암에서의 DNA 메틸화

DNA 메틸화와 암의 발생

DNA 메틸화는 복제 후 일어나는 가역적인 변형으로, 다양한 생리적 과정에서 유전자의 발현과 기능을 정의합니다. 전반적인 DNA 변형 중에서는 '저메틸화(Hypomethylation)'가 꽤 흔하게 나타나는 반면, 암이 발생할 때는 국소적인 영역(예: CpG 섬 형성)에서 '프로모터 과메틸화(Hypermethylation)'가 자주 발생하여 종양 억제 유전자의 불활성화를 지속시킵니다. 또한, CpG 섬은 생식 세포에 의해 탈메틸화된 후, 배아 발달 과정에서 재메틸화(Remethylation)를 겪습니다.

건강한 조직에서는 유전자 프로모터, 특히 필수적인 종양 억제 유전자의 프로모터가 비메틸화 상태로 남아있지만, 암 조직에서는 상당히 메틸화된다는 것이 널리 받아들여지고 있습니다. 따라서 재메틸화 이후에 발생하는 부적절한 DNA 메틸화는 진행성 염증 질환, 전암성 병변, 그리고 암을 포함한 다양한 질병을 유발할 수 있습니다.

혈액암에서의 비정상적 메틸화

비정상적인 DNA 메틸화는 암에서 자주 발견되며 악성 진행의 중요한 지표로 간주됩니다. 이 현상은 백혈병, 림프종, 다발성 골수종을 포함한 혈액계 악성 종양에서도 흔히 감지되는데, 이는 전체 게놈의 저메틸화와 CpG 섬의 비정상적인 과메틸화로 나타납니다. 이러한 발견은 보통 종양 억제 유전자의 침묵(Silencing)과 암 유전자의 과발현을 초래합니다.

암 바이오마커로서의 DNA 메틸화

비정상적인 DNA 메틸화는 종양 형성 및 암 발달의 특징입니다. 조절되지 않은 DNA 메틸화는 프로모터 영역에서 자주 관찰되며, 이는 종양 억제 유전자의 발현을 침묵시키거나 암 유전자에 대한 제한을 제거합니다. DNA 메틸화의 광범위한 변화는 일반적으로 종양 발달 초기 단계에서 발생하며, 이는 비정상적인 DNA 메틸화의 중요한 역할을 시사합니다. 따라서 비정상적인 DNA 메틸화의 기능적 결과를 식별하는 것은 종양 진단, 예후 및 치료를 개선하는 데 매우 중요합니다.

그러나 종양 형성에 작용하는 DNA 메틸화 패턴을 식별하고 이를 조직 특이적 후생유전학적 특징과 구별하는 것은 여전히 과제로 남아 있습니다. DNA 메틸화와 유전자 발현 변화 사이의 관계를 규명하기 위해 일부 분석 방법이 사용되었지만, 대부분의 연구는 전사체(Transcriptome) 발현에만 초점을 맞추었습니다.

통합 멀티오믹스 프로파일링이 밝혀낸 7가지 암 유형의 특징

게놈 규모 및 RNA-seq 분석은 일반적으로 서로 다른 악성 종양에서 분자 표적 간의 상호 작용 및 조절에 대한 포괄적이고 직접적인 입증이 부족합니다. 따라서 임상 단백질체 종양 분석 컨소시엄(CPTAC)에 참여하는 연구자들은 범암(Pan-cancer) 연구에서 암을 유발하는 다양한 단백질과 관련된 비정상적인 DNA 메틸화를 분석했습니다.

Liang 등은 세포 특성 확립 및 유지, 그리고 종양 발달에 있어 조절되지 않은 DNA 메틸화의 중요한 역할을 평가했습니다. RNA 및 단백질 풍부도 변화와 관련된 비정상적인 메틸화를 식별하기 위해, 이들은 신장, 뇌, 췌장, 폐, 머리, 자궁내막 및 목의 687개 종양과 그에 일치하는 정상 인접 조직의 멀티오믹스 프로파일링을 기반으로 RNA 배열 및 단백질체 분석과 결합된 DNA 메틸화 패턴 분석을 수행했습니다.

범암 카탈로그를 구축함으로써, 저자들은 자궁내막암에서 저메틸화된 FGFR2를 포함한 계통 특이적 후생유전학적 드라이버를 식별했으며, 더 나아가 과메틸화된 STAT5A가 광범위한 조절 유전자군(Regulon) 하향 조절 및 면역 세포 고갈과 관련이 있음을 보여주었습니다. 전반적으로 이 연구는 전사 및 번역 변화를 유도하는 시스(cis)-작용 DNA 메틸화 사건을 식별하여 종양의 후생유전학적 풍경과 기원 세포의 역할을 밝혀냈습니다.

또한 DNA 메틸화 매개 종양 형성을 보고하고 DNA 메틸화 중 후생유전학적 치료법 개발에 대한 통찰력을 제공했습니다.

이를 바탕으로 연구자들은 DNA 메틸화 동형(Isoform) 및 면역 분자 후생유전학적 서명 클러스터를 분석함으로써, 개별 환자의 치료를 개인화할 수 있을 것이라고 제안했습니다.

DNMT 과발현과 혈액암의 진행

DNMT1 변화는 백혈병과 림프종에서 자주 관찰되었으며, 증가된 DNMT1 발현은 비정상적인 국소 과메틸화를 유발하여 백혈병 발병을 이끄는 것으로 나타났습니다. 혈액 악성 종양의 치료에서, DNMT1 과발현은 미만성 거대 B세포 림프종의 진행된 임상 병기 및 치료 내성과 관련이 있습니다. DNMT1의 조건부 넉다운(Conditional knockdown)은 백혈병 발생을 억제하는 반면, 림프종에서는 MYC 유도 T세포 림프종 및 버킷 림프종(BL)의 유지에 중요한 역할을 합니다.

DNMT3A 돌연변이는 급성 골수성 백혈병(AML)을 포함한 모든 형태의 백혈병에서 빈번하게 검출되며, 가장 널리 퍼진 유전적 변화 중 하나입니다. 구체적으로, AML 및 만성 골수성 백혈병(CML)의 급성기 동안 DNMT3A 단백질의 과발현이 나타나며, 이는 DNMT3A 발현 수준이 잠재적인 예후 바이오마커임을 시사합니다. 또한 DNMT3B로 인한 비정상적인 메틸화 역시 혈액 악성 종양의 발달과 관련이 있습니다.

고형 종양 형성 가능성을 높이는 DNMT 과발현

DNMT1과 같은 DNMT는 다른 유형의 종양에서 양면적인 역할을 하는데, 여기서 DNMT1은 악성 진행을 촉진합니다. Zagorac 등은 췌장관 선암(PDAC) 암 줄기세포(CSC)의 전장 유전체 DNA 메틸화 프로파일을 조사하여 DNMT1이 PDAC에서 특이적으로 상향 조절됨을 보여주었습니다. 실제로 정상 조직에서는 메틸화되어 있던 일부 CpG 섬이 암세포에서는 저메틸화되어 활발하게 전사되었습니다. 이는 PDAC 암 줄기세포가 원치 않는 전사나 게놈 불안정성으로부터 자신을 방어하여 생존 및 성장 적합성을 향상시킨다는 것을 시사합니다. 또한, PDAC에서 암 줄기세포의 DNMT1을 약물학적 또는 유전적으로 표적화하면 자가 재생 능력과 종양 형성 잠재력이 감소하는 것으로 나타났습니다.

DNMT 결핍과 암 줄기세포(CSC) 및 전이

반면, 일부 고형 종양에서 DNMT1 결핍은 오히려 CSC 표현형을 유도하고 상피-간엽 전이(EMT)를 강화하는 경향이 있습니다. 대부분의 전립선암(PCa) 환자는 뼈 전이 후 사망하는데, 이는 EMT 및 CSC의 유도와 관련이 있습니다. Lee 등은 전립선암 세포에서 DNMT1 억제제인 5-Aza를 사용하여 DNMT1을 억제하면 시험관 내(in vitro)에서 EMT 유도 및 CSC 형성이 발생한다고 보고했습니다. 또한, 동물 모델에서 5-Aza로 전처리한 전립선암 세포는 전처리 없이 주입된 세포보다 유의하게 더 큰 종양을 형성하고 뼈 조직으로의 확산이 증가했습니다. 이러한 DNMT의 이중적 특성은 치료 목적으로 DNA 메틸화를 표적화할 때 주의 깊은 접근이 필요함을 시사합니다.

전임상 암 치료에서의 DNA 메틸화 억제

비정상적인 DNA 메틸화는 암을 포함한 수많은 질병의 발병과 연관되어 있으므로, 이러한 불균형을 교정하는 치료법 개발이 중요합니다. 암의 복잡성을 고려할 때, DNA 메틸화 변화는 질병의 양상에 광범위한 영향을 미치며, 메틸화 이상에 대한 분자 표적 치료는 암을 치료하는 효과적인 방법이 되었습니다.

DNA 메틸화 억제와 면역 반응의 향상

DNA 메틸화 억제는 종양 진행 중 내인성 면역 반응과 면역 세포 기능을 향상시킨다

만성적인 감염과 암은 우리 몸의 T세포를 끊임없이 자극하여 결국 'T세포 탈진(T cell exhaustion)' 상태로 만듭니다. 탈진한 T세포는 암을 공격하는 무기(효과 인자 사이토카인)를 제대로 쏘지 못하고, 증식 능력과 생존력이 떨어지며, 세포 표면에 면역 억제 수용체를 띄우게 됩니다. 이 모든 현상은 결국 T세포가 암과 싸우는 능력을 떨어뜨리는 결과를 낳습니다.

그러나 Belk 등의 연구에 따르면, 이미 탈진한 T세포(T-ex)의 후생유전학적 상태는 매우 견고하게 고정되어 있습니다. 즉, 오랫동안 항원(암세포 등)에 노출된 영향은 항원을 제거하거나 면역항암제인 PD-1 차단제를 쓴다고 해서 쉽게 사라지지 않는다는 것입니다. 연구 결과들은 이러한 현상의 원인이 DNMT3A에 있을 수 있음을 시사합니다. DNMT3A는 원래 배아 발생 과정에서 DNA 재메틸화(Remethylation)를 담당하는 효소입니다.

중요한 점은 기존의 PD-L1 차단 치료만으로는 이 재메틸화 과정을 막을 수 없다는 것입니다. 하지만 항 PD-L1 요법과 DNMT3A 억제를 병용(함께 사용)하면, 만성 감염 상황에서도 T세포의 증식을 촉진하고 치료 효과를 높일 수 있습니다. 더 나아가, 차세대 면역항암제인 CAR-T 세포에서 DNMT3A 유전자를 억제(Knockdown)했을 때, 항암 활성이 증가하고 증식과 공격 기능이 향상되었으며, T세포 탈진 현상도 줄어드는 것이 확인되었습니다.

또한, DNMT(DNA 메틸화 효소)는 암세포의 약물 내성(Drug Resistance)에도 중요한 이중적인 역할을 합니다. 예를 들어:

췌장암: DNMT1을 억제하는 약물인 **데시타빈(Decitabine)**을 쓰면 항암제 소라페닙(Sorafenib)에 대한 민감도가 높아져 치료가 잘 됩니다.

간암(HCC): DNMT3B를 억제하는 나나오마이신 A(Nanaomycin A)를 쓰면 소라페닙의 효과가 크게 증가합니다.

하지만 주의할 점은, 난소암의 경우 DNMT1 발현량이 높은 환자에게서만 데시타빈의 효과(민감도)가 좋게 나타난다는 것입니다. 이는 암종별 DNA 메틸화 패턴을 분석하여 환자마다 개별화된 맞춤형 치료가 필요함을 시사합니다.

결론적으로, 새로운 암 치료 전략으로서 DNMT 억제제는 다양한 암종에서 큰 잠재력을 인정받아 주목받고 있습니다. 현재의 연구 목표는 정상 세포에는 영향을 주지 않으면서 암세포의 DNA 메틸화만 선택적으로 억제하는 정밀한 약물을 개발하는 것입니다. 향후 이러한 맞춤형 치료 접근법과 발전된 약물 전달 시스템을 통해 다양한 암 환자들의 생존율을 향상시킬 수 있을 것입니다.

약물 내성 및 결론

DNMT는 종양 약물 내성에서도 중요한 이중 역할을 합니다. 예를 들어, DNMT1 억제제인 데시타빈(Decitabine) 치료는 췌장암 세포의 소라페닙(Sorafenib) 민감도를 증가시키고, 나나오마이신 A로 DNMT3B를 억제하면 간세포암 세포의 소라페닙 민감도가 증가합니다. 그러나 난소암에서는 데시타빈 민감도가 DNMT1의 높은 발현과 밀접하게 관련되어 있어, 범암 DNA 메틸화 동형 클러스터를 분류하여 환자별 맞춤형 치료가 중요함을 시사합니다.

결론적으로, 최근 연구들은 DNA 메틸화가 모든 암 유형에서 종양 형성, 세포 표현형 및 유전자 발현 조절에 결정적인 역할을 함을 입증했습니다. 비정상적인 DNA 메틸화와 관련된 효소들은 유망한 암 표적 잠재력을 보여줍니다. 현재의 이상적인 종양 요법 및 후생유전학적 요법을 위해서는, 멀티오믹스 범암 분석을 결합하여 비정상적인 DNA 메틸화 동형의 뚜렷한 클러스터와 면역 요법을 위한 억제 표적을 식별함으로써 개인화된 임상 치료를 안내해야 할 것입니다. 단백질체학(Proteomics)과 유전체학(Genomics)의 결합은 개별 환자의 분자 구성을 더 잘 이해하고 새로운 치료 표적을 식별하는 데 도움을 줄 것입니다.

참조문헌 : Cancer Biology & Medicine December 2023, 20230403; DOI: https://doi.org/10.20892/j.issn.2095-3941.2023.0403