[이달의 논문 리뷰] 프로탁(PROTAC) 연구의 최신 동향

글 남궁석 SLMS 대표

특이적 단백질 분해를 유도하는 기술인 프로탁(PROTAC)이 최근 각광받고 있다. 프로탁과 분자 접착제의 개념, 이의 기능적 특징, 그리고 이 기술들을 이용한 항암 후보물질의 임상 개발 현황에 대해서 알아보자.

인간의 단백질체에는 약 2만 개의 단백질이 있다. 이 중 암의 생존에 필수적인 역할을 하는 단백질은 600종 정도다. 그러나 이들 중 소분자 화합물이나 항체 등 기존 항암제 개발에 사용되던 방법으로 저해할 수 있는 것은 200개 정도에 불과하며, 나머지 400개 정도의 단백질은 지금까지의 기술로는 억제할 수 없었다. 따라서 이러한 단백질들은 암에서 중요한 역할을 하고, 그 기능이 저해되면 항암 효과가 있다는 것은 알고 있었지만 이를 약물 형태로 저해할 수 있는 방법이 없어 항암제 개발에 쓰이지 못했다.

이러한 소위 ‘언드러거블 타깃(undruggarble target)’을 억제하는 기술로 특이적 단백질 분해를 유도하는 기술인 프로탁(PROTAC)이 최근 각광받고 있다. 이번 연재에서는 프로탁과 분자 접착제의 개념, 이의 기능적 특징, 그리고 이 기술들을 이용한 항암 후보물질의 임상 개발 현황에 대해서 알아보도록 하자.

표적 특이적 단백질 분해에 의한 항암치료제의 개발

Dale, B., Cheng, M., Park, K. S., Kaniskan, H. Ü., Xiong, Y., & Jin, J. (2021). Advancing targeted protein degradation for cancer therapy. Nature Reviews Cancer, 1-17.

저널 Nature Reviews Cancer (IF 53.03)
게재일 2021년 6월 15일
DOI: 10.1038/s41568-021-00365-x

2021년 (네이처 리뷰스 캔서(Nature Reviews Cancer))에 출판된 이 총설 논문에는 표적 특이적 단백질 분해의 개념과 이를 이용한 항암 후보물질을 개발하는 개괄적인 내용이 잘 정리돼 있다. 그렇다면 특정한 단백질의 분해를 유도하는 ‘표적 특이적 단백질 분해’는 어떻게 일어나는가.

우리 몸을 구성하고 있는 세포에 존재하는 단백질 역시 세포 내 상황에 따라서 생성되고 분해되기도 한다. 여기에는 여러 가지 방법이 있다. 특정한 단백질이 어떤 조건에서 특이적으로 분해되는 것은 대개 유비퀴틴-프로테오솜 시스템(Ubiquitin-Proteosome System)에 의해서 이뤄진다.

유비퀴틴-프로테오솜 시스템에 의한 단백질 분해 는 약 600종의 E3 유비퀴틴 리가아제(Ubiquitin Ligase)에 의해 분해될 단백질에 유비퀴틴이 연결되는 것으로 시작된다. 유비퀴틴에 의해 결합된 단백질은 세포 내에서 ‘폐기돼야 할 단백질’로 인식되고 세포 내에서 단백질을 분해하는 ‘세 절기’ 같은 역할을 하는 거대 복합체인 ‘프로테오솜’이 분해한다. 즉 분해될 단백질에 유비퀴틴을 달아주는 유비퀴틴 라이게이즈는 세포 내에서 일어나는 특이적 단백질 분해의 핵심적인 요소다.

우리 몸속에 있는 약 600종의 E3 유비퀴틴 리가아제 중 대부분은 어떤 특정한 단백질 한두 가지를 분해하는 데 사용된다. 그러나 일부의 E3 리가아제, 특히 컬린-RING E3 리가아제(CRLs·Cullin-RING E3 Ligases)로 불리는 패밀리의 E3 리가아제는 동시에 여러 종류의 단백질에 유비퀴틴을 결합시켜 분해를 유도하는 성질을 가지고 있다.

CRL 계열의 E3 리가아제는 단일 단백질로 구성된 것이 아니라 여러 단백질로 구성된 복합체이며, 이러한 성질이 동시에 여러 단백질에 유비퀴틴을 붙여서 분해를 유도할 수 있는 동력이 된다. 즉 분해할 단백질에 결합할 수 있는 복수의 ‘어댑터’ 역할을 하는 단백질이 있고, 이로 인해 여러 단백질을 인식할 수 있게 되는 것이다. 현재까지 프로탁 기술에서 임의의 단백질을 분해하는 데 주로 이용되는 E3 리가아제인 CRL2VHL이나 CRL4CRBN는 모두 CRL 계열의 E3 리가아제다.

프로탁은 한마디로 화합물이 존재하지 않을 때는 분해하지 않는 단백질을 CRL 계열의 E3 리가아제에 결합시켜 단백질에 유비퀴틴을 달아서 단백질을 분해하도록 하는 화학물질이다.

이렇게 표적 특이적 단백질 분해에 사용되는 화학물질은 크게 프로탁과 ‘분자접착제(molecular glue)’라고 불리는 두 가지 부류의 물질이 있는데, 이 둘 모두 분해될 대상인 단백질과 E3 리가아제와 동시에 결합해 표적 단백질과 E3 리가아제를 붙여주는 역할을 한다. 그렇다면 프로탁과 분자접착제는 어떻게 다를까.

프로탁은 인위적으로 E3 리가아제에 결합하는 화학물질과 분해될 단백질에 결합하는 화학물질을 인위적으로 결합시킨 이성 이중기능 분자(heterobifunctional molecule)다. 분자접착제 역시 E3 리가아제와 표적 단백질을 서로 연결해 약물이 없는 상태에서는 분해되지 않던 표적 단백질의 분해를 유도하는 물질이다.

그러나 분자접착제는 의도적으로 두 개의 단백질을 연결시키기 위해 두 개의 화학물질을 결합시켜 만든 프로탁과는 달리 우연히 생리적 활성을 가진 약물을 찾다가 발견된 물질이다. 또한 이성 이중기능 분자가 아닌 보다 단순한 화학구조를 가진 물질이다. 분자접착제의 대표적인 경우는 면역조절약물의 하나인 탈리도마이드(thalidomide)와 탈리도마이드의 유도체인 레날리도마이드(lenalidomide), 포말리도마이드(pomalidomide)가 있다.

이러한 탈리도마이드 계열의 화합물은 E3 리가아제인 CRL4CRBN과 전사인자인 IZKF1·IZKF3을 서로 연결시켜 분해를 유도한다. 각각의 단백질에 결합하는 부분이 서로 이어진 형태의 프로탁과는 달리 탈리도마이드 계열의 분자접착제는 하나의 화학물질에 두 개의 단백질이 서로 결합하는 형태를 보인다. 이렇게 프로탁과는 별개로 발견된 분자접착제는 프로탁에 이용되어, E3 리가아제에 결합을 유도하는 구성요소로 사용되기도 한다.

이제 프로탁을 구성하는 화학적인 요소를 알아보도록 하자. 프로탁은 보통 다음의 3가지 요소가 결합된 화합물 형태로 되어 있다.

① E3 리가아제에 결합하는 화합물
② 분해하려고 하는 단백질에 결합하는 화합물
③ 두 개의 화합물을 서로 연결하는 링커

프로탁을 구성하는 3가지 요소 모두가 어떤 화합물이 프로탁으로 제대로 작용하는지에 모두 중요한 역할을 한다. 일단 E3 리가아제에 결합하는 화합물에 대해서 알아보자. 현재까지 개발된 프로탁에서 사용하는 E3 리가아제에 결합하는 화합물 중 가장 널리 사용되는 2종류는 CRL2VHL의 구성요소 중 하나인 VHL(von Hippel-Lindau tumor suppressor)에 결합하는 화학물질, 그리고 CRL4CRBN의 구성요소인 CRBN(Cereblon)에 결합하는 탈리도마이드·레날도마이드 계열의 약물이다.

이렇게 E3 리가아제에 결합하는 물질은 프로탁으로 작용하기 위한 필수요건이지만, E3 리가아제와 결합하는 동시에 E3 리가아제에 의한 유비퀴틴화를 방해해서는 안 된다. 따라서 프로탁으로 이들 화합물을 만들기 위해서 링커를 연결할 때는 E3 리가아제의 효소 활성을 방해하지 않도록, 단백질의 표면으로 돌출된 부분으로 링커를 연결할 필요가 있다. 어떤 링커를 사용하는지도 매우 중요하다.

실제로 링커의 선택에 따라서 프로탁의 활성이 크게 달라지므로, 프로탁의 성공적인 개발을 위해서는 여러 종류의 E3 리가아제 결합 화합물, 화합물에 링커를 결합하는 위치, 다양한 종류의 링커 조합을 테스트할 필요가 있다.

프로탁에 의해서 단백질을 성공적으로 분해하기 위해서는 분해할 단백질-프로탁-E3 리가아제의 3가지 요소가 안정된 복합체를 형성해야 한다. 즉 프로탁에 의해서 단순히 분해될 단백질과 E3 리가아제가 연결되는 것만으로는 부족하고, 분해될 단백질과 E3 리가아제가 어느 정도 안정된 복합체를 형성해야만 유비퀴틴의 전달이 일어난다는 것이다.

단백질 간 안정적인 복합체 형성을 유도하기 위해서 가장 중요한 것은 링커의 역할이다. 적절한 링커를 이용해 단백질 간 상호작용을 유도하는 것이 필요하다. 이렇게 단백질과 E3 리가아제의 복합체 형성이 필요한 것 때문에 프로탁은 약물 특이성 면에서 이점이 생기는데, 그것은 일반적인 소분자 저해제와는 달리 프로탁의 분해는 분해하려는 단백질의 특정한 이성체(isoform)에 특이적으로 작용하게 된다.

즉 화학 억제제로는 여러 가지 이성체 중에서 한 종류의 이성체에만 작용하는 물질을 찾는 것은 매우 어렵다. 프로탁으로 단백질 분해가 이루어지기 위해서는 일단 안정적인 단백질 복합체가 형성되어야 하며, 이를 통해 이성체를 특이적으로 분해하는 물질을 만드는 것이 가능하다는 것은 프로탁의 장점 중 하나다.

이제 표적 특이적 단백질 분해를 통한 암 치료제 개발을 목표로 어떤 단백질들을 표적으로 다양한 프로탁이 개발되고 있는지를 알아보자.

① 안드로겐 수용체 : 2003년 CRL1β-TRCP에 특이적으로 결합하는 펩타이드에 안드로겐 수용체 결합 물질을 달아서, 세포 수준에서 안드로겐 수용체를 분해할 수 있다는 것을 입증한 이래 2019년에는 VHL에 결합하는 프로탁인 ARD-69와 ARD-61이 세포주 및 동물모델 레벨에서 안드로겐 수용체 분해를 촉진하고 암 성장을 억제한다는 전임상 결과가 나왔다.

최초로 임상 단계에 진입한 프로탁 기반의 약물인 아비나스의 ARV-110은 CRL4CRBN에 결합하는 탈리도마이드 유사체와 안드로겐 수용체 결합 부위를 결합한 것으로, 2021년 보고된 전립선암 환자 대상으로 한 소규모 임상에서 약물로 앞으로 사용 가능할 수준의 안전성 프로파일을 보여줬다. 이들이 실제 전립선암 치료에서 어느 정도 효과가 있을지는 추후의 임상 연구를 통해서 밝혀질 것이다.

② 에스트로겐 수용체 : 에스트로겐 수용체(ER)는 많은 종류의 유방암에서 암 관련 유전자 발현의 주요 조절인자로 작용한다. 에스트로겐 수용체의 길항제로 알려진 풀베스트란트(Fulvestrant)가 에스트로젠 수용체에 소수성 잔기를 결합해 단백질 분해를 유도한다는 것이 알려진 이후, 프로탁을 이용해 에스트로겐 수용체를 분해하려는 연구가 시작됐다.

아비나스의 ARV-471은 탈리도마이드 유사체에 기반한 에스트로겐 수용체 특이적인 프로탁으로서, 세포 및 동물모델 수준의 전임상에서 효과적으로 에스트로젠 수용체의 분해를 촉진하는 것이 알려졌다. 2021년 미국암연구학회(AACR)가 발표한 21명의 에스트로젠 수용체 양성 환자를 대상으로 한 임상 1·2상 예비 결과에서 ARV-471은 안전성에 특별한 문제가 없다는 것이 보고됐다.

③ STAT3 : SD-36은 암세포의 성장과 증식, 침투, 전이 등에 관여하는 전사인자인 STAT3을 선택적으로 분해하는 프로탁이다. CRL4CRBN에 결합하는 레날리도마이드와 STAT3에 결합하는 억제인자인 SI-109를 결합한 물질이다. SD-36은 림프종 및 백혈병 세포주에 처리했을 때 STAT-3을 신속히 분해했으며, 동물 모델에서도 암세포 성장 억제 효과를 보여줬다.

④ BCL-XL : 세포예정사(Programmed Cell Death)를 억제하는 단백질인 BCL-2와 BCL-XL은 많은 고형암 및 혈액암에서 과발현되며, 세포사멸을 억제해 생장하는 암의 중요한 표적이 될 수 있다. 이러한 특징에 주목해 이미 BCL-2 및 BCL-XL을 억제하는 소분자 화합물들이 개발되고 있다. 그러나 이러한 화합물들은 혈소판 감소증(thrombocytopenia) 등 심각한 부작용이 보고돼 제대로 된 활용이 어려웠다.

BCL-2/BCL-XL 억제제인 ABT263과 VHL에 결합하는 프로탁인 DT2216은 원물질인 ABT263에 비해서 현저하게 낮은 혈소판 감소증을 보였는데, 이는 혈소판에 VHL 발현이 적어서 프로탁에 의한 단백질 분해가 이루어지지 않았기 때문이다. 이러한 결과는 부작용 때문에 이용하기 힘들었던 소분자 저해제를 프로탁화해 부작용을 줄이는 전략도 가능하다는 것을 의미한다.

그렇다면 프로탁을 이용한 선택적인 단백질 분해에 의한 항암제 개발에서 극복되어야 할 부분은 무엇일까. 약 600개가 넘는 E3 리가아제 중 현재 프로탁 개발에 이용되고 있는 E3 리가아제는 CRL2VHL, CRL4CRBN 등 극히 일부에 불과하다. 이들 유전자는 대부분 암세포의 생존에 필수불가결하지 않다. 따라서 프로탁의 핵심 구성요소가 되는 VHL이나 CRBN 등의 유전자에 돌연변이가 생기면, 프로탁에 대한 내성이 생길 수 있다는 위험성이 있다.

또 한 가지 위험 요소는 약물 독성이다. 실제로 분자접착제로 발견돼 요즘 많은 프로탁의 구성요소로 이용되는 탈리도마이드는 1950년대 임신부가 복용 시에 심각한 기형아 출생으로 인해서 사회적 문제를 일으킨 약물이다. 즉 프로탁에 의한 단백질 분해가 원하는 표적에 국한되지 않고, 다양한 단백질의 분해로 이어질 경우 이는 독성의 직접적인 원인이 된다.

실제로 레날리도마이드에 단백질 인산화효소 저해제를 결합한 MI-389라는 물질은 의도한 표적을 분해하지 못하고, 전사 종결인자인 GSPT1의 분해를 유도해 세포 독성을 유발했다. 또한 CDK4와 CDK6의 분해를 유도하기 위해 만들어진 프로탁 역시 의도한 표적과 함께 원래 분자접착제로서 분해를 유도하던 전사인자인 IKZF1과 IKZF3의 분해를 유도했다.

따라서 프로탁에 의한 독성을 최소화하기 위해서는 전임상 단계의 연구에서부터 해당 프로탁이 단백질체 수준에서 어떤 단백질들의 분해를 유도하는지에 대한 면밀한 검토가 진행되어야 할 필요가 있다.

결론적으로 프로탁과 분자접착제에 의한 표적 특이적 단백질 분해는 기존 소분자 물질로는 저해하기 어려웠던 암 관련 표적을 제어할 수 있는 새로운 수단을 제공하고 있다. 그러나 이러한 전략이 보다 폭넓게 항암제 개발에 사용되기 위해서는 E3 리가아제에 의한 특이적 단백질 분해 자체에 대해서 좀 더 많은 이해가 필요할 것이다.

세포 외부의 단백질 분해를 유도하기 위한 리소좀 타기팅 전략의 개발

Banik, S. M., Pedram, K., Wisnovsky, S., Ahn, G., Riley, N. M., & Bertozzi, C. R. (2020). Lysosome-targeting chimaeras for degradation of extracellular proteins. Nature, 584(7820), 291-297.

저널 Nature (IF 49.962)
게재일 2020년 7월 29일
DOI: 10.1038/s41586-020-2545-9

프로탁은 기존 화합물로 억제하기 어려웠던 단백질을 특이적으로 분해할 수 있어 새로운 억제 수단으로 각광받고 있다. 그러나 이렇게 프로탁에 의한 단백질의 특이적 제거는 세포질 내 단백질에 한정되고 있으며, 생체막에 고정된 막단백질, 혹은 세포 밖으로 분비된 단백질의 경우 프로탁에 의한 표적 특이적인 제거가 불가능하다.

2020년 스탠퍼드대학의 베르토지 그룹이 개발한 라이탁(LYTAC)이라는 기술은 이러한 프로탁의 한계를 일부 극복했다. 세포 밖으로 분비된 단백질이나 막단백질을 분해하는 리소좀(lysosome)으로 분해하고자 하는 표적 단백질을 유도하는 기술이 바로 라이탁이다. 라이탁 기술은 글리칸에 결합된 단백질을 리소좀으로 유도하는 성질을 가진 양이온 비의존성 만노스-6-인산 수용체(cation-independent mannose-6-phosphate receptor)를 이용한다.

이들은 만노스-6-인산 수용체에 결합하는 만노스-6-인산 복합체를 화학적으로 합성하고, 이를 분해하고자 하는 단백질과 결합하는 항체에 결합시켰다. 항체가 분해될 단백질에 결합하고, 여기에 결합된 만노스-6-인산 복합체가 만노스-6-인산 수용체에 결합해 이 전체가 리소좀으로의 이동을 촉진하고, 리소좀에 이동한 표적 단백질은 리소좀에서 분해된다.

이 기술을 이용해 이들은 세포 외에 존재하는 단백질, EGFR, CD71과 같은 막단백질 등 다양한 단백질을 리소좀으로 보내 분해할 수 있다는 것을 보여줬다. 아직은 개념 증명 단계의 연구인 관계로 이 기술이 실제로 어떻게 의약품 개발에 이용될 수 있을지는 두고 봐야 할 것이다.

그러나 프로탁 기술로 쉽게 제거하기 힘든 막단백질이나 세포 밖으로 분비된 단백질 역시 비슷한 전략으로 특이적으로 분해할 수 있는 라이탁 기술은 앞으로 단백질의 특이적 분해, 새로운 약물의 작용 수단으로 사용될 수 있다는 가능을 암시해준다고 하겠다.

<저자 소개>

남궁석
고려대 농화학과를 졸업한 뒤 동 대학원에서 생화학 전공으로 석사학위와 박사학위를 받았다. 미국 예일대와 펜실베이니아대에서 박사 후연구원을 했다. 2013년부터 2017년까지 충북대 농업생명과학대 축산식품생명과학부 초빙교수로 재직했다. 지금은 Secret Lab of Mad Scientist(SLMS)라는 이름으로 과학 저술 및 과학 관련 컨설팅 활동을 하고 있다. <과학자가 되는 방법>, <암 정복 연대기>의 저자다.

*이 글은 <한경바이오인사이트> 매거진 2021년 11월호에 실렸습니다.