Regulation of RAS-GTPase Activity by Oncofetal Chondroitin Sulfate (Chondroitin 4-Sulfate) and Arylsulfatase B

암은 종종 세포 내부의 단 하나의 고장 난 스위치와 함께 시작됩니다. 이 스위치는 RAS라고 불리는 단백질로, 세포 성장을 조절하는 문지기 역할을 합니다. 문이 닫혀 있을 때 세포는 조용히 유지되지만, 문이 열리면 세포는 분열하라는 신호를 받게 됩니다. 많은 공격적인 종양에서는 이 문이 열린 상태로 고정되어 세포가 통제 불능으로 증식하게 됩니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 고장 난 스위치를 고치기 위해 노력해 왔으나, 단백질의 형태 때문에 표준적인 약물들이 이를 붙잡는 것이 거의 불가능했습니다. 최근의 의약품들은 이 스위치의 특정 변형된 버전을 표적으로 삼는 법을 배웠지만, 모든 환자에게 효과가 있는 것은 아니며 암은 종종 이에 저항하는 방법을 찾아냅니다. 이는 연구자들이 다른 전략을 찾게 만들었습니다. 즉, 고장 난 스형을 직접 패치하는 대신, 스위치가 열린 상태를 유지하도록 명령하는 신호 자체를 끄는 방법을 찾고 있는 것입니다.

제시 브라운 VA 의료 센터(Jesse Brown VA Medical Center)의 연구진으로부터 나온 새로운 연구는 이 문제를 해결하기 위한 놀라운 경로를 탐구합니다. 그들은 RAS 스위치의 활성이 세포 표면에 존재하는 당 분자인 콘드로이틴 4-황산염(chondroitin 4-sulfate)과 깊게 연결되어 있다는 사실을 발견했습니다. 이 당은 우리 세포를 덮고 있는 더 큰 분자 군의 일부로, 일종의 보호 담요나 통신 네트워크처럼 작용합니다. 연구진은 분자 가위 역할을 하는 Arylsulfatase B라는 효소에 주목했습니다. 이 효소의 역할은 콘드로이틴 4-황산염 당에서 특정 화학적 태그인 황산기(sulfate group)를 잘라내는 것입니다. 이 효소가 정상적으로 작동할 때는 당을 특정 상태로 유지합니다. 하지만 이 효소가 결핍되거나 침묵하면, 당에는 너무 많은 황산 태그가 붙은 채로 축적됩니다.

연구팀은 이 당의 균형이 깨졌을 때 RAS 스위치에 어떤 일이 일별어지는지 알아보기 위해 실험을 진행했습니다. 그들은 인간 흑색종 세포(피부암의 일종)뿐만 아니라 정상 피부 세포 및 장 세포를 대상으로 작업했습니다. 실험실에서 그들은 Arylsulfatase 효소를 만드는 유전자를 정밀한 방법으로 억제했습니다. 예상대로, 효소를 억제하자 콘드로이틴 4-황산염 당이 축적되었습니다. 그다음 발견한 사실은 놀라웠습니다. 조용히 있어야 할 RAS 스위치가 갑자기 활성 상태로 전환된 것입니다. 이 스위치의 활성이 급격히 증가하여 어떤 경우에는 무려 222%까지 치솟았습니다. 반대로, 연구진이 제조된 버전의 효소를 세포에 다시 넣어주자 당 수치는 떨어졌고, RAS 스위치 활성은 절반 이상 감소했습니다. 이러한 패턴은 배양 접시 속의 세포뿐만 아니라 멜라노마 종양을 가진 생쥐에서도 확인되었는데, 동물에게 효소를 처리했을 때 폐와 피부 종양의 RAS 스위치 활성이 감소했습니다.

당 분자가 어떻게 단백질 스위치를 제어할 수 있는지 이해하기 위해, 연구진은 그 사이의 단계들을 추적했습니다. 그들은 황산화된 당의 축적이 세포 내 다른 분자들의 상호작용 방식을 변화시킨다는 것을 발견했습니다. 구체적으로, 보통 이 당에 달라붙는 galectin-3라는 단백질은 당에 황산 태그가 과도하게 많아지면 결합하기가 더 어려워집니다. 이로 인해 galectin-3는 세포 내를 자유롭게 떠다니게 됩니다. 이렇게 자유롭게 떠다니는 단백질은 연쇄 반응을 일으켜 EGFR이라는 또 다른 단백질의 생산을 증가시킵니다. EGFR은 세포 표면에 있는 수용체로, 성장 신호를 듣는 안테나와 같은 역할을 합니다. 이 안테나가 많아지면 세포는 성장 신호에 과민해지며, 이는 결과적으로 RAS 스위치를 열린 상태로 강제합니다. 연구진은 EGFR의 생산을 차단하거나 그로 이어지는 신호 전달 단계를 막으면, 당 수치가 높더라도 RAS 활성의 급증이 사라진다는 것을 보여줌으로써 이를 확인했습니다.

연구는 또한 세포가 이러한 황산 태그를 처음에 어떻게 만드는지에 대해서도 조사했습니다. 태그는 PAPS라는 보편적인 연료원을 사용하는 sulfotransferase라는 효소들에 의해 추가됩니다. 연구진이 이 연료원의 양을 줄였을 때 RAS 스위치의 전반적인 활성이 약간 감소했는데, 이는 세포가 당을 황산화하는 능력이 RAS 스위치가 얼마나 강력하게 작동하는지와 직접적으로 연결되어 있음을 시사합니다. 흥적으로, 그들은 모든 당 수정 효소가 동일한 효과를 내는 것은 아니라는 점을 발견했습니다. 다른 종류의 태그인 6-황산기(six-sulfate group)를 추가하는 능력을 제거했을 때는 RAS 스위치에 아무런 변화가 없었습니다. 이는 콘드로이틴 당에 붙은 특정 4-황산 태그가 변화를 주도하는 핵심 요소임을 확인시켜 주었습니다.

당과 스위치 사이의 연결 고리는 매우 강력하여, 연구진은 세포 내 콘드로이틴 4-황산염의 양과 RAS 스위치의 활성 사이에 거의 완벽한 일치 관계가 있음을 발견했습니다. 당 수치가 높아짐에 따라 스위치 활성도 나란히 상승했습니다. 그들은 또한 이 특정 유형의 당에 강하게 결합하는 것으로 알려진 VAR2CSA라는 단백질을 테스트했습니다. 연구진은 효소 결핍으로 인해 당 수치가 높을 때 VAR2CSA가 이 당에 훨씬 더 강력하게 결합한다는 것을 발견했으며, 이는 당의 구조가 다른 단백질과의 상호작용을 변화시키는 방식으로 바뀌었음을 재확인해 주었습니다.

이 연구는 암 성장을 조절하는 새로운 방식을 제시합니다. 부서진 RAS 스위치를 강제로 닫으려고 노력하는 대신, 스위치를 열어두는 특정 당의 수치를 낮추는 것이 가능할 수 있습니다. Arylsulfatase 효소의 활성을 회복시키거나 황산화된 당의 생산을 차단함으로써, 종양을 유발하는 성장 신호의 볼륨을 줄일 수 있을지도 모릅니다. 연구진은 새로운 약물들이 RAS 단백질의 특정 돌연변이를 표적으로 개발되고 있지만, 이 접근 방식은 특정 돌연변이의 존재와 상관없이 다양한 유형의 암에 걸쳐 작동할 수 있는 다른 각도를 제공한다고 언급합니다. 이 발견은 세포 표면의 당 분자의 화학적 성질이 암의 가장 유명한 동력인 단백질의 행동을 결정할 수 있다는 생물학적 경로를 가리키며, 미래 치료를 위한 새로운 표적을 제시합니다.