Evolutionary Analysis of PD-L1 as a Small-Molecule Drug Target

면역 체계는 신체의 내부 보안 부대로서, 위험해지기 전에 비정상적인 세포를 찾아내어 파괴하기 위해 끊임없이 순찰합니다. 이 시스템에서 가장 효과적인 요원 중 하나는 위협을 인식하고 제거하도록 훈련된 특수 병사인 T 세포입니다. 그러나 많은 암세포는 이 시스템에 구축된 안전 장치를 이용하는 법을 배웠습니다. 종양은 흔히 PD-L1이라고 불리는 단백질을 표면에 드러냅니다. 이 단백질이 T 세포의 일치하는 수용체인 PD-1과 만나면, 면역 병사에게 공격을 멈추고 물러나라는 신호를 보내는 것과 같은 효과를 냅니다. 이 스위치를 켬으로써, 종양은 몸의 방어 체계가 자신을 무해한 것으로 믿게 만들어 눈앞에서 숨을 수 있습니다.

이를 저지하기 위해 의사들은 항체라고 알려진 커다란 단백질 분자를 사용하는 치료법을 개발했습니다. 이 항체들은 PD-L1과 PD-1 사이의 연결을 차단하여, T 세포가 다시 깨어나 암과 싸우도록 강제합니다. 이러한 치료법은 많은 환자에게 표준 치료가 되었지만, 항체는 크기가 크고 정맥 주사를 통해 투여해야 하기 때문에 종양의 모든 숨겨진 구석까지 도달하지 못할 때가 있습니다. 이러한 한계는 과학자들이 동일한 역할을 수행하면서도 알약으로 복용할 수 있는 더 작은 화학 화합물을 찾도록 몰아넣었습니다. 이 작은 분자들은 PD-L1 단백질의 특정 포켓(pocket)에 결합하여, 두 개의 단백질 복사본을 서로 묶어버리고 면역 체계가 보아야 할 표면을 묻어버리는 방식으로 작동합니다. 유망한 결과에도 불구하고, 한 가지 중요한 질문이 남아 있습니다. 만약 종양이 이 새로운 유형의 약물에 노출된다면, 약물이 작동하지 못하도록 단순히 그 포켓의 모양을 바꿀 수 있을까요? 즉, 치료로부터 탈출할 수 있을까요?

클러크슨 대학교(Clarkson University)의 한 연구자는 생명 자체의 역사를 살펴봄으로써 이 질문에 답하고자 했습니다. 연구자는 단순히 인간의 종양만을 연구하는 대신, 물고기와 거북에서부터 새와 영장류에 이르기까지 44종의 다양한 척추동물을 대상으로 PD-L1 단백질을 조사했습니다. 이 종들의 집합은 약 4억 2,900만 년의 진화 과정을 나타내는 타임라인입니다. 논리는 명확했습니다. 만약 단백질의 한 부분이 동물의 생존에 필수적이라면, 자연은 그것을 변하지 않은 채로 유지할 것입니다. 만약 어떤 부분이 중요하지 않다면, 그것은 자유롭게 변할 것입니다. 다양한 동물의 DNA 서열을 비교함으로써, 연구자는 PD-L1 단백질의 어떤 부분이 수백만 년 동안 유지될 만큼 매우 중요하여 고정되어 있는지, 그리고 어떤 부분이 자유롭게 변할 수 있는지를 확인할 수 있었습니다.

조사는 새로운 소분자 약물이 PD-L1 단백el에 부착되는 정확한 지점을 매핑하는 것으로 시작되었습니다. 단백질의 상세한 3D 모델을 사용하여, 연구자는 약물이 접촉하는 아미노산이라 불리는 열 가지 특정 구성 요소를 식별했습니다. 다음 단계는 이 열 가지 구성 요소가 면역 체계의 PD-1 수용체가 결합하는 데 사용하는 것과 동일한 것인지 확인하는 것이었습니다. 분석 결과 놀라운 중첩이 드러났습니다. 약물이 접촉하는 열 개의 아미노산 모두가 PD-1이 결합하는 표면의 일부였습니다. 사실, 약물이 접촉하는 영역은 면역 인터페이스 근처에 있는 것이 아니라, 바로 그 면역 인터페이스 자체였습니다. 통계적 검증 결과, 이러한 중첩이 우연히 발생할 확률은 10억 분의 1 미만이었습니다. 약물과 면역 체계는 정확히 동일한 물리적 표면을 두고 싸우고 있는 것입니다.

진화 데이터는 이 표면이 변하지 않고 유지되어야 한다는 강력한 압력을 받고 있음을 확인해주었습니다. 연구자는 이 열 가지 특정 아미노산에 대한 DNA 코드가 4억 2,900만 년 동안 얼마나 자주 변했는지 계산했습니다. 결과는 이 지점들이 거의 변하지 않았다는 것이었습니다. 이 지점들은 환경에 노출되어 있으면서도 약물이나 면역 결합에 관여하지 않는 다른 단백질 부분들보다 훨씬 느리게 진화했습니다. 통계적으로 볼 때, 이 핵심 지점들의 변화율은 단백질의 나머지 부분보다 거의 4배나 느렸습니다. 이러한 극단적인 보존성은 만약 종양이 약물을 피하기 위해 이 특정 아미노산들을 돌연변이시킨다면, 종양이 면역 체계와 상호작용하는 능력 자체를 깨뜨릴 가능성이 높다는 것을 시사합니다. 종양은 단지 알약을 피하기 위해 자신의 주요 방어 기제를 희생하게 되는 셈입니다.

이 이론적 제약이 실제 세계에서도 유효한지 확인하기 위해, 연구는 실제 인간 종양을 조사했습니다. 연구진은 8가지 유형의 암에 걸친 14,000개 이상의 암 샘플에서 유전 데이터를 조사했습니다. 그들은 약물이 표적으로 삼는 열 개의 아미노산에서 특별히 발생하는 돌연변이를 찾았습니다. 발견된 결과는 진화적 예측과 일치했습니다. 이 핵심 지점에서의 돌연변이는 매우 드물었습니다. 종양은 많은 유전적 변화를 축적하지만, 약물이 표적으로 하는 특정 표면을 바꾸는 경우는 거의 없었습니다. 변화가 발생했을 때조차도, 그것들은 단백질의 다른 부분들에 흩어져 있었으며 약물 결합 포켓은 온전하게 남겨두었습니다. Q66이라고 불리는 특정 아미노산은 다른 곳보다 약간 더 많은 변이를 보였는데, 이는 이곳이 종양이 탈출을 시도할 가능성이 가장 높은 곳임을 시사하지만, 그럼에도 불구하고 그 변화는 흔하지 않았습니다.

연구는 종양이 이 새로운 계층의 약물로부터 탈출하기 위해 가야 할 경로가 생물학 자체에 의해 사실상 차단되어 있다고 결론짓습니다. 약물이 면역 체계가 사용하는 것과 정확히 동일한 표면에 결합하기 때문에, 약물의 작동을 막는 모든 돌연변이는 또한 종양이 면역 체계를 차단하는 능력도 막게 될 것입니다. 종양은 자신이 숨는 데 사용하는 열쇠를 부수지 않고서는 자물쇠를 쉽게 바꿀 수 없습니다. 비록 이 연구가 아직 이 특정 약물들에 의해 진행된 환자들에 대한 데이터를 가지고 있지는 않지만, 단백질의 깊은 진화적 역사는 종양의 탈출 옵션이 심각하게 제한되어 있다는 강력한 근거를 제공합니다. 종양을 위험하게 만드는 바로 그 특징, 즉 면역 체계로부터 숨는 능력은, 그 정확한 숨는 지점을 표적으로 삼는 약물에 대한 취약성을 만드는 특징이기도 합니다.