Characterisation of prostate cancer sialome re-engineering via CMAH transfection reveals a bystander effect that propagates Neu5Gc presentation to neighbouring cells

모든 인간 세포의 표면은 두꺼운 당 성분의 층으로 덮여 있는데, 이 분자 코트는 방패이자 신분증 역할을 합니다. 글리코칼릭스(glycocalyx)라고 알려진 이 코팅은 단백질과 지방에 결합된 긴 당 분자 사슬로 구성되어 있습니다. 이 당들 중에서도 시알산(sialic acids)이라 불리는 특정 가문은 세포가 주변 환경, 특히 면역 체계와 소통하는 방식에서 결정적인 역할을 합니다. 건강한 인간의 몸은 한 가지 주요 유형의 시알산을 생성하지만, 대부분의 다른 포유류에서 발견되는 약간 다른 버전의 두 번째 시알산을 만드는 능력은 상실했습니다. 이 누락된 버전은 단 하나의 산소 원자 차이로 화학적으로 구별되지만, 이 미세한 차이가 면역 체계가 세포를 인식하는 방식을 변화시킵니다. 인간의 몸은 자연적으로 이 두 번째 당을 만들 수 없기 때문에, 세포에 이 당이 존재한다는 것은 세포가 식단을 통해 이를 섭취했거나, 일부 암의 경우 고대의 유전적 경로를 재활성화하여 이를 생성했음을 나타내는 신호가 됩니다. 이러한 당이 암세포에서 어떻게 변하는지 이해하는 것은 매우 중요한데, 이 당들이 일종의 위장술로 작용하여 종양이 신체의 방어 체계로부터 숨는 것을 돕기 때문입니다.

요크 대학교의 연구팀은 프로스테이트 암(전립선암) 세포를 모델로 사용하여 이 현상을 조사하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 이 암세포들이 누락된 당을 생산하도록 강제함으로써, 세포의 표면 화학 구조를 사실상 재설계했을 때 어떤 일이 일어날지 알아보고 싶었습니다. 과학자들은 자연적으로 이 특정 당을 만드는 데 필요한 효소를 생성하는 쥐의 유전자를, 원래는 이를 만들 수 없는 인간 전립선암 세포에 도입했습니다. 이렇게 함으로써, 그들은 암세포가 외표면에 이 외래 당을 표시하기 시작하는 실험실 모델을 구축했습니다. 연구진은 몇 달 동안 이 수정된 세포들을 관찰하며, 당이 어떻게 나타나는지, 어떤 종류의 분자 사슬에 부착되는지, 그리고 표면에 얼마나 오래 머무르는지를 추적했습니다. 그들은 이 당이 그것을 만드는 세포에만 머무는 것이 아니라, 전혀 수정되지 않은 이웃 세포들에도 나타난다는 사실을 발견했습니다. 이 발견은 소수의 변형된 세포가 이 새로운 화학적 신호를 이웃에게 전달하여, 모든 세포가 자신의 DNA를 바꿀 필요 없이도 종양 전체의 환경을 변화시킬 수 있는 메커니즘이 존재함을 시사합니다.

연구는 정교한 유전적 도구의 선택과 함께 시작되었습니다. 연구진은 쥐와 제브라피쉬를 포함한 다양한 동물의 효소 DNA 서열을 비교하여 실험에 가장 적합한 후보를 찾았습니다. 그들은 컴퓨터 모델링을 사용하여 이 효소들의 3차원 구조를 예측했는데, 이를 통해 유전 코드의 작은 차이에도 불구하고 쥐와 제브라피쉬 버전이 당 전구체를 담을 수 있도록 설계된 중앙 포켓을 가진 거의 동일한 구조로 접힌다는 것을 확인했습니다. 연구진이 쥐의 유전자를 전립선암 세포에 삽입하자, 세포들은 성공적으로 누락된 당을 생산하기 시작했습니다. 탐지된 당이 세포 자체의 새로운 기제에서 온 것인지, 아니면 실험실에서 세포를 배양할 때 흔히 사용하는 동물 혈청에서 온 것인지 확인하기 위해, 연구진은 이 특정 당이 포함되지 않은 인간 혈청만을 포함한 식단으로 세포를 교체했습니다.

세포가 당을 생산하기 시작하자, 팀은 이 당이 세포 표면의 정확히 어디에 위치하는지 확인해야 했습니다. 그들은 당 사슬의 끝부분을 잘라내는 분자 가위 역할을 하는 광범별 효소를 사용하여 세포를 처리했습니다. 이 처리는 신호를 제거함으로써, 해당 당이 실제로 세포의 가장 바깥쪽에 위치하여 환경에 노출되어 있음을 증명했습니다. 연구진은 두 가지 다른 유형의 당 사슬, 즉 N-글리칸(N-glycans)이라고 불리는 방식으로 단백질에 부착된 사슬과 O-글리칸(O-glycans)이라고 불리는 방식으로 부착된 사슬의 생성을 차단하기 위해 특정한 화학적 억제제를 사용했습니다. O-글리칸 경로를 차단했을 때 세포 표면의 새로운 당의 양이 크게 감소했습니다. 그러나 N-글리칸 경로를 차단했을 때는 아무런 영향이 없었습니다. 이 결과는 재설계된 세포들이 주로 O-결합 사슬에 이 새로운 당을 부착하고 있음을 나타냈는데, 이 사슬은 많은 조직을 덮고 있는 두껍고 보호적인 점액 형태의 단백질인 뮤신(mucin)에서 흔히 발견됩니다.

더 상세한 그림을 얻기 위해, 과학자들은 세포를 분해하고 고감도 질량 분석기를 사용하여 특정 당-단백질 조합을 분석했습니다. 그들은 수천 개의 단백질을 식별하고 당이 어디에 부착되었는지 매핑했습니다. 수정되지 않은 세포에서는 표준적인 인간의 당만이 발견되었습니다. 수정된 세포에서는 새로운 당이 여러 단백질에 부착되어 있었으며, 대부분 O-결합 사슬에 붙어 있었습니다. 그러나 분석 과정에서 가장 당이 많이 코팅된 단백질인 뮤신 일부를 놓쳤는데, 이는 단백질을 분해하는 데 사용된 표준 방식이 이 끈적거리고 복잡한 분자들을 다루기에 충분히 부드럽지 않았기 때문일 것입니다. 뮤신이 실제로 이 새로운 당의 주요 운반체임을 확인하기 위해, 연구진은 뮤신만을 표적으로 삼아 절단하는 특수 효소를 사용했습니다. 이 효소를 적용했을 때 세포 표면의 새로운 당의 양이 급격히 줄어들었으며, 이는 당이 주로 이 뮤신이 풍부한 구조에 숨겨져 있었음을 확인시켜 주었습니다.

가장 놀라운 발견은 연구진이 수정된 세포와 수정되지 않은 세포를 혼합했을 때 나타났습니다. 그들은 수정되지 않은 세포에 빨간색 염료를 표지한 후, 당을 생성하는 세포가 담긴 접시에 넣었습니다. 며칠 후, 그들은 빨간색 세포들을 확인했고, 그 세포들 역시 표면에 새로운 당을 획득했다는 것을 발견했습니다. 당이 수정된 세포로부터 수정되지 않은 세포로 이동한 것입니다. 연구진은 수정된 세포가 자연 효소의 작용을 통해 당이 코팅된 분자들을 외부로 방출하고, 이웃 세포들이 이 분자들을 흡수하여 당을 재활용하고 자신의 표면에 부착하는 메커니즘을 제안합니다. 이는 소수의 변형된 세포가 이웃의 화학적 정체성을 변화시킬 수 있다는 '방관자 효과(bystander effect)'를 만들어냅니다.

이 발견은 종양의 표면 화학이 각 개별 세포의 유전적 구성에 의해서만 결정된다는 생각을 뒤집습니다. 대신, 환경 자체가 그 안의 세포들을 재형성할 수 있음을 시사합니다. 만약 소수의 암세포가 이 외래 당을 생성하기 시작한다면, 이들은 나머지 종양 전체에 이 형질을 퍼뜨려 전체 덩어리가 면역 체계를 피할 수 있도록 균일한 방패를 만들 수 있습니다. 연구진은 이 메커니즘이 왜 일부 종양에서 모든 세포가 해당 당을 생성하는 유전적 변이를 가지고 있지 않음에도 불구하고 높은 수준의 당이 나타나는지를 설명할 수 있다고 언급했습니다. 비록 이 연구가 실험실 환경에서 수행되었으며 아직 인간 환자에게서도 이와 같이 일어난다는 것을 입증한 것은 아니지만, 이러한 확산이 어떻게 일어날 수 있는지에 대한 명확한 기제를 제공합니다. 이 연구는 암세포 표면의 역동적인 성격을 강조하며, 표면이 정적인 특징이 아니라 이웃으로부터 영향을 주고받으며 영향을 미칠 수 있는 유동적인 시스템임을 보여줍니다. 과학자들이 이러한 당의 이동과 변화 방식을 이해하게 된다면, 결국 종양이 생존을 위해 구축하는 보호막을 무너뜨리는 새로운 방법을 찾게 될 것입니다.