[1] 소분자 신약 '프로탁(PROTACs)'

» 약물 작용 원리를 뒤바꾼 새로운 소분자 약물 프로탁이 작용해 `질병 관련 단백질(표적)'과 '단백질 분해 유도 효소'가 결합해 있는 모습. 자세한 설명은 아래 글 참조. 출처/ Xavier Lucas, Alessio Ciulli, University of Dundee

장면#1.

민소희. 텔레비전 드라마 <아내의 유혹>에 등장하는 주인공은 어느 순간 얼굴에 점 하나를 찍는 것만으로 새로운 인물이 되어 등장한다.

장면#2:

영화 <페이스오프(Face/Off)>에서 주인공은 자신의 원래 얼굴(존 트라볼타 분)을 지우고 안면이식 수술을 통해 새로운 인물(니콜라스 케이지 분)로 등장한다.

드라마와 영화에서 주인공들이 새로운 얼굴로 변신하는 방법들입니다. 실제로 변한 것은 거의 없는데 눈 밑에 점 하나를 찍었다고 다른 사람이 되는 비현실적인 장면. 이와는 대조적으로 원래 얼굴을 수술로 완벽히 들어내고(지워버리고) 새로운 얼굴을 이식하는 방법을 사용한 영화 <페이스오프>. 두 방법의 똑같은 목적은 기존의 존재를 사라지게 하는 것이었고, 드라마와 영화에서 모두 성공적이었지만, 현실에서 각각의 효율성과 경제성은 사뭇 다르다고 평가할 수 있습니다.

» 그림1. (왼쪽) 드라마 <아내의 유혹>에 등장한 민소희(눈 밑 점을 찍은 이후). (오른쪽) 영화 <페이스오프>에서 미국 연방수사국(FBI) 요원인 존 트라볼타는 최첨단 의료의 도움을 받아 자신의 얼굴을 테러범 니콜라스 케이지의 얼굴과 바꾼다. 출처/ SBS <아내의 유혹>, <페이스오프>

이 글은 신약 개발의 최근 흐름을 재미있게 이야기하는 “신약 연구 현장에서 본, 역동하는 신약 트렌드”의 첫 번째 글로서, 얼굴에 점 하나 찍는 방식으로 원하는 약효를 만들었던 방식과는 대조적인, 새로운 트렌드로 등장한 얼굴 지우기 방식의 신약 개발 방법을 소개하고자 합니다.

기존의 약물 작용 원리 : 민소희- 얼굴에 점을 찍다

» 그림2. 비아그라 상품, 그리고 비아그라 약물이 표적 단백질과 결합된 모습의 자세한 결정구조가 실린 <네이처(Nature)>의 표지 [1].

일반적으로 말해, 약은 소분자 화합물 (물론, 항체, 단백질, 펩타이드 등 다양하지만)입니다. 이 화합물 약물은 특정 단백질의 특정 부위에 결합함으로써 그 단백질의 기능을 없애는 방법으로 약효를 냅니다. 약물인 화합물이 질병과 관련되는 특정 단백질의 특정 활성부위(active site)나 결합부위(binding pocket)에 결합함으로써, 문제의 단백질 활성을 억제하거나 문제의 단백질이 다른 단백질(또는 핵산, 막, 보조인자 등)과 결합하기 어렵게 만들어서 질병 증상을 억제하는 것이지요. 즉, 기존의 단백질 모습(얼굴)에 큰 변화는 없지만, 약물(점)이 특정 단백질의 특정 부위에 결합하게 하여(얼굴에 점을 찍어), 문제의 단백질을 질병 관련 기능이 없는 새로운 모습(inactivated form)으로 바꾸는 것입니다.

그림 하나를 보며 설명해보겠습니다.

오른쪽 아래 그림은 2003년에 우리나라 연구진의 연구성과를 보여주는 <네이처(Nature)>의 표지입니다. 비아그라 약물이 특정 단백질과 결합해 있는 모습이지요. 발기부전을 일으키는 특정 단백질 효소(human phosphodiesterase 5)와 그 효소의 작용(기능)을 억제하는 약물(비아그라)이 서로 결합해 있는 상태의 3차원 구조를 보여줍니다.[1] 비아그라 약물은 발기부전을 일으키는 이 효소에 결합함으로써 효소의 활성화를 억제하고, 그럼으로써 발기부전 증상을 개선하는 효과를 얻는데, 이는 바로 원래 얼굴(발기부전 관련 효소 단백질)에다 점(비아그라) 하나를 붙여 새로운 인물(활성이 억제된 효소 단백질)로 변신하게 하는 것에 비유할 수 있습니다.

이 과정에서 일어나는 약물과 단백질의 결합은 매우 안정적인 ‘공유결합’이 아니기에 분리될 수 있고(가역적이고, reversible), 따라서 약효를 유지하려면 일반적으로 몸 전체에 높은 약물 농도를 유지해야 합니다. 하지만 약물 효능을 지키려고 약물 농도를 높이면 약물이 예기치 못한 다른 단백질과 결합할 수 있는데, 이런 상황은 종종 약물 부작용으로 나타납니다.

새로운 약물 개발 방법의 필요성

지금까지 사람의 단백질들 중에서 미국 식품의약국(FDA)에서 승인을 받아 약물 표적으로 쓰이는 단백질은 400여 종에 달합니다.[2] 모두 특정 질병과 관련되어 있기에 이런 단백질의 활성을 억제할 수 있는 약물을 개발하려는 노력이 계속되는데, 이런 약물이 작용할 대상물이 약물의 ‘표적’이 되기에 이런 질병 관련 단백질을 ‘약물 표적 단백질’이라고 부릅니다. 그런데 이 가운데 90% 넘는 것들이 효소 단백질, 전달물질 단백질, 각종 채널·막 단백질 등으로, 이런 약물 표적 단백질은 현존하는 약물 개발 방법으로도 이에 효과적으로 대응해 작용할 만한 약물을 비교적 쉽게 찾을 수 있습니다. 하지만 질병과 관련한 단백질이 고작 400여 종뿐이겠습니까? 질병과 관련된 단백질들은 지금까지 추정되는 것만으로도 대략 총 3,000개나 되며, 따라서 현재 승인된 약물들은 이 가운데 약 13% 정도만을 표적으로 이용하고 있는 것입니다.[2]

그렇다면, 약 85% 이상의 질병 관련 단백질들을 표적으로 하는 약물이 아직까지 개발되지 못하는 이유는 무엇일까요?

여러 이유가 있겠지만 가장 중요한 이유는 현재의 약물 개발 방법으로는 이 단백질들을 표적으로 삼아 그 기능을 억제하기가 어렵기 때문입니다. 예를 들어, 어떤 단백질들은 약물이 잘 결합할 수 있는 ‘소수성 포켓(hydrophobic pocket)’이라는 구조를 갖추고 있지 않거나, 또는 그 전통적인 약물 표적 구조가 단백질의 기능과 상관없는 곳에 있기도 합니다. 질병과 관련한 어떤 효소들은 활성부위(active site)에 다른 보조인자(cofactor)가 워낙 강하게 결합하는 특성을 지니기에, 효소 활성부위에 결합해야 하는 약물을 개발하기가 어렵기도 합니다. 또한 알츠하이머를 비롯해 여러 뇌질환의 원인으로 알려진 ‘타우 단백질의 엉킴(Tau tangles)’과 같은 경우에, 약물의 결합으로 ‘단백질 엉킴’을 제거할 방법이 아직 존재하지 않습니다.[3]

이런저런 이유로, 현존하는 약물 개발 방법과는 다른 새로운 방법이 필요해졌습니다. 예컨대, 낚시에 비유하자면 기존의 낚싯바늘(약물)은 정확하게 물고기 입의 특정 부위에 걸려야만 물고기(약효)를 건져 올릴 수 있는 데 비해, 이 글에서 설명할 새로운 방법에서는 신개념의 낚싯바늘이 물고기의 입, 지느러미, 아가미, 몸통 어디에나 걸려도 물고기를 건져올릴 수 있다고 말할 수 있겠습니다.

신약 후보 물질(방법), ‘프로탁(PROTACs)’

신약 개발을 위해, 과학자들은 우선 질병을 치료하는 데 중요한 역할을 하는 단백질, 즉 약물 표적 단백질이 어떤 것인지 찾아내고, 그런 다음에 그 약물 표적에 효과적으로 결합할 수 있는 신약을 만듭니다. 또한 관련된 분자들의 연쇄작용 경로(molecular pathway)와 질병 치료 효과의 직접적인 연관성을 증명하는 연구를 수행합니다.

» 그림3. <사이언스(Science)> 최근호(3월17일치)의 표지. “암 치료 분야의 선구자들(Frontiers in Cancer Therapy) 중 하나로, 프로탁(PROTACs)을 다루었다.[4] 앞서가는 연구자들은 신약 작용의 ‘방법’ 자체를 새로운 것으로 대체하고자 노력하기도 하는데, 이런 방법이 성공한다면 그것은 크건 작건 신약 개발의 패러다임에 변화를 일으키는 일이라고 말할 수 있습니다. 특히나 지금까지 이야기한, 현존하는 신약 개발 방법으로는 접근하지 못하는 새로운 약물 표적을 이용할 수 있다면, 그동안 정복하지 못했던 난치병을 치료할 수 있다는 희망도 가질 수 있을 것입니다.

이 글에서 다루고자 하는 새로운 방법은, 아직 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받은 실제 약물로 만들어지지는 못했지만, 벌써 큰 주목을 받고 있습니다. <사이언스(Science)> 최근호(2017년 3월17일)는 “암 치료 분야의 선구자들” 제목의 특집에서 “암치료 신약 후보 물질 4가지”를 소개하면서, 그중 하나로 특정 단백질의 분해를 유도하는 방법인 ‘프로탁’(PROTACs: Proteolysis Targeting Chimeras)을 다루었습니다.[4] 앞의 얼굴 비유를 이용하자면, 프로탁은 얼굴 전체를 바꿔버리는(삭제하는) 것과 같은 아주 새로운 방법입니다.

[유비퀴틴-프로테아좀 단백질 분해 경로]

[ 유투브 https://youtu.be/jbc1QCu9hFg ]

» 그림4. 프로탁(PROTACs)의 작동 원리. 소분자 프로탁(파란색) 한쪽에 E3 효소가 결합하고, 다른 한쪽에 표적 단백질[POI: Protein of Interest]이 결합한다. 표적 단백질에는 유비퀴틴이 달라붙고 이어 표적 단백질은 프로테아좀에 의해 분해된다.[6]

프로탁이라는 방법을 설명하기 전에, 우선 세포 안에서 단백질이 분해되는 과정 중 하나인 ‘유비퀴틴-프로테아좀 단백질 분해 경로’(ubiquitin-proteasome protein degradation pathway)에 대해 살펴봅시다.(위 유투브 동영상 참고). 유비퀴틴이니 프로테아좀이니 하는 낯선 용어가 나오고 얘기가 조금 복잡해져, 전공자들이 아니라면 당혹스러울 수도 있겠지만 찬찬히 설명하도록 노력해보겠습니다.

여기에서 ‘유비퀴틴’은 아미노산 76개로 이뤄진 작은 단백질인데, 주로 다른 단백질에 달라붙어 그 단백질의 분해를 촉진하는 기능을 합니다(이 경로에 관여하는 유비퀴틴 효소들로는 E1, E2, E3 세 종류가 있다). 프로테아좀은 세포 안에 있는 거대 분자로서, 단백질 분해 공장 구실을 하는 거대 분자입니다.

단백질이 어떤 경로를 거쳐 분해되는지, 즉 ‘단백질 분해 경로’를 밝힌 연구 업적으로 2004년에 과학자 3명이 노벨화학상을 공동 수상했습니다.[5] 그 분해 과정은 쓰레기 처리에 비유해 설명되기도 합니다. 세포 안에 불필요한 단백질들이 생기면, 이 단백질에 일종의 쓰레기 분리수거 딱지를 붙입니다(ubiquitination: 유비퀴틴을 스티커로 사용한다). 이렇게 이 단백질이 분해 대상임을 만천하에 알리면, 이후에 이 단백질은 선택적으로 분해되는 경로에 들어서게 됩니다.

예를 들어, 어떤 단백질 구조에 잘못된 접힘이나 돌연변이가 생기면 그 단백질은 원래 기능대로 쓰일 수 없겠지요. 따라서 세포 안에서 분해 대상이 됩니다. 이 단백질에 효소 E3가 결합하고, 다시 효소 E2에 의해 유비퀴틴 식별 표시가 붙게 되면, 그 이후에 이 단백질은 단백질 분해 공장인 프로테아좀으로 들어가 분해될 운명에 처합니다. 불필요한 단백질을 청소해주는 이런 경로에 문제가 생긴다면 암을 비롯해 다양한 질병이 생길 수 있기에, 이는 당연히 생명과 건강 유지를 위해서 매우 중요한 경로입니다.

단백질 분해 유도 효소와 표적 단백질을 연결하기

이제 다시 프로탁의 얘기로 돌아오지요.

프로탁은 비교적 작은 규모의 소분자(small molecule)입니다. 2개의 결합부분, 그리고 두 결합부분을 잇는 연결부까지 모두 세 부분으로 이뤄져 있습니다. 서로 사이가 좋지 않은 2개 분자를 인위적으로 연결할 수 있는 구조이지요. 그런데 두 결합부분 중에서 하나는 분해하고자 할 단백질과 결합하며, 다른 하나는 단백질을 분해 경로로 들어서게 할 유비퀸틴 효소 E3와 결합합니다(그림4).[6]

분자생물학에 밝은 독자 분들은 눈치 채셨을 수도 있겠지만, 단백질 분해 작업의 스위치를 켤 수 있는 E3 효소 가까운 곳에다 분해 대상으로 삼은 표적 단백질을 결합해 둠으로써, 표적 단백질이 손쉽게 분해될 수 있는 구조를 만든 것입니다. 이제 프로탁의 결합부분을 특정 단백질과 결합하도록 잘 설계한다면, 원하는 질병 관련 단백질을 E3 효소 근처에 묶어둠으로써 문제의 단백질을 손쉽게 분해할 경로를 열 수 있는 것입니다.

이 방식의 장점 중 하나는 프로탁이 표적 단백질의 아무곳에나 결합해도 된다는 것입니다. 기존 약물은 반드시 표적 단백질의 기능을 억제할 수 있는 특정 지점에만 결합해야 약효를 낼 수 있었지만, 프로탁은 표적 단백질을 그저 붙들어둘 수만 있다면 아무곳에나 결합해도 됩니다. 훨씬 손쉬운 방법이지요. 위에서 비유한 대로, 낚싯바늘이 물고기의 어디에 걸려도 상관없이 물고기를 낚을 수 있는 것입니다. 또한, 위에서 설명한 ‘타우 단백질의 엉킴(Tau tangles)’과 같은 경우에도, 프로탁 약물은 엉킨 단백질들을 분해할 수 있기 때문에 약효를 볼 수 있습니다. 프로탁의 자세한 작동 원리는 이 글의 뒷부분에서 다시 다루겠습니다.

» 그림5. 다양한 종류의 프로탁. 보라색 부분은 다양한 E3 효소와 결합하는 부분이고, 주황색 부분은 표적 단백질과 결합하는 부분이다. 두 부분은 연결부로 이어져 있다.[6]

» 그림6. 프로탁의 구조와 결합된 단백질들. 프로탁 MZ1는 E3(VHL) 결합부분인 VH032 (파란색)과 표적 단백질(Brd4)의 결합부분인 JQ1(녹색)이 연결부인 PEG로 이어져 있다.[7]

일단 여기에서는 이 프로탁 방법이 지금도 계속 발전하고 있는 중이라는 점을 말씀드리고자 합니다. 이런 개념의 물질 개발이 처음 시도된 2001년에는, E3 효소와 결합하는 부분에 소분자 아닌 펩타이드(peptide)가 쓰였으나 기술 발전으로 2008년부터는 모든 부분에 크기가 작은 소분자 물질이 쓰이기 시작했습니다.[6] 참고로 생물 진화의 과정에서 발달한 다양한 종류의 E3 효소가 존재하며, 따라서 존재하는 다양한 단백질을 분해시킬 수 있고, 각각의 E3 효소 종류와 결합할 수 있는 소분자의 구조도 다릅니다(그림5).

페이스오프, 그 죽음의 입맞춤

프로탁의 발전 모습을 최신 논문에서 살펴볼까요? 올해 <네이처 화학생물학(Nature Chemical Biology)>에 실린 논문[7]에는 E3 효소와 프로탁 소분자, 표적 단백질이 결합한 3차원 구조가 실렸습니다. ‘MZ1’이라고 명명된 이 특정 프로탁 구조에서는 E3 효소(VHL)와 결합하는 데 VH032라는 소분자가 쓰였으며, 분해 대상이 되는 표적 단백질인 Brd4(이 단백질은 급성 골수형 백혈병 치료에 이용될 표적 단백질로 발굴되었는데 다른 암 치료제에 활용될 가능성도 있다[8])와 결합하도록 JQ1이라는 소분자가 선택됐습니다. 두 소분자들은 연결부(PEG)로 이어져, “VH032-PEG linker-JQ1”가 MZ1라는 프로탁을 구성합니다(그림6).

그림에서 보듯이 MZ1으로 명명된 프로탁에 유비퀴틴 단백질인 E3 효소와 분해 대상 단백질 Brd4가 근접합니다. 특히 MZ1 프로탁은, E3와 Brd4 두 단백질 간의 물리적 거리를 충분히 줄여 두 단백질 간에 직접 결합(PPI: Protein-Protein Interaction)이 일어나도록 유도했습니다.

» 그림7. 그림6에서 확인한 단백질들과 프로탁의 결정 구조. 프로탁(MZ1)으로 인해 두 단백질 (회색: E3 효소, 오렌지: 표적 단백질 Brd4)이 서로 결합하고 있다.[9] 출처/ Xavier Lucas, Alessio Ciulli, University of Dundee

3차원 그림을 살펴보면, 프로탁 소분자의 ‘중매’ 또는 ‘연결’ 구실 덕분에 마치 E3 효소와 표적 단백질 Brd4가 입맞춤하는 듯이 서로 결합하는 모습을 볼 수 있습니다(그림7).[9] 그러나 둘의 입맞춤은, 우리가 단백질 분해 과정에서 보았듯이, 표적 단백질을 죽음으로 이끕니다.

프로탁을 이용하면, 기존 신약 개발 방법으로는 접근할 수 없었던 많은 질병 관련 단백질을 약물 표적으로 이용하여, 현재는 존재하지 않는 질병 치료제의 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대됩니다. 물론, 새로운 신약 개발 방법에 의해 고안된 소분자들이 최종적으로 미식품의약국(FDA)의 허가를 받은 신약으로서 실제로 환자 치료에 쓰일 때까지는 많은 시간이 더 필요하지만, 멀지 않은 미래에 우리 가족과 친구들 중 누군가가 그 혜택을 받는 꿈을 꾸어봅니다. 죽음의 입맞춤에서 건강의 환희를…. ◑

[참고논문]

[1] Nature 2003 Sep 4;425(6953):98-102.

[2] http://www.omim.org/statistics/geneMap

[3] Pharmacol. Ther. 2017 Feb 14. pii: S0163-7258(17)30041-4.

[4] Science 2017 Mar 17;355(6330):1163-1167.

[5] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2004/

[6] Nat Rev Drug Discov. 2017 Feb;16(2):101-114.

[7] Nat Chem Biol. 2017 Mar 13. doi: 10.1038/nchembio.2329.

[8] Nature 2011 Aug 3;478(7370):524-8.

[9] https://phys.org/news/2017-03-death-drug-undruggable.html

윤태진 유한양행 중앙연구소 수석연구원  

@한겨레 과학웹진 사이언스온  

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