| >>2018.03.05..[[와버그현상 뒤집는 신 이론...암세포의 주요 에너지원은...바이오스펙테이터]]김수열 국립암센터 박사 2018 암대사 워크숍서 발표.."암대사에서 글루타민분해효소1(GLS1), 아세트알데히드탈수소효소 1L1(ALDH1L1)이 중요..암세포는 세포질에서생성된 NADH를 미토콘드리아로 운송, 또한 미토콘드리아에서 TCA거쳐 생성된 NADH를 사용하여 암세포에 필요한 에너지를 생산.....항암제 개발법 제시"
‘암세포는 어떤 경로로 에너지를 얻을까‘ 100여년 전 암세포의 에너지 대사과정을 제시한 와버그 효과(Warburg effect) 이후로 아직까지도 명확하게 밝혀지지 않은 연구분야다. 심지어 와버그 효과 이론조차 흔들리고 있다. 최근에는 암세포의 독특한 대사과정에 대한 기전연구와 함께 이를 겨냥한 새로운 분야의 항암제가 개발되고 있다.
김수열 국립암센터 박사는 2월 28일 그랜드힐튼서울호텔에서 열린 생화학분자생물학회 신약개발컨소시엄 주최 ‘암 대사 워크숍’에서 ‘Cancer Energy Metabolism: Shutting Power off Cancer Factory'라는 제목으로 발표했다. 그는 암세포가 에너지를 얻는 대사과정의 새로운 이론을 제시하고 새로운 항암제 개발 방향을 설명했다.
김 박사는 “현재 개발되고 있는 항암제는 주로 동화작용(anabolic)을 타깃하고 있다. 단백질 생합성에 관여하는 신호전달 과정을 건드린다. 결국 신호전달 하위에 있는 mTOR를 막거나 단백질 번역(translation)과정을 겨냥하는 항암제까지도 개발되고 있지만 신약개발에 성공하기가 쉽지않다. 반면 암의 이화작용(catabolic)을 타깃한 항암제 개발은 미미한 상황이다“고 지적했다.
지금까지 에너지대사 분야에서만 7명의 과학자가 노벨상을 수상했다. 오토 마이어호프(Otto Fritz Meyerhof, 1922년, 해당과정), 아서 하든(Arthur Harden, 1928년, NADH 발견)과 한스 폰 오일러켈핀(Hans von Euler-Chelpin, 1928년, NADH 발견), 오토 와버그(Otto Warburg, 1931년, 세포 호흡), 한스 크랩(Hans krebs, 1953년, TCA 회로), 프리츠리프만(Fritz Lipmann, 1953년, Co-A 발견), 피터 미첼(Peter D. Mitchell, 1978년, 미토콘드리아 에너지 대사 화학삼투이론), 폴 보이어(Paul Boyer, 1997년, ATP 합성 기전) 등이 있다. 모두 살아있는 세포가 에너지를 공급하는 과정에 대한 연구를 수행했다.
김 박사는 “에너지대사가 그만큼 중요하다. 다만 대부분이 정상세포에서 밝혀진 내용이다. 암세포에서 에너지대사 연구를 한 것은 와버그 박사가 처음이다”고 말했다. 와버그박사는 지금으로부터 100여년 전 암세포가 정상세포보다 많은 양의 포도당을 소비하며 주로 산소가 필요하지 않는 해당(glycolysis)과정을 통해 ATP를 만들어 낸다는 사실을 밝혔다. 실제 암세포가 정상세포에 비해 산소 소모량이 적다는 사실과 암 환자에서 젖산(lactate)이 많이 존재한다는 것을 관찰해 암세포가 정상세포와 다른 대사경로를 사용한다는 사실을 증명한 것이다. 이를 와버그 효과(Warburg effect)라 부른다. 와버그 박사는 이러한 현상은 암세포에서 미토콘드리아가 망가져 있기 때문이며 이것이 암을 유발하는 원인이라고 주장했다.
오랫동안 암세포 대사에 관한 이론은 해당과정 증가, 미토콘드리아 손상, 산화적 인산화(OXPHOS, oxidative phosphorylation =TCA 작동) 감소 등을 대변하는 와버그 효과로 설명돼왔다.
그러나 최근에는 이 현상을 뒤집는 이론들이 제기되고 있다. 실제 암세포에서 미토콘드리아는 기능이 정상이며, 대부분의 ATP를 OXPHOS를 통해 생산한다는 것이다. 미토콘드리아가 암세포에서 여전히 중요한 역할을 하고 있다 의미이다.
올해 1월 미국 스노버드(snowbird)에서 열린 암대사 키스톤 심포지엄에서는 “암세포에서 미토콘드리아는 더 이상 망가져있지 않다. 정상이다”고 선언했다. 와버그 효과의 일부가 잘못됐다는 사실을 학계에서 공식적으로 받아들인 셈이다. 실제로 유방암 세포(MCF-7)에서 에너지 대사의 91~92%가 산화적인산화(OXPHOS)로부터 생성된다는 사실이 2014년 'The International Journal of biochemistry & Cell Biology' 저널에서 발표됐다. 김 박사 연구팀도 2016년 Oncotarget에 발표한 연구에서 미토콘드리아의 막전위(membrane potential)가 암세포에서 더 활발하다는 사실을 확인했다
일반적으로 정상세포는 탄소 6개짜리 글루코스를 기본적인 빌딩블록을 만드는 에너지원으로 사용한다. 그렇다면 암세포의 주요 에너지원은 무엇일까 2008년 PierreSonveaux 연구팀은 암 대사에서 젖산(lactate)을 세포호흡의 연료(fuel)로 사용한다는 새로운 이론을 제기했다. 암세포가 저산소상태(hypoxia)에서는 글루코스를, 정상산소상태(normoxia)에서는 (과다형성된)젖산을 사용한다는 사실을 발견한 것이다. 결국 젖산은 피루브산(pyruvate) 생성을 거친 후 빠르게 일어나며 미토콘드리아에서 ((MCT에 의해 미토콘드리아내로 유입된 젖산은 피루브산으로 전환된 후 아세틸coA로 변환된 후) TCA 회로를 이용해서 에너지가 생성된다는 얘기다. 이 연구에서도 와버그 효과와 달리 암세포에서 미토콘드리아가 정상 작용을 한다는 것이 증명된 셈이다.
2017년에는 인간 폐암세포에서 최초로 젖산 대사에 대한 연구가 발표됐다. 당생성 과정(glycogenic)을 통해 글루코스로부터 만들어진 피루브산이 (빠르게)젖산이 되면 (미토콘드리아내로 유입된 젖산은) 다시 피루브산이되고 TCA 회로를 통해 글루타민, 지방산(fatty acid) 등 바이오매스를 생산한다는 것이다...젖산이 지방산 합성에 중요한 탄소 소스일지도 모른다는 의미다. 그러나 이 실험에서는 ATP를 실제로 측정하지는 않았다. 그렇다면 글루타민은 어떨까 글루타민 역시 에너지원이라기보다는 TCA 회로를 통해 지방산(fatty acid)을 만드는데 쓰인다는 이론이 주로 자리잡고 있다. 2015년 Nature Cell Biology 리뷰 논문에서는 ‘글루타민 대사(glutaminolysis)는 암 생존에 중요하지만 주요 에너지공급원이 아니다‘고 서술했다. 영양분(nutrient)이 충분할 때는 글루타민이 lipid 합성경로로 빠지는데, 영양분이 제한된 환경에서는 글루타민도 없기 때문에 대음세포작용(macropinocytosis)이나 자가포식작용(autophagy)을 통해 조달받아서 사용한다는 얘기다.
**환원성 글루타민 대사=환원성카르복실레이션 : 암세포 대사에서 포도당은 주로 해당과정으로 소비되며((저산소상태에서는 피루브산으로, 정상산소상태에서는 젖산으로 빠르게 변환(DCF로 차단가능)되어 미토콘드리아내로 유입//이 젖산유래 피루브산을 기질로 TCA작동...포도당유래 피루브산을 미토콘드리아에서 이용하는TCA는 상대적으로 가동저하 상태..))....암세포는 글루타민을 이용해서 지방산을 합성, 이를 산화시킨 에너지를 사용중((생존과 전이에 매우 중요))......암세포는 글루타민을 공급해서 glutaminase1(GLS1 :BPTES로 차단)을 통해 글루타메이트를, 글루타메이트 탈수소효소(GLDH...이것은 EGCG로 차단가능)를 통해 알파케토글루타르산을 만들고 여기에 ICD( isocitrate DH)가 작용하면 TCA의 역방향으로 이소시트르산이 만들어지고 이로 인해 구연산이 증가하게 되면 ATP구연산리아제의 작용으로 아세틸CoA가 된 후 PEP 카복시키나제가 작용하여 포스포에놀피루브산(PEP)을 만드는데, 이로부터 암세포가 사용하는 중간대사산물들을 만들게 되며, 그중 하나가 지방질/지방산이다.//또한 글루타미나제-1를 통해 글루타메이트로 전환하여 MAS를 활성화 함으로써 미토내막으로 NADH수송을 용이하게 함...케톤식이MCT오일/W3FA투여시 암세포 증식 억제 가능::MCT오일은 젖산생성 억제기전을 통해서 항암작용 발현, 오메가3지방산의 DHA는 암세포내 p53 양을 저하시키고/대사효소 AMPK 활성 증가유발기전으로 암세포의 자가포식/자연사멸 유도...암세포 성장 억제
그렇다면 진짜 암 대사의 주요 에너지원은 어디서 오는 걸까 김 박사는 Nature Reviews Cancer 저널에 ‘Cancer metabolism: fatty acid oxidation in the limelight’ 제목으로 발표된 리뷰 논문을 소개했다. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3766957/ 그는 “이 논문은 fatty acid oxidation이 암세포대사에 있어서 주요 에너지원일 가능성을 제시하고 있다. NADH는 세포질에서(해당과정 중), 또한 미토콘드리아내에서(젖산유래 피루브산 TCA작동으로 만든 지방산의 산화) 만들어진다. 따라서 세포질에서 생성될 때는 미토콘드리아 기질내로 넘겨주는 MAS 수송체(transporter)가 필요하고, 미토콘드리아 내에서 생성될 때는 NADH가 oxphos기전중 만들어지고 미토콘드리아내막의 ETC를 이용, ATP를 만든다. 주요 골자는 (젖산에서 유래된) lipid(지방산)가 주요 에너지원이라고 보여진다”고 강조했다.......**암세포는 포도당에서 피루브산으로 전환된 후 빠르게 젖산으로 변환시킴...즉, 포도당을 ATP생산, 즉 암세포증식과 생존에 필요한 에너지원으로 직접 쓰고 있는 것이 아니라 오히려 일단은 동화과정((리보스 생산, 단백질의 당화-serine합성 등))에 사용하고 있으며, 또하나, 포도당이 피루브산으로 전환되면서 얻는 ATP를 이용해서 글루타민은 환원형 NADPH를 만들어 지질(지방산)생산에 쓰고 있음....지방산생성은 (아세틸CoA카르복실라제에 의해)아세틸coA가 MalonylcoA로 전환되고 여기에 지방산합성효소가 관여하여 만들어 지게 되는데 암세포에서는 지방산이 극히 중요한 에너지원이며 지방산산화(베타산화)에 의해 분해됨..fatty aldehyde((ROS에 의해 다중불포화지방산이 분해<지질과산화>되어 생성))와 알콜은 동일한 구조의 지방산 대사산물들임
김 박사는 이를 증명하기 위해 수행한 두 가지 연구도 소개했다. 첫째, 글루타미나아제(Glutaminase 1, GLS1)가 폐암세포에서 발현이 높고 중요하다. 비소세포폐암 세포에 GLS1 siRNA 또는 GLS1 저해제(BPTES)를 처리하니 ATP와 NADH가 유의미하게 감소한다는 사실을 확인한 것이다. 이 연구는 78종류의 암 세포주에서 대사 저해제를 처리한 스크리닝을 통해 발견했으며 2016년 Cell death and disease 논문에 발표했다.
그는 “우리는 비소세포폐암이 ATP 생산을 위해 세포질에서 만들어진 NADH에 상당히 의존한다는 것을 발견했다. GLS1은 비소세포폐암에 glutamate를 제공함으로써 전자를 세포질에서 미토콘드리아로 수송해주는 말산-아스파르트산 셔틀(malate-aspartate suttle, MAS)을 통해 세포질 NADH가 미토콘드리아기질내로 이동해서 미토내막에서 ETC에 의한 세포호흡으로 ATP 생산하는데 중요한 역할을 한다”고 설명했다. 동물실험에서 GLS1 저해제 BPTES와 화학항암제 5-플루오로우라실(5-FU)를 병용투여했을 때 항암종양 효과가 나타난다는 것도 확인했다.
두 번째 연구에서는 폐암에서 TCGA 데이터를 분석한 결과 알데히드탈수소효소(ALDH, Aldehyde dehydrogenase...fatty aldehyde를 fatty acid로 전환하므로 fatty aldehyde DH라고도 함)가 폐암에 많이 발현돼있고, ATP 생성에 중요하다는 사실을 확인했다. 연구결과는 2016년 Oncotarget 저널에 발표됐다. 김 박사는 “ALDH 저해제를 처리하니 암세포에서 ATP 생성이 현저히 감소했다. 폐암세포에서 ALDH 저해제 단독 또는 다른 약과 병용 처리시 세포사멸이 일어났다. 정상세포에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았다”고 강조했다. ALDH가 정상세포에서와 달리 암세포에서는 ATP 합성에 중요한 역할을 한다는 설명이다. 그는 “이번 연구에서는 ALDH가 세포질에서 NADH를 생성하고, 또한 NADH를 미토콘드리아로 수송시켜 ATP를 합성한다는 것을 밝혔다”고 덧붙였다.
교모세포종 동물모델에서도 ALDH 저해제를 통해 항암효과를 확인했다. ALDH 저해제인 고시폴(gossypol)과 미토콘드리아 컴플래스I 저해제인 펜포르민(phenformin)을 병용 투여하자 암세포의 증식과 정상적인 뇌조직으로의 침윤이 현저히 줄어들었다. 이 연구는 강석구 연세대학교 세브란스병원 신경외과 교수팀과 공동으로 수행해 ‘NeuroOncology'저널에 2017년 발표했다. 에너지대사 작용을 차단해 암세포의 성장을 막고 사멸시키는 항암제 원리인 것이다.
▲암세포가 ATP 공급을 위해 주로 cytosolic NADH를 사용한다. (그림: 김수열 국립암센터박사 발표자료)
*****암세포내 미토콘드리아의 기능자체는 손상받는 것이 아니고 정상세포 수준으로 유지된다...다만 저산소상태에서는 포도당을, 정상산소상태에서는 젖산을 암세포는 에너지원으로서 사용한다....((아마도 지방산산화효소(Fatty acid oxidase)에 의한 (젖산에서부터 만들어진)지방산의 산화로 얻는 에너지가 암세포의 주된 에너지원으로서 쓰이게 된다)), 이로 인해 상승된 ALDH 1L1(....이것을 차단하는 것이 Gossypol)에 의해 세포질내 NADH가 상승하게 되고 NADH는 MAS(Malate-Asp shuttle)을 거쳐서 미토콘드리아내로 이동, (세포호흡이용 과정 차단은 MC1차단제인phenformin에 의함) 미토콘드리아내 ETC가 가동되면서 ATP를 얻는다...이 때 MAS활성은 GLS1(Glutaminase1...BPTES로 차단 가능)에 의해 생성된 Glutamate에 의해 촉진됨...((글루타민이 글루타메이트로 전환되면 Malate-asp.shuttle을 활성....BPTES로 차단 가능))
두 연구에는 공통점이 있다. 김 박사는 “첫 번째 연구는 GLS1 저해제를 통해, 두 번째 연구는 ALDH 저해제를 통해 암세포의 ATP 생성에 대한 기능을 확인했다. 두 연구의 공통점은 말산-아스파르트산 셔틀(malate-aspartate suttle, MAS)이다. 암세포가 ATP 공급을 위해 세포질 NADH를 주로 사용하고 있다는 얘기다”고 강조했다.
마지막으로 그는 “정상세포에서는 TCA 회로가 돌아가기 때문에 글루코스로부터 생산한 NADH를 이용해서 ATP를 합성한다. 반면 암세포에서는 ALDH가 fatty acid oxidase와 관련해 중간 역할을 하고, 그 결과 세포질에서 만들어진 NADH가 미토콘드리아로 들어가 미토콘드리아내막의 ETC에서 ATP 합성을 하게 된다. 결과적으로 산화적 암 대사조절을 통해 항암제 개발에 새로운 기회가 있을 것이다“고 제시했다.
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**[[MAS]]
암세포에서, 세포질내의 해당과정에서 생성된 NADH와 ALDH1L1에 의해 serine-folate pathway에서 10-formyltetrahydrofolate을 분해하여 THF +이산화탄소를 만드는 과정에서 중간대사물로서 생성된 NADH는 또한 동시에 동 효소의 도움을 받아서 미토막간공간내로 유입됨...일단 그렇게 미토막간공간으로 유입되면, 미토콘드리아내막을 거쳐서 미토콘드리아내부(기질)로 이송되어야 OxPhos를 거쳐서 궁극적으로 ATP를 생성해내고 이것으로 암세포가 필요로 하는 에너지를 공급받게됨......여기에 통로로 쓰이는 것이 Malate-(Oxaloacetate)-Aspartate 셔틀[MAS]과 Glycerol-3-phosphate 셔틀이 있는데, 암세포에서는 MAS가 매우 중요하게 쓰이고 있음.
...... 미토내막에는 두개의 transporter가 존재...두개의 transporter중 하나인 Malate-alphaketoglutarate transporter[MAT]를 통해서는 Malate[Mal]가 미토막간공간에서 기질내로 들어 오고 여기에 NAD+ 가 더해지면(---> NADH가 만들어지게됨) Oxaloacetate[Oaa]로 변환되고, 여기에 glutamate[Glu]가 가세하여 (-->alphaketoglutarate[Akg]로 변환) Oxaloactate는 Aspartate[Asp]로 변환된 다음 또 하나의 transporter인 Glutamate-Aspartate transporter[GAT]를 통해서 미토콘드리아 막간공간으로 나가게 됨..미토막간공간에서 Asp는 aplphaketoglutarate[Akg](-->작용후 Glutamate[Glu]로 변환됨)의 작용하에 Oxaloacetate[Oaa]로 변환, 그후 NADH가 가세(--->NAD+가 됨)하면 Malate[Mal}가 됨.......큰 특징중에 하나는 MAT를 통해 Mal이 유입됨과 동시에 반대로 된 Akg는 막간공간으로 나가고, GAT를 통해서 Asp가 나갈 때 Glu는 유입되어 사이클링이 이루어지고 있으므로 여기에서 고갈되는 성분은 없음.....**암세포에서는 glutaminase(GLS1)가 glutamine을 분해하여 glutamate을 만들어서 공급함..
##정상세포에서 피루브산은 외막의 PORIN을 통해서, 내막의 MPC(Mitochondria Pyruvate carrier)를 통해 미토.기질내로 유입되고, PDH(Pyruvate dehygrogenase)에 의해 AcetylcoA가 됨(( 아세틸coA에 피루브산 카복실라제에 의해 피루브산으로부터 전환된 Oaa가 함께 작용하면((또한 Oaa는 당신생작용으로도 진행)) **MAS가 촉진되면서 막간공간의 NADH가 기질내로 유입되고 **또한, TCA가 가동되면 아미노산, 지방산, ATP등이 그결과 생산되는데, NADH, FADH는 ETC를 거쳐서 ATP를 만들어내게 됨)) #한편, 피루브산과 젖산은 MCT(Monocarboxylate transporter)에 의해 세포내외를 출입한다....암세포에서는 미토콘드리아내의 상대적으로 MPC 발현/활성이 저하되어 있어서 피루브산 이용은 제한되어 있다..
(주#대사를 타깃으로 한 암치료 (1)-(6) http://blog.naver.com/PostList.nhnblogId=ranman&from=postList&categoryNo=40 )
##HIF-1(저산소유도인자-1)의 증가 : 저산소환경 및 PI3K/akt/mTOR 경로 활성결과 증가되어 **해당과정에 필요한 효소들의 발현 증가, **(젖산생성 위해)젖산탈수소효소 발현 증 및. **피루브산 탈수소효소키나제 발현 증가 유도((>>모든 키나제는 인산화를 통해서 다음단계 효소의 활성을 억제!!....이것을 차단하는 것이 DCA로서, 결국 피루브산 탈수소효소 활성증가 효과 발현 --->산소이용도/TCA활성 증가.....그 결과 HIF-1활성 감소 초래됨 --->젖산 생성감소//활성산소 생성 증가 ---> 종양크기 감소))..
......**암세포는 산소가 충분한 조건하에 서도 혐기성 대사(Aerobic Glycolysis)과정을 통하여 2개의 ATP와 2개의 NADH만을 생산하게 된다. 이러한 비효율적인 대사 과정을 이용하는 이유는 암세포가 Glycolysis와 OXPHOS(TCA)중간체를 이용하여 빠른 세포 성장에 필요한 핵산, 아미노산, 지질, 등을 생산해 사용해야 하기 때문이다 (5, 6). 우리가 살을 찌우려면 많이 먹어야 하는 것과 같은 이치로서 실제 암세포는 정상세포의 약 200배 이상 glucose, glutamate를 흡수한다고 알려져 있다. 암세포의 세포대사는 ATP생산이나 효율에 초점이 맞추어 진 것이 아니라 성장에 초점을 맞추어 재프로그래밍 되어 있으며 이를 통하여 암세포는 빠른 세포분열과 성장이 가능하게 된다
**정상산소하에서 암세포는 피루브산을 LDH-A를 통해서 젖산으로 빠르게 전환시키고 세포질내에 쌓이는 젖산을 암세포내의 산성화를 막기 위해 MCT4를 통해 세포밖으로 내어 보내기도 하지만(이로써 Tc및 NK세포의 공격 및 대부분이 염기성인 항암제의 공격을 경감시키고, 암조직의 섬유아세포 및 단핵구에 젖산을 보내어 포도당신생작용을 거쳐 그 포도당을 이용하고.....혈액을 통해서.간으로 보내어(Cori회로) LDH-B를 통한 피루브산으로 전환, 이어서 포도당1분자 생성에 6ATP를 소모하는 당신생작용을 통해서 포도당을 만들어 시용하게 됨, 이로 인해 극심한 에너지소모와 권태감이 유발된다) 또한 MCT1를 통해 미토콘드리아내로 들여보내서 LDH-B를 통해 피루브산으로 전환, 2-oxoglutarate(알파케토글루타르산)을 억제함으로써 HIF-1a의 발현을 촉진, 이로 인해 VEGF분비가 증가/신생혈관생성증가가 일어나게 된다.
......DCA와 함께 METF((미토콘드리아 Resp.complex 1=MC-1을 억제/ATP생성장애/지방산생성억제/활성산소발생증대시킴으로써 항종양효과 발생))투여시 항종양효과는 배증됨<이 때 B1투여가 필요 : TCA활성증가로 소모됨 !!>.
......실리마린과 Diidolymwthane(DIM)은 직접적으로 HIF-1을 억제/항암제치료나 방사선요법 효과 증강시킴...DCF는 피루브산으로부터 (LDH-A 매개) 젖산생성을 차단시킴으로써 면역억제를 해제..
......알파리포산 및 DCA((피루브산 DH작용 =아세틸coA로 변환증가...TCA활성 촉진)) + 가르시니아캄보지아((히드록시구연산 : ATP구연산분해효소(구연산의 아세틸coA 변환)억제, 그 경로를 따라 지방생산되는 것을 차단)), 스타틴((HMGCoAR억제 통해 메발론산생성/그 결과 암당단백질 및 콜레스테롤 생성 억제)) 겸용시 암세포 증식억제!!
......여기에 암세포가 이용할 수 없는 에너지원으로서 케톤체(MCT)와 지방산 투여를 늘려주는 케톤식이요법을 하면서 2-DG(포도당이 포도당-6-p가 되는 것 억제)를 투여시 ((포도당 소스를 줄이고)).......펜토스포스페이트 경로가 줄어들게 되므로((이때, NADP--->NADPH가 되고 이는 항산화작용=환원력이 있음)), 또한 원래 항산화/환원작용이 있는 피루브산이 TCA로 들어가서 빠르게 소모됨..
......디설피람/다이진Daidzin의 ALDHs억제, 메트포르민과 레스베라트롤의 글루타민 이용 억제(GLDH차단)는 그 결과 지방산생성을 감소시킴 통해서, 메트포르민과 레스베라트롤, 베자피브레이트(베자립-종근당)은 미토콘드리아신생촉진/ETC가동증가로 인한 활성산소생성증대를 통해서 암세포 억제작용 발현..
>>2017. 1. 25 암세포의 포도당 대사 특징(PKM2 경로 의존성 대사) .... 암대사 특성을 이용한 치료 https://blog.naver.com/forally
항암 식단, 암 환자 식단을 구성할 때, '정상세포는 PKM1 경로를 이용하고 암세포는 PKM2 경로를 선호하는 특성'을 활용하면 케톤식이(ketogenic diet)와 같은 극단적인 포도당 제한 식이를 택하지 않고도 암세포 증식을 차단할 수가 있다. ((정상세포는 PKM1을 이용하여 포도당을 ATP 생산에 전부 사용하는 반면, 증식하는 암세포는 엄청난 양의 포도당을 흡수하여 PKM2를 이용, 증식에 필요한 세포 구성 재료를 만드는데 사용한다.))
고도의 지응형세포인 암세포는 항암제의 공격에 대해 신속히 저항성을 획득하는 뛰어난 대응 전술과 대사 경로의 유연성을 보면 고도화된 지능이 탑재되어 있다는 사실을 알 수 있다.
또한, 암세포는 포도당을 에너지 원으로만 이용하는 것이 아니라 증식에 필요한 분자 구성요소(molecular building blocks) 생산 재료로도 사용하는데, 이 두 경로를 정교하게 조절하는 PKM2라는 효소가 암세포의 운영 체계 안에 있다..
암세포는 에너지가 필요할 때는 PKM2가 다른 3개의 PKM2와 결합, 당분해를 진행시켜 에너지를 생산하는 반면, 암세포가 증식할 때는 PKM2가 1개의 PKM2와 결합, 에너지 생산을 거의 차단하고 세포 구성 재료를 만드는데 포도당을 전용한다.
PKM2는 당분해 효소인 피루브산 인산화효소(pyruvate kinase: '포스포에놀피루브산 + ADP ---> 피루브산 + ATP' 반응을 일으키는 효소)의 동종효소(isozyme)*로서 PK가 분포되어있는 조직에 따라 M(뇌, 근육), L(간), A(태아) 형이 있다. PKM2는 암세포에서 해당반응의 주 조절자(master regulator) 역할을 한다. ((*동종효소(isozyme): 기질특이성은 같은데, 분자 구조는 서로 다른 효소를 동종효소라고 한다.))
암세포는 에너지가 필요할 때는 PKM2 4개를 결합(테트라머, tetramer라고 한다) 하여 ATP 생산 시스템을 가동하고 증식이 왕성할 때는 두 개를 결합(다이머, dimer라고 한다) 시켜 새로운 암세포를 만드는데 필요한 원료(핵산, 인지질, 아미노산) 생산 시스템으로 전환한다.
항암 식단, 암 환자 식단을 구성할 때, '정상세포는 PKM1 경로를 이용하고 암세포는 PKM2 경로를 선호하는 특성'을 활용하면 케톤식이(ketogenic diet)와 같은 극단적인 포도당 제한 식이를 택하지 않고도 암세포 증식을 차단할 수가 있다. ((정상세포는 PKM1을 이용하여 포도당을 ATP 생산에 전부 사용하는 반면, 증식하는 암세포는 엄청난 양의 포도당을 흡수하여 PKM2를 이용, 증식에 필요한 세포 구성 재료를 만드는데 사용한다.))
커큐민(강황.....돌연변이 암세포 사멸, 암세포단백 억제, 신생혈관억제 ), 레스베라트롤(포도껍질), EGCG(녹차 추출물.... PK M2뿐 아니라, 알파케토글루타레이트로 변환하는 글루타메이트 탈수소효소 차단)와 같은 안전한 천연물이 암세포의 PKM2 경로를 차단하므로 암 환자들이 탄수화물 식사를 할 때는 이들 영양소를 첨가하여 드시는 것이 좋다. 또 한 가지, 스트레스가 PKM2 활성에 직접적인 영향을 미치므로 편치 않은 주위 상황조차도 '감사'라는 필터를 통해 바라보려는 의식을 강화할 필요가 있다. ---스트레스(감염이나 정서적 스트레스)에 노출되면 HIF-1활성거쳐 PKM2 활성이 증가되어 세포증식이 왕성해진다.
한편 설포라판은 히스톤 탈아세틸화효소(HDAC), 텔로머라제 억제작용/ 강력한 항암작용 + 특히 암 줄기세포(cancer stem cells)의 증식 억제/생존능력 저해...액트엔(커큐민200-흑후추 적량-설포라판100-실리마린50-EGCG100-비타민C30)은 결국 암예방뿐 아니라 암치료까지!! + METF-ALA-DIM-HCA//BBK-VAS-BZL-DSF//DCF(NSAID)-PPI//DOXY
***커큐민 : <항염(NFkB억제)--암세포로 변형 억제--돌연변이 암세포 자살 촉진--암신생혈관억제-항암제 내성 해제>거의 모든 암에 대해 다양한 기전으로 치료효과 보조
......[항암메커니즘] 01. 염증매개 단백질 NF-kB가 종양촉진인자(COX-2, 5-OLX)들과의 결합 결과 발생하는 종양의 형성과 분화를 원천 봉쇄...02. 세포에 돌연변이를 유발하는 물질집단(인터루킨, TNF-α, Bcl-2)이 세포와 결합하는 것을 차단, 종양의 DNA복제를 억제....03. 암세포가 영양과 산소를 공급받기 위해 만들어 내는 신생혈관(VEGF)을 차단, 종양이 커지는 것을 억제...04. 이미 형성된 암세포가 종양촉진 유전자들의 도움을 받아 다른 부위로 전이를 일으키는 것을 억제.... 05. 항암제와 방사선치료에 내성 유발하는 기전 차단//항암치료 감수성 회복...다재내성(MDR)암세포를 효과적으로 억제
.......항암제 내성은 Keap1 ((p62와 NRF2 억제기능자))감소/p62-autophagy 시스템 활성 항진, NRF2시스템 활성 항진 등의 불균형으로 유발되는 것인데 Keap1전사의 활성 및 p62-NRF2 시스템을 억제조절하는 기전으로 항암제 감수성을 회복시킴..
.......커큐민은 (a) cyclin-dependent, (b) p53-dependent and (c) p53-independent pathways의 3가지 형태로 암세포사멸에 관여......손상된 DNA에 직접 작용하거나 Myc(정상세포의 세포성장정지(G2/Mcell arrest) ...종양생성에 직접적으로 관련) 또는, Ras(세포자살)인자의 활성화를 통해 세포자살을 유발시킴.....이때, Myc, Ras는 모두ARF(ADP-ribosylation factor)를 족진시켜서 p53항종양단백 활성을 돕는다(정상세포에 있어서 Myc, Ras는 세포 휴지기 G0에서 세포분열기 S0로 넘어가는데 있어서 꼭 필요하고, p53항종양단백은 손상된 DNA를 가진 세포가 정지되고 세포자살을 일으키도록 수복을 선택할지 아니면 세포자살을 선택할지를 결정하는데 ARF(ADP-ribosylation factor..p14ARF종양억제인자)와 사이클을 이루어 조절..
@해당작용을 보면, 포도당이 피루브산이 되면서 2 ATP 와 2 NADH + 2H+를 생성, 피루브산은 2 NADH 및 2H+와 결합하여 젖산2분자가 됨(=젖산발효)
@젖산은, 암세포내에서 생성된 후 세포외로 배출되어 암세포에서 생산되는 NDRG3와 젖산과 결합하면 암신생혈관생성 증가, 종양외부를 산성화하여 Tc, NK cell의 면역 기능 약화시키고,. 대부분 염기성인 항암제의 작용을 감소시킴
<<암세포내 에너지 생성에 있어서 NADH-ETC연결고리 요약>>
[세포질내]
1.해당과정 : 피루브산 생성-->젖산 생성 -->(정상)간내에서 Cori회로가 작동 LDH에 의해 다시 피루브산이 됨
2.해당과정 영항으로, Serine synthetase경로 가동촉진시킴...이 결과 THF는 10-formyl THF가 되고 이는 ALDH 1L1에 의해 THF+CO2+NADH를 생성((**차단 : Gossypol))
3.한편, (젖산과 글루타민은 지방산 합성의 소스가 되고 있다)지방산의 산화로 생긴 지방산 알데히드 ----(ALDHs에 의해)--->지방산+NADH를 생산((**차단 : Gossypol))
[미토콘드리아막]
1.세포질에서 NADH의 막간공간으로 이동을 ALDH 1L1이 용이하도록 돕는다
2.막간공간에서 미토콘드리아 기질내로의 NADH 이송에는 MAS가 관여
3.미토콘드리아 기질내에서
-----TCA를 통해 생성된 NADH및 세포질에서 유래한 NADH는 미토콘드리아내막의 ETC에서 ATP를 생산((**차단 : phenformin))
-----기질내에서 글루타민Gln ---(Glutaminase1 : GLS1에 의해)--->글루타메이트Glu가 되고((**차단 BPTES)) MAS 구성요소로 사용
[세포질내]
미토콘드리아에서 생산된 ATP는 세포질내에서 CPS II 활성과정에 에너지 공급원으로 사용
bicarbonate +Gln ---(CP Synthetase II)--->carbamoyl phosphate --->orotate---(add PRPP)----->dUMP.(deoxyuridine momophosphate)---(thymidylate synthetase.TYMS에 의해)---dTMP(deoxythymidine ...)가 됨((**TYMS 차단 : 5-FU))
>>2018/01/23암 세포 에너지 대사 차단해 암 치료 성공
- 고시폴과 펜포르민 병용 투여로 증식 억제하고 생존기간 늘어 -- 악성 뇌암인 ‘교모세포종’ 치료 가능성 열어-
암을 굶겨 죽여 치료할 수 있다는 연구결과가 나왔다. 에너지대사 작용을 차단해 암세포의 성장을 막는 원리다. 이번 연구결과로 난치성 암 치료에 새로운 돌파구가 마련됐다.
연세대학교 세브란스병원 신경외과 강석구 교수팀(박준성, 심진경)과 국립암센터 암미세환경연구과 김수열 박사는 대표적인 뇌종양의 일종인 ‘교모세포종’에서 에너지대사 과정을 약물로 차단해 증식과 침윤을 현저히 줄일 수 있는 방법을 개발했다고 23일 밝혔다. 연구 결과는 지난달 세계적인 신경종양학회지 ‘뉴로온콜로지(Neuro-Oncology’에 발표됐다.
뇌신경은 신경세포(뉴런)와 신경교세포로 이뤄진다. 신경교세포는 신경세포를 지지하거나, 영양 공급과 노폐물 제거 등의 역할을 한다. 신경교세포에 생기는 악성종양인 교모세포종은 가장 대표적인 악성 뇌암의 일종이다. 교모세포종은 성장 속도가 빨라 뇌압 상승으로 인한 두통과 뇌의 이상 자극으로 인한 경련이나 기억소실, 성격변화 등을 일으킬 수 있다. 안면마비와 언어장애, 인지기능 저하 같은 증상도 동반한다.
교모세포종의 표준치료법은 수술로 종양을 제거한 후 방사선 치료와 항암요법을 함께 시행하는 것이다. 하지만 평균 생존기간이 14.6개월에 불과한 대표적인 난치암이다.
교모세포종을 비롯해 암세포는 성장과 증식을 위해 에너지대사가 활발한데, 연구팀은 암세포의 에너지 생산을 억제해 증식과 침윤을 현저히 줄일 수 있는 치료법을 실험을 통해 확인했다.
연구팀은 암세포에서 에너지 생산에 관여하는 알데히드탈수소효소(ALDH)와 미토콘드리아 컴플랙스 I을 각각 고시폴(gossypol)과 펜포르민(phenformin)으로 병용 억제했다. 실험 결과 암 증식에 필요한 에너지의 50% 이상을 억제 할 수 있었다.
동물(마우스)실험 결과에서도 두 약물을 함께 투여하는 병용요법에서 생존기간이 늘어난 것을 확인했다. 아무런 치료를 하지 않는 교모세포종 이식 마우스의 경우 생존기간이 평균 42일이었지만 고시폴과 펜포르민을 함께 투여했을 때 생존기간은 50%이상 늘어난 62.5일이었다. 고시폴(53.5일)이나 펜포르민(50.5일)만 단독 투여한 경우 대조군에 비해 생존율 향상 효과는 있었으나 크지 않았다.
암세포의 에너지대사과정을 억제함으로써 암의 증식과 침윤을 억제할 수 있다는 이번 연구결과로 교모세포종 치료제 개발이 탄력을 받을 전망이다. 지금까지 다양한 표적항암제 연구도 이뤄지고 있지만 아직 뚜렷한 성과는 나오지 않고 있다. 암세포의 경우 항암제에 내성을 가지는 경우가 많아 특정 기전을 차단하더라도 다른 경로를 통해 성장하기 때문이다.
특히 암의 일반적인 에너지대사과정을 표적으로 치료하기 때문에 암세포의 약물 저항성을 극복해 교모세포종뿐만 아니라 일반 고형암 치료에도 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다.
강석구 교수는 “고시폴과 펜포르민의 병용요법으로 암이 정상 뇌 조직을 침윤하지 못하도록 성장을 억제하는 효과가 있다는 사실이 확인됐다”면서 “빨리 성장하는 암은 많은 경우 알데히드 탈수소 효소의 발현이나 활성도가 증가돼 있고, 다른 고형암에서도 암세포의 대사 과정은 임상에서 적용되지 않는 표적이었기 때문에 이번 치료법 개발은 암치료의 새로운 방향성을 제기한 획기적인 발견 이라고 할 수 있다”고 말했다.
한편, 연구팀은 이번 연구결과를 기술이전해 치료제 개발을 진행 중이며, 향후 이를 토대로 환자 대상 임상시험을 준비 중이다.
>>2016/09/23국립암센터-연세대학교 의료원, ‘암세포만 괴사 시키는 항암제’ 기술이전 협약- 23일, 하임바이오에 '암대사조절 항암제' 기술이전 -
국립암센터(원장 이강현)와 연세대학교 의료원 산학협력단(단장 박민수)은 9월 23일 바이오벤처기업인 (주)하임바이오와 '암대사조절 항암제 특허'에 대한 기술이전 및 공동 연구에 대한 협약을 체결했다.
암대사조절 항암제는 암세포의 대사 경로를 차단해 암세포를 괴사시키는 새로운 암치료제이다. 화학적 독성으로 암세포를 죽이는 기존의 독성 항암제와 달리 암세포만의 특징인 에너지 대사를 표적으로 하기 때문에 정상세포에는 영향을 주지 않으면서 암세포만 굶겨서 괴사시킬 수 있는 획기적인 방식이다.
국립암센터 기초실용화연구부 김수열 박사 연구팀은 폐암세포가 알데히드 탈수소효소(ALDH)에 의한 에너지 생산에 의존하는 것에 주목했다. 연구팀은 ALDH를 억제하는 비페놀성 화합물질을 투여하면 암 세포가 에너지 결핍으로 결국 사멸에 이르다는 사실을 확인했다. 또한 이와 함께 암 세포의 포도당 대사를 억제하는 바이구아나이드와 병용할 경우, 항암효과가 훨씬 높아진다는 사실도 밝혀냈다.
더 나아가 연구팀은 세브란스 병원의 암 대사 연구를 이끌고 있는 정재호 외과 교수 및 강석구 신경외과 교수와 공동 연구를 통해 이 항암제가 위암과 뇌종양에도 탁월한 효과가 있다는 것을 밝혀내고, 관련해 공동 특허를 출원했다.
국립암센터와 연세대학교 의료원은 기술이전을 통해 하임바이오와 협력해 전임상 및 임상시험에 더욱 박차를 가하는 한편, 폐암, 뇌종양, 위암뿐 아니라 다양한 암종으로 적용 범위를 확대해나가는 연구를 지속할 계획이다.
이강현 국립암센터 원장은 “이 기술은 구토, 탈모와 같은 전신적 부작용이나 내성발현과 같은 한계를 지닌 기존 항암제와 달리 정상세포에 해를 주지 않으면서 완치를 기대할 수 있는 신개념의 치료제”라며 “조속한 시일 내 임상시험을 마치고 상용화에 성공해 많은 난치성 암 환자들에게 희망을 줄 것”이라고 밝혔다.
박민수 연세대학교 의료원 산학협력단장은 “연세대학교 의료원의 연구진은 의료현장에서 얻은 경험과 창조적 아이디어를 접목하여 암환자에게 실질적이고 효과적인 치료제를 개발하는데 정진할 것이며, 이번 사례는 새로운 항암제 개발의 모범적인 산학협력 모델이 되었다”고 말했다.
[[Aldehyde dehydrogenase inhibition combined with phenformin treatment reversed NSCLC through ATP depletion]]
Joon Hee Kang,#1 Seon-Hyeong Lee,#1 Jae-Seon Lee,1 Boas Nam,2 Tae Wha Seong,1 Jaekyoung Son,2 Hyonchol Jang,1 Kyeong Man Hong,1 Cheolju Lee,3,4 and Soo-Youl Kim1
Oncotarget. 2016 Aug 2; 7(31): 49397–49410. Published online 2016 Jun 30. doi: 10.18632/oncotarget.10354 PMCID: PMC5226516
***암세포는 일차적으로, 저산소상태에서는 포도당을 피루브산으로 전환시키고((이 과정에 2ATP 2NADH 생산)서, 정상산소상태에서는 피루브산으로부터 빠르게((ATP를 써서)) 젖산으로 전환시키는 과정에 ATP를 생산해서 사용중임((필요시에는 젖산은 피루브산으로 전환되어 암세포내 미토콘드리아로 유입, TCA-OxPhos사이클을 가동해서 ATP생성함)), 즉 호기성해당과정으로 주로 ATP를 얻는다고 알려져 있음.....그러나, 예상과는 달리 해당과정에 쓰이는 요소들을 차단해도 암세포 증식억제가 안되므로, 다른 변형된 암세포의 ATP생산기전이 있을 것으로 생각((이것은 지방산 산화를 통한 ATP생산기전!!))....
.......일단 암세포의 세포질에서 해당과정중에 생산된 ATP는 미토콘드리아외막의 VDAC, 내막의 ANT2단백질을 통해서 미토콘드리아내로 유입되어 TCA-OxPhos사용되고, 분해된 ADP+Pi는 역순으로 세포질로 나감.((정상세포에서는 MOM-VDAC, MIM-ANT1/3를 거쳐서 들어오고, TCA-OxPhos결과 생성된 ATP들은 역순으로 세포질로 나감))
.......한편, 암세포는 해당과정외에 정상세포와는 전혀 다른 새로운 지방산산화과정을 수행한다고 생각...아세트알데히드탈수소효소(ALDH)의 isoform들중 하나인 ALDH1L1의 상승으로 인한 중간산물인 NADH의 생산 증가되어 있다!!
......암세포내 미토콘드리아는 ((예전에 추측한 바와 같이))손상 입은 상태가 아니고, 단지 정상세포에서는 없는 전혀 다른 새로운 대사과정을 통해서 미토콘드리아의 OxPhos를 수행하고 있는 바 산화인산화( OxPhos)는 아세트알데히드탈수소효소(ALDH)의 isoform들중 하나인 ALDH1L1의 상승으로 인한 중간산물인 NADH생산 증가 및 동 효소의 도움으로 MAS(Malate-asp.shuttle)을 거쳐서 미토콘드리아내로 NADH가 이동되어서 미토콘드리아내에서 OxPhos로 인한 ATP의 생산에 사용된다는 것......((한편, ALDH1L1이 증가하는 기전으로서는 지방산 산화 기전의 존재를 추측할 수 있음))...또한 미토콘드리아내에서 Glutaminase1(GLS1)에 의해 글루타민으로부터 전환된 Glutamate는 MAS를 촉진시켜서 미토콘드리아내에서 NADH 농도 증량에 관여한다고 생각하고 있음..
......따라서 ALDHs(특히, ALDH1L1)을 선택적으로 차단하는 Gossypol((ALDH specific inhibitors에는 daidzin and disulfiram이 있으나 Gossypol만큼 ALDH1L1을 차단하지는 못함)), GLS1을 차단하는 BPTES를 각각 따로, 또는 동시에 투여시 암치료효과가 발현됨........한편, Phenformin은 미토콘드리아 복합체1(MC1)을 억제시키는 기전으로 미토콘드리아내에서 NADH를 사용하는 OxPhos를 차단하는 것으로 보임....하여 Gossypol과 Phenformin을 동시투여시 암세포ATP생산이 73~80%까지 감소하였음..
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**Warburg-reverse Warburg : Warburh효과는 암세포자체가 aerobic glycolysis를 일으킨다는 이론.......반면에, 암세포는 자체에서 생산한 ROS를 이용해서 암세포주위 Stroma의 cancer-asso.fibroblast에 산화스트레스를 주어서 host-parasite관계, 즉, CAF로 하여금 aerobic glycolysis 통해 젖산과 케톤,피루브산, 생화학적 빌딩블록(글루타민등 아미노산들, 뉴클레오티드등)을 생산하게 하고, CAF의 Mono-carboxylate transporter MCT4, 암세포의 MCT1 로 구성되는 젖산 셔틀을 통해 젖산-케톤-피루브산-기타 생화학적 빌딩블록등 을 암세포내로 이송시킨다음 암세포내 TCA회로를 통해 OxPhos를 진행[two-compartment metabolic coupling=Reverse Warbug Effect]..이 때, Metformin은 AMPK를 차단하는 기전으로, DCA는 PDHK를 차단(암세포내 미토콘드리아 원상회복..이로써 암세포자살 유도)하는 기전으로 치료효과 발현........CAF의 Caveolin-1소실상태는 strong glycolysis +Autophagy의 증거로서 재발-전이-신생혈관 증식-약제내성 초래
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Metf2000/Simva40or 1/2(Castration-R PC) ALA600+HCA(250mg/Kg)..poss.Metf1000-Ala600-Simva20 |
제 목 : 항암보조치료 암세포에너지원
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