암세포에서 PTEN이라는 종양 억제 단백질 연구를 통해 해답을 찾다.

2019년 6월 14일 NCI 직원

암의 표적 치료법은 대부분 미쳐 날뛰는 세포의 성장 촉진과정을 차단하기 위한 목적으로 개발된다. 특히 오늘날 암을 치료하기 위해 사용되는 많은 표적 약품들은 암세포의 성장을 촉진하는 암을 유발하는 유전자, 즉 온코진에 의해 생성되는 단백질을 차단한다.

그러나 암 발병에 중요한 역할을 하는 또 다른 종류의 단백질은 조작이 더 어렵다는 것이 입증되었는데, 그 이름은 종양억제 단백질이다. 그 이름에서 알 수 있듯이, 이런 단백질들은 보통 비정상적인 세포 성장을 멈추게 하는 작용을 한다. 하지만 그들은 암세포에서는 이 기능을 상실할 수 있다. 그런데 만약 약물로 다시 "on" 상태로 되돌릴 수 있다면, 이러한 접근법은 암 치료에서 또 다른 전선을 형성할 것이다.

연구자들은 이제 인간 암 세포와 생쥐 실험 양쪽에서 PTEN(이 단백질은 다양한 방식으로 종양의 생성과 확산을 억제하는 작용을 한다)이라는 암에서는 흔히 침묵하는 종양 억제 단백질 중 하나를 깨우는 방법을 알아냈다. 연구자들은 또한 최소한 실험실 연구 단계에서는 스위치를 켤 수 있는 천연화합물을 발견하였고, 현재 이것이 식이 보조제로 판매되고 있다.

이 연구를 주도한 베스 이스라엘 디아코니스 메디컬 센터의 피어 파올로 판돌피 박사는 "이것이 PTEN을 약리적으로 재작동을 가능하게 하는 경로를 규명하는 첫 번째 연구"라고 말했다.

"그들이 종양 억제를 재가동하기 위한 전술을 발견했다는 사실은 정말 희망적이다. 현재까지는 종양 억제를 재가동하기보다 종양 유발 유전자를 공격하는데 더 큰 성공을 거뒀다"고 국립암연구소의 암 생물학부 암세포 생물학과장인 리하브 야신 박사가 말했다.

PTEN의 재부팅

유방암과 전립선암을 포함한 많은 종류의 암은 자라면서 종종 PTEN(이 단백질은 다양한 방식으로 종양의 생성과 확산을 억제하는 작용을 한다) 기능을 상실한다고 야신 박사는 설명했다. 그 결과, 통상적으로는 PTEN이라는 신호경로에 의해 억제되는 단백질이 지나치게 활동적이 될 수 있고, 제어 불가한 세포 성장을 촉진할 수 있다고 야신 박사는 말했다.

연구원들은 PTEN의 행동을 통제하는 세포 신호 경로 몇 개를 확인했다. 그러나 현재까지 발견된 경로는 치료 대상으로써의 가능성을 보여주지 못했다고 판돌피 박사는 말했다.

이 연구의 판돌피 연구소의 수석 연구원인 유루 리 박사와 그의 동료들은 암세포에서 PTEN과 상호작용하는 보다 양호한 접근법을 찾아서 PTEN과 상호작용하는 다른 단백질을 5년 동안 찾기 시작했다. 그들은 PTEN에 물리적으로 결합되는 단백질을 찾기 위해 암세포들을 체로 걸러내듯이 하나하나씩 검사하기 시작했다.

그 팀은 그러한 단백질인 하나씩 걸러내어 마침내 WWP1이라는 단백질을 찾아냈다. WWP1은 이미 어떤 종류의 암에서 풍부하게 생성되는 것으로 알려져 있었다. 일련의 실험에서, 이박사와 그의 동료들은 WWP1이 PTEN의 분자들이 짝을 지어 결합하여 세포 표면으로 이동하는 것을 막는다는 것을 발견했다. PTEN은 세포 표면 위에 있을 때만 종양 억제 기능을 발휘할 수 있다.

중요한 것은 WWP1이 MYC라는 잘 알려진 종양유전자에 의해 통제되고 있다는 사실을 발견했다는 것이다. MYC 자체가 암의 주요 원인이지만 이를 안전하게 9약물의)표적으로 삼기는 매우 어렵다고 야신 박사는 말했다.

"통제가 해제되면 암을 유발하는 종양 유전자이지만, MYC는 정상적인 세포 과정(세포가 복제 증식을 되풀이 하는 과정)에 아주 중요하다.. 그래서 그것을 분해하거나 제거해 버리면 원치 않는 부작용을 일으킬 수 있는 다른 중요한 세포의 기능에 영향을 미친다."고 그녀는 말했다.

WWP1이 MYC와 PTEN 사이의 이 경로에서 약한 연결고리인지 알아보기 위해 연구원들은 유전적으로 전립선 종양이 발생하기 쉬운 생쥐에서 WWP1 유전자를 삭제했다.

그들은 WWP1이 결핍된 쥐들이 유전자를 가진 쥐들보다 전립선 암의 수도 적고 크기도 작다는 것을 발견했다. 그들이 쥐 종양에서 채취한 조직 샘플을 분석했을 때, 연구원들은 더 많은 PTEN이 WWP1이 없는 쥐의 종양의 세포 표면으로 나아가는 것을 발견했다. 대조적으로, 정상 WWP1을 가진 쥐의 종양에서는 세포 표면으로 가는 PTEN이 줄어들었다.

"가장 흥미로운 것은 WWP1이 부족한 쥐들이 정상이라는 것이었습니다,"라고 이 박사는 말했다. 그는 "WP1은 매우 중요한 종양처럼 보이지만 부서졌을 때는 독성은 없었다."고 덧붙였다.

안전한 온-스위치

그 다음, 그 팀은 WWP1을 잠재적으로 차단할 수 있는 화합물을 찾았다. 그들은 컴퓨터를 사용하여 WWP1 구조의 3D 모델을 만들고 열쇠가 자물쇠에 들어갈 수 있는 것처럼 다른 분자들을 거기에 사실상 맞추었다.

분석 결과 인돌-3-카비놀(I3C)이라는 화합물이 WWP1에 결합해 PTEN과 상호작용하는 것을 막을 수 있을 것으로 예상했다. I3C는 브로콜리와 꼬마 양배추를 포함한 일부 야채에서 소량으로 자연적으로 발견된다. 13C는 식품 보조제로 약방에서 자유로이 살 수 있다.

연구원들이 너무 많은 WWP1이 포함된 인간 세포를 I3C로 치료했을 때, 그들은 PTEN이 세포 표면에 축적되기 시작하는 것을 보고 WWP1이 차단되고 있음을 나타냈다.

그 후에 연구자들은 너무 많은 MYC를 생성하도록 설계된 생쥐에서 I3C를 실험했다. I3C가 투여된 생쥐는 그렇지 않은 생쥐보다 종양의 크기가 더 작은 것을 발견했다. 이 종양 억제 효과를 생성하는 데 필요한 용량에서 I3C에 대한 부작용은 발견되지 않았다.

인간 임상시험을 향해 가는 길

"연구자들은 I3C에 대한 임상실험이 시작되기를 희망하지만 그렇게 하는 데는 시간과 계획이 필요하다는 것을 인정한다."고 이 박사는 말했다.

"연구소 시험에서 인간 시험으로 변환하는 데는 수년이 걸린다."고 야신 박사는 동의했다. 예를 들어, 시판되는 식이 보충제의 경우에도 정상 세포를 비교적 손상시키지 않으면서 암세포에 영향을 미칠 수 있는 최적의 복용량은 알려주어야 한다고 그녀는 말했다.

IC3의 발견이 행운이었고 시험을 더 해봐야 하는 것이지만, 이것이 반드시 유일한 WWP1 억제를 위한 유일한 혹은 가장 좋은 후보는 아니라고 이 박사는 말했다. 그와 그의 동료들은 현재 실험실에 존재하거나 혹은 이제부터 설계되고 구축될 다른 화합물들이 WWP1을 더 효과적으로 억제할 수 있는지 조사하고 있다.

판돌피 연구소는 또한 WWP1을 폐쇄하는 것과 동시에 PI3K라고 불리는 PTEN 활동에 영향을 미치는 것으로 알려진 또 다른 단백질을 목표로 하는 것이 잠재적으로 훨씬 더 효과적일 수 있는지 조사하고 있다.

이 팀은 또한 WWP1에 대해 더 깊이 파고들고 있다. "우리는 다음의 것들을 배우고자 한다. 즉 WWP1과 상호작용하는 단백질은 무엇인가? 어떤 것이 작동하는데 도움이 되는가? 그것들도 표적이 될 수 있을까? 이것이 치료적 잠재력을 극대화할 수 있을까?" 등이라고 이 박사는 말했다.

판돌피 박사는 "우리는 WWP1과 그 생리적 기능에 대해 더 많이 이해하는데 노력할 필요가 있고, 아직 할 일이 엄청나게 많다."고 판돌피 박사가 동의하였다.

Researchers Turn On PTEN Tumor-Suppressor Protein in Cancer Cells

June 14, 2019, by NCI Staff

Most targeted therapies for cancer are developed with the aim of turning off a growth-promoting process that has run amok. In particular, many targeted drugs used to treat cancer today block proteins produced by cancer-causing genes, or oncogenes, that encourage cancer cells to grow.

But another class of proteins important to cancer development has proven more difficult to manipulate: tumor-suppressor proteins. As their name suggests, these proteins normally act to stop abnormal cell growth. But they can lose this function in cancer cells. If they could be turned back “on” with drugs, such an approach would represent another front in cancer therapy.

Researchers have now identified, in both human cancer cells and mouse models, a way to turn on one of the tumor-suppressor proteins most commonly silenced in cancer, called PTEN. They also found a natural compound, currently sold as a dietary supplement that, in laboratory studies at least, could flip the on switch.

“This is the first study to identify a pathway that lets us reactivate PTEN pharmacologically,” said Pier Paolo Pandolfi, M.D., Ph.D., of Beth Israel Deaconess Medical Center, whose lab led the research.

“The fact that they found a tactic to reactivate a tumor suppressor has great promise. We've had much more success [to date] with attacking oncogenes than re-activating tumor-suppressors,” said Rihab Yassin, Ph.D., chief of the Cancer Cell Biology Branch in NCI’s Division of Cancer Biology.

Rebooting PTEN

Many cancer types, including breast and prostate cancer, often lose some of their PTEN function as they grow, Dr. Yassin explained. As a result, proteins that are normally kept in check by PTEN (a signaling pathway) can become overly active and can drive uncontrolled cell growth, she said.

Researchers have identified several cell-signaling pathways that control the behavior of PTEN. But the pathways discovered to date have not shown promise as targets for treatment, Dr. Pandolfi noted.

Looking for a better approach to reactivating PTEN in cancer cells, the study’s lead investigator, Yu-Ru Lee, Ph.D., and his colleagues in the Pandolfi lab embarked on a 5-year search for other proteins that interact with PTEN. They began by sifting through cancer cells looking for proteins that bind physically to PTEN.

The team zeroed in on one such protein, WWP1, which was already known to be produced in abundance in some types of cancer. In a series of experiments, Dr. Lee and his colleagues found that WWP1 keeps molecules of PTEN from joining together in pairs and moving to the surface of cells. PTEN can exert its tumor-suppressive functions only when it is located in the surface area of cells.

Importantly, the team found that WWP1 is controlled by a well-known oncogene called MYC. MYC itself is a key driver of cancer, explained Dr. Yassin, but has proven difficult to target safely.

“Although it's an oncogene when deregulated, MYC is [also] vital for normal cellular processes. So when you knock it down or out, you affect other critical cell functions that can lead to unwanted side effects,” she said.

To see if WWP1 might be a weak link in this pathway between MYC and PTEN, researchers deleted the gene for WWP1 in mice that are genetically prone to developing prostate tumors.

They found that mice lacking WWP1 had far fewer and smaller prostate tumors than mice with the gene. When they analyzed tissue samples taken from the mouse tumors, they found that more PTEN had been able to make its way to the surface of cells in tumors of the mice with the WWP1 deletion. In contrast, less PTEN went to the surface of cells in tumors of mice with normal WWP1.

“The most exciting thing …was that these mice that lacked WWP1 are normal,” Dr. Lee said. “WWP1 looks like a very important oncogene, but there was no toxicity when it’s knocked out,” he added.

A Safe On-Switch

The team next looked for compounds that could potentially block WWP1. They used a computer to create 3D models of the structure of WWP1 and then virtually fit other molecules into it, like a key might fit into a lock.

The analysis predicted that a compound called indole-3-carbinol (I3C) can likely bind to WWP1 and prevent it from interacting with PTEN. I3C is found naturally in small amounts in some vegetables, including broccoli and brussels sprouts. It’s also sold over the counter as a dietary supplement.

When the researchers treated human cells containing too much WWP1 with I3C, they saw PTEN start to accumulate at the cells’ surfaces, indicating that WWP1 was being blocked.

They then tested I3C in mice engineered to produce too much MYC. Mice given the compound developed much smaller tumors than those that did not. No side effects were seen with I3C at the doses needed to produce this tumor-suppressive effect.

Towards Human Trials

The researchers would like to see a clinical trial of I3C launched, said Dr. Lee, though they acknowledge that doing so will take time and planning.

“It takes years to translate knowledge from the lab to a human trial,” Dr. Yassin agreed. For example, even with a marketed dietary supplement, the best dose to affect cancer cells while leaving normal cells relatively unharmed still must be determined, she said.

While IC3 was a lucky find and should be tested further, Dr. Lee said, it’s not necessarily the only or the best candidate for WWP1 inhibition. He and his colleagues are currently examining whether other compounds—either existing or yet to be designed and built in the lab—could inhibit WWP1 more effectively.

The Pandolfi lab is additionally looking into whether targeting another protein known to affect PTEN activity, called PI3K, in tandem with shutting down WWP1 could potentially be even more effective.

The team is also digging deeper into WWP1. “We want to learn: What proteins are interacting with WWP1? Which are helping it function? Can those be targeted too? Could this maximize therapeutic potential?” said Dr. Lee.

“We need to work hard at understanding more about WWP1 and its physiological functions” agreed Dr. Pandolfi. “There's a huge lot to do still.”