립암연구소가 후원한 연구에서는, eFT508(토미보세르팁이라고도 알려진 약품)로 치료하면, 쥐의 간 종양의 성장이 느려지고, 쥐의 생존이 연장되었다.

"토미보세르티브는 현재 몇 가지 다른 종류의 암에 대한 잠재적 치료법으로서 임상시험에서 테스트를 받고 있으며 간암에 걸린 사람들을 위한 임상시험이 고려되고 있다"고 연구의 선임 연구원인 샌프란시스코 소재 캘리포니아 대학의 데이비드 루게로 박사가 말했다.

간암 치료법은 여러 가지가 있지만 특히 암이 다른 장기로 전이될 때 치료가 어려울 수 있다. 그것은 최근 간암 발병률이 급격히 증가함에 따라 새로운 치료 전략을 높은 수요에 두었다.

네이처 메디신114일자에 발표된 이 연구는, 암세포가 비교적 높은 수준에서 있을 때 암세포가 면역체계에 의한 검출과 파괴를 피할 수 있도록 하는 면역 체크포인트 단백질인 PD-L1의 수치를 부풀리는 이전에 알려지지 않은 메커니즘을 밝히고 있다.

이 새로운 메커니즘을 표적으로 삼는 것은 정상적인 세포에 영향을 주지 않기 때문에 "매우 매력적인 접근법"이라고 이번 연구에 참여하지 않은 미네소타 대학의 비탈리 폴루노프스키 박사가 말했다.

암의 단백질 변위의 조절

20년 전, 루게로 박사는 화산 온천에서 자라는 미생물에 단백질이 어떻게 생성되는지를 연구하면서 과학 경력을 시작했다. 이 연구는 결국 그가 암세포에서 단백질 생성과 같은 과정을 연구하게 만들었다.

단백질은 고도로 조정된 두 가지 단계를 통해 생산된다. 첫째, 유전자인 DNA의 한 부분은 전사轉寫라고 알려진 과정을 통해 메신저 RNA(mRNA)라고 불리는 보완 분자로 복사된다. 변위라고 불리는 두 번째 단계에서, 메신저 RNA(mRNA)는 단백질을 만들기 위한 형판(본틀)으로 사용된다.

2000년대 초반부터 연구자들은 암을 유발하는 유전자(온코진이라 불림)가 변형 과정에 영향을 미쳐 종양이 성장하고 생존하는 데 도움이 되는 단백질의 생산을 강화한다는 사실을 이해하기 시작했다. 후속 연구는 서로 다른 종양들이 변위 과정의 다양한 측면에 영향을 미친다는 것을 보여주었다.

예를 들어, 루게로 박사와 그의 동료들은 일부 종양들이 eIF4E라고 불리는 단백질의 활동을 증가시킨다는 것을 발견했는데, 이것은 변위 과정을 시작하기 위해 필요하다.

다른 연구들은 온코진(암 유발 유전자)eIF4E 활동을 두 가지 방법으로 증진시킬 수 있다는 것을 보여주었다. , 더 많은 eIF4E를 생성하고 화학적으로 수정하는 것이다. 예를 들어, MYC 온코진은 eIF4E 단백질의 높은 수준으로 유도하는 반면, KRAS 온코진은 eIF4E의 수정을 촉진한다.

eIF4E의 활동이 강화되면 세포 성장과 세포 생존 및 신진대사를 조절하는 단백질을 암호화하는 엄선된 mRNA 세트의 변위를 자극한다. 그 결과, eIF4E 과잉활동은 암의 시작과 성장과 직결된다.

간암의 생쥐 모델에서 변위의 차이

암에서 변위(단백질의 합성)가 어떻게 변하는지 더 잘 이해하기 위해 연구원들은 간암의 두 가지 생쥐 모델을 만들었다.

한 모델은 인간의 간암에서 흔히 발견되는 MYCKRAS 종양에 대한 간 특유의 표현을 가지고 있었다. 다른 모델은 간에서 KRAS 온코진(암 유발 유전자)만을 표현했다.

비록 두 세트 모두 간 종양이 발생했지만, MYC-KRAS 종양은 더 일찍 발병하여 더 빨리 자라났다. MYC-KRAS 종양은 다른 장기로 전이된 반면 KRAS만을 나타내는 종양은 그렇지 않았다.

면역체계는 종양을 탐지하고 제거하는 능력이 있지만, 암세포는 종종 공격을 숨기거나 막을 방법을 찾는다. 연구원들은 MYC-KRAS 종양에 KRAS 종양보다 암을 유발하는 면역세포가 더 많이 포함되어 있다는 것을 발견했다. 하지만 MYC-KRAS 종양도 자라고 더 공격적으로 퍼지기 때문에, 과학자들은 암세포가 면역체계에서 스스로를 방어하고 있을 수 있다고 추측했다.

다음으로, 연구원들은 두 마우스 모델에서 종양에 대한 전사와 번역을 조사했다.

일반적으로, 어느 유전자가 전사 되었는가와 각 유전자로부터 얼마나 많은 mRNA가 만들어졌는지에 관해서도, 쥐들 사이에서 전사는 비슷했다. 하지만 일부 유전자의 변위수준은 달랐다. 예를 들어, KRAS 종양과 비교하여 MYC-KRAS 종양은 세포 분열에 관련된 유전자로부터 더 많은 mRNA를 변위시켰다.

그들이 더 자세히 조사했을 때, 조사관들은 면역 체크포인트 단백질인 PD-L1의 유전자가 MYC-KRAS 종양에서 더 활발하게 변위된 유전자 중 하나라는 것을 발견하고 놀랐다. 그 결과, 이 종양들은 KRAS 종양보다 PD-L1 단백질이 5배 더 많았다.

PD-L1변위의 차단

루게로 박사와 그의 동료들은 더 높은 수준의 PD-L1 변위로 MYC-KRAS 종양들이 면역체계를 회피하고 퍼진다는 것을 발견했다.

예를 들어, 그들이 KRAS-유전자 세포의 변위를 증진시키고 그 세포를 쥐에 이식하는 방식으로 PD-L1 유전자를 유전적으로 변형시켰을 때, 그 결과 종양은 다른 장기로 확산되었다. MYCKRAS 변이 세포가 주입된 쥐도 종양이 생기고 퍼졌다.

그리고 그들이 MYC-KRAS 종양이 있는 쥐들을 화학적인 변형과 eIF4E의 활성화를 막아주는 토미보세르팁으로 치료했을 때, PD-L1의 수치가 떨어졌고 종양 내 암을 죽이는 면역세포의 풍부함과 활동성이 증가했다.

이 치료는 또한 종양의 성장을 늦추고, 종양이 퍼지는 것을 막으며, 쥐의 생존을 증가시켰다. 대조적으로, 토미보세르팁은 KRAS 종양에 걸린 쥐의 생존에 영향을 미치지 않았다.

폴루노프스키 박사는 "이번 연구는 eIF4E, PD-L1과 항암 면역 감시 사이의 새로운 연관성을 보여준다."고 말했다.

변위를 억제하는 것이 안전한가?

변위는 모든 살아있는 세포에 중요한 과정인데, 그것을 막는 것이 과연 안전한가?

연구에 따르면 모든 단백질의 생산을 중단하는 것은 세포에 치명적이며 따라서 독성 부작용을 초래할 수밖에 없다고 한다. 따라서 eIF4E가 완전히 금지되어서는 안 되지만, 활동을 합리적으로 낮추는 접근법은 안전할 것으로 예측된다고 폴루노프스키 박사는 설명했다.

암세포는 특정 단백질의 eIF4E 매개 합성에 중독된 반면, 건강한 세포는 그러한 단백질의 과잉 생산에 의존하지 않는다. 그렇기 때문에 eIF4E 활동을 낮추면 암세포는 죽지만 건강한 세포에는 영향을 주지 않는다고 루게로 박사는 설명했다.

이전의 연구에서 그와 그의 팀은 eIF4E 활동을 50%까지 줄이는 것은 쥐의 정상적인 발육에는 영향을 미치지 않지만 암의 시작을 저해한다는 것을 발견했다. 또 다른 연구는 쥐의 eIF4E를 수정하는 효소를 유전적으로 제거하면 그들의 발병에 영향을 주지 않는다는 것을 보여주었다.

루게로 박사는 "현재의 연구에서 연구자들은 토미보세르팁으로 치료한 쥐에서 어떤 부작용도 관찰하지 않았다"고 지적했다.

미래의 임상시험과 약물의 개발

PD-L1은 일부 공격적인 간암에서 정상보다 높은 수준으로 발견되지만, PD-L1D의 활동을 막는 면역 체크포인트 억제제는 간암에 걸린 일부 사람들에게만 효과적이다.

현재 진행 중인 한 임상시험은 혈액 암이 아닌 사람들의 토미보세르팁과 면역검역억제제의 조합을 평가하는 것이다. 또 전이 유방암을 앓고 있는 여성을 위한 면역 체크포인트 억제제와 조합의 2상 임상시험이 토미보세르팁을 개발한 제약회사에 의해 기획되고 있다.

그리고 루게로 박사는 그가 공동 개발한 다른 변위 억제제들이 곧 임상시험으로 옮겨질 수도 있다고 말했다. "토미보세르팁과 마찬가지로 이 약품들은 종양유발 유전자에 의해 납치되는 변위 인자를 표적으로 삼는다."고 그는 설명했다.

루게로 박사는 앞으로 더 내려가면 특정 mRNA의 변위를 차단하는 방법이 있을 수 있다고 덧붙였다.

그는 "우리는 그런 억제제 개발에 힘쓰고 있고, 이것은 좀 더 도전적이라고 말했다.

Curbing Production of Immune Checkpoint Protein Slows Liver Cancer in Mice

February 6, 2019, by NCI Staff

Researchers have found an unconventional way to unleash the immune system against liver cancer in mice. Rather than directly blocking the activity of an immune checkpoint protein that shields tumors from the immune system, the researchers used an investigational drug to curb production of the protein.

In the NCI-funded study, treatment with eFT508 (a drug also known as tomivosertib) slowed the growth of liver tumors in mice and extended the mice’s survival.

Tomivosertib is currently being tested in clinical trials as a potential treatment for several different cancer types, and a trial for people with liver cancer is being considered, said the study’s lead investigator, Davide Ruggero, Ph.D., of the University of California, San Francisco.

Although there are several treatment options for liver cancer, it can be difficult to treat, especially when the cancer spreads to other organs. That, coupled with recent sharp increases in liver cancer incidence rates, has put new treatment strategies in high demand.

The study, published January 14 in Nature Medicine, reveals a previously unknown mechanism by which cancer cells inflate their levels of PD-L1, an immune checkpoint protein that, when present at relatively high levels, allows cancer cells to avoid detection and destruction by the immune system.

Targeting this novel mechanism is “a very attractive approach” because it does not affect normal cells, said Vitaly Polunovsky, Ph.D., of the University of Minnesota, who was not involved in the study.

Cancer’s Control of Protein Translation

About 20 years ago, Dr. Ruggero began his scientific career by studying how proteins are produced in a microorganism that grows in volcanic hot springs. This work eventually led him to study the same process of protein production in cancer cells.

Proteins are produced through two highly coordinated steps. First, a segment of DNAa geneis copied into a complementary molecule called messenger RNA (mRNA) through a process known as transcription. In the second step, called translation, mRNA is used as a template to build a protein.

In the early 2000s, researchers began to understand that cancer-causing genes (called oncogenes) influence the process of translation, leading to enhanced production of proteins that help tumors grow and survive. Subsequent studies have shown that different oncogenes affect various aspects of the translation process.

For example, Dr. Ruggero and his colleagues discovered that some oncogenes increase the activity of a protein called eIF4E, which is needed to start the process of translation.

Other studies showed that oncogenes can boost eIF4E activity in two ways: by generating more of it and by chemically modifying it. For example, the MYC oncogene leads to higher levels of eIF4E protein, while the KRAS oncogene promotes modification of eIF4E.

When eIF4E’s activity is enhanced, it stimulates translation of a select set of mRNAs, many of which encode proteins that control cell growth, cell survival, and metabolism. As a result, eIF4E hyperactivity is directly linked to cancer initiation and growth.

Translation Differences in Models of Liver Cancer

To better understand how translation is altered in cancer, the researchers created two mouse models of liver cancer.

One model had liver-specific expression of the MYC and KRAS oncogenes, which are often found in human liver cancer. The other model expressed only the KRAS oncogene in the liver.

Although both sets of mice developed liver tumors, in the MYCKRAS mice, the tumors developed earlier and grew faster. In addition, the MYCKRAS tumors spread to other organs, while tumors that expressed only KRAS did not.

The immune system has the capacity to detect and eliminate tumors, but cancer cells often find ways to hide or thwart an attack. The researchers found that MYCKRAS tumors contained more cancer-killing immune cells than KRAS tumors. But because the MYCKRAS tumors also grew and spread more aggressively, the scientists reasoned that the cancer cells might be shielding themselves from the immune system.

Next, the investigators examined transcription and translation in tumors from both mouse models.

In general, transcription was similar between the mice, both in terms of which genes were transcribed and how much mRNA was made from each gene. However, the level of translation of some genes was different. For example, compared with KRAS tumors, MYCKRAS tumors translated more mRNA from genes involved in cell division.

When they drilled down further, the investigators were surprised to find that the gene for the immune checkpoint protein, PD-L1, was among those that were more actively translated in MYCKRAS tumors. As a result, those tumors had five times more PD-L1 protein than KRAS tumors.

Blocking PD-L1 Translation

Dr. Ruggero and his colleagues found that the higher level of PD-L1 translation enabled MYCKRAS tumors to evade the immune system and spread.

For instance, when they genetically modified the PD-L1 gene in a way that enhanced its translation in KRAS-mutant cells and implanted the cells into mice, the resulting tumors spread to other organs. Mice injected with MYC- and KRAS-mutant cells also developed tumors that spread.

And when they treated mice bearing MYCKRAS tumors with tomivosertibwhich blocks translation by preventing the chemical modification, and activation, of eIF4Elevels of PD-L1 dropped and the abundance and activity of cancer-killing immune cells in the tumors increased.

The treatment also slowed tumor growth, prevented the tumors from spreading, and increased survival of the mice. In contrast, tomivosertib did not affect the survival of mice with KRAS tumors.

This study demonstrates a novel link between eIF4E, PD-L1, and anticancer immune surveillance, noted Dr. Polunovsky.

Is It Safe to Inhibit Translation?

Translation is a critical process for all living cells, so is it safe to block it?

Studies have shown that stopping production of all proteins is lethal for cells and therefore inevitably leads to toxic side effects. So, although eIF4E shouldn’t be completely inhibited, explained Dr. Polunovsky, an approach that reasonably lowers its activity is predicted to be safe.

While cancer cells are addicted to eIF4E-mediated synthesis of specific proteins, healthy cells don’t rely on the overproduction of those proteins. That’s why lowering eIF4E activity specifically kills cancer cells but does not affect healthy cells, Dr. Ruggero explained.

In a previous study, he and his team found that reducing eIF4E activity by 50% did not affect normal development in mice but did impair cancer initiation. Another study showed that genetically removing the enzymes that modify eIF4E in mice did not affect their development.

In the current study, the researchers did not observe any side effects in the mice treated with tomivosertib, Dr. Ruggero noted.

Future Clinical Trials and Drug Development

PD-L1 is found at higher than normal levels in some aggressive liver tumors, but immune checkpoint inhibitors that block its activity are only effective for some people with liver cancer.

One ongoing clinical trial is evaluating the combination of tomivosertib and immune checkpoint inhibitors in people with nonblood cancers. In addition, a phase 2 trial of tomivosertib in combination with a checkpoint inhibitor for women with metastatic breast cancer is being planned by the pharmaceutical company that developed tomivosertib.

And, Dr. Ruggero said, other translation inhibitors developed by the companywhich he cofoundedmay be moving to clinical trials soon. Like tomivosertib, these drugs target translation factors that are hijacked by oncogenes, he explained.

Further down the road, Dr. Ruggero added, there may be a way to block translation of one specific mRNA.

“We are working on developing [those] inhibitors. It’s a bit more challenging,” he said.

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