제주도 특산식물 솔비나무로부터 의약용 신물질 MFA 기술개발
중앙대학교 약학대학 약학부 김하형 교수
이 신물질은 식물유래 신물질 연구에 관한 국제학술지 Plant Science 2004년 12월호에 게재됐으며, 국내외에 특허출원을 하였고, 국내외 학회(국제렉틴학회, 대한약학회, 한국생화학분자생물학회등)에서 그 효과를 인정받아 앞으로 의약학 관련연구에 파급효과가 클 것으로 기대된다.
연구진은 이 MFA를 시간과 비용이 많이 드는 항암제 개발에 앞서 우선 연구용 시약의 용도로 전세계 관련 시장에 수출할 계획이다.
1. 연구배경
최근, 미국 MIT공과대학이 발행하는 <Technology Review>에 인류 생활에 큰 변화를 가져올 혁신적인 신기술 10개 분야를 선정하였다. 그중에는 무선센서 네트워크, 나노 태양전지, 메카트로닉스, 분자 영상기술 등과 함께 생명과학 분야로는 유일하게 글라이코믹스3) 분야가 선정되었다.
그동안 지속적으로 연구되어 온 핵산관련 유전체학과 단백질관련 프로테오믹스(단백질체학)만으로는 설명하기 힘들었던 생명현상을 명확하게 밝힐 수 있는 물질로 당(탄수화물)을 이용한 글라이코믹스 분야는 새로운 개념의 신약개발과 직접적인 관련이 있다. 예를 들어 단백질의 기능발현에 중요한 역할을 하는 당이 단백질에 결합하거나 해리된 경우 기존의 의약품보다 더 효능이 뛰어난 사실에 기인하여 이를 실제 제품화로 추진하고 임상시험중에 있는 몇 후보물질도 있다.
글라이코믹스를 직접 실현시키기 위한 중요한 연구분야로 세포 표면의 단백질, 지질에 존재하는 당의 조성, 구조 및 그 기능에 대해 연구하는 당생물학4)이 큰 주목을 받고 있으며, 특히, 당단백질, 당지질에 결합된 당은 다양한 생리현상(세포의 암화, 암전이, 박테리아의 숙주세포로의 감염, 면역 담당 세포의 분화 유도, 수정, 발생 및 분화과정에서 세포간의 인식 등)에 관여하고 있는 것으로 알려져 있다.
한편, 생체를 구성하고 있는 세포는 막을 사이에 두고 세포자신과 외부를 구별하고 있다. 세포막에는 여러 세포간 접착분자가 존재하고 있고, 이를 통하여 여러 생물학적인 정보가 외부로부터 세포내에 전해지게 된다. 이 세포간 접착분자의 중요한 일례로 당결합 단백질인 렉틴5)을 들 수가 있다. 렉틴은 단당 혹은 올리고당과 특이적으로 결합하는 단백질의 총칭으로 적혈구를 응집시켜 침강시키는 작용이 잘 알려져 있고, 혈액형을 분류하기도 하며, 최근에는 암세포를 특이적으로 응집시키는 기능이 밝혀지는 등 다양한 기능을 갖고 있다.
즉, 렉틴은 특정한 구조를 갖고 있는 당과 결합할 수 있게 되며, 렉틴성 물질을 갖고 있는 세포와 그것에 결합하는 당을 가지고 있는 세포간의 선택적 정보교환을 성립하게 한다.
이 연구에서는 세포가 암화가 진행된 경우 그 분포비율의 극적인 변화가 보고된 시알산의 일종인 N-아세틸뉴라민산의 구조적 특징에 따라 선별적으로 인식하는 렉틴을 제주도 특산식물인 솔비나무에서 분리, 정제하여 그 응용성을 밝혔다.
2. 연구현황
솔비나무 줄기로부터 얻어진 단백질원액을 이용하여 적혈구응집반응과 저해반응을 실시하고 시알산만을 선택적으로 인식하는 신규 렉틴의 존재를 확인하였으며, 이를 몇 차례의 분리 단계를 거쳐 렉틴 MFA를 단일성분으로 분리하였다. MFA는 질량분석법등에 의해 약 3만의 분자량이 4개 결합된 단백질임을 확인하였다. 또한, 이 렉틴은 암세포 표면의 특정 당 구조를 선택적으로 결합하는 것을 확인하였다.
아미노산서열 분석을 통해 기존에 보고되어 있지 않은 신규 렉틴임을 확인하였고 온도, 금속이온, pH에 대한 특성을 밝혔으며, 특히, 사람유래 암세포인 유방암 MCF-7, 멜라노마 G-361, 간암 SNU-449 세포에 대한 항암활성을 확인하였다.
또한 MFA를 아미노산 서열 분석과 유전자 클로닝6)을 통해 렉틴을 대량생산 할 수 있는 발현계를 구축하였다.
3. 연구성과 및 향후계획
연구진은 이 연구에 의해 얻어진 신물질 MFA를 덴마크 코펜하겐에서 열린 세계적 권위의 제20회 국제렉틴학회에 주최자인 코펜하겐대학의 요한센 교수의 초청으로 <솔비나무 줄기로부터 얻어진 시알산 결합 렉틴의 분리, 특성 및 암세포 독성, Purification, characterization, and cytotoxicity of a sialic acid-specific lectin from the bark of Maackia fauriei> 라는 제목으로 2002년 5월 발표하여 크게 주목을 받았다. 또한 국내에서는 대한약학회, 한국생화학분자생물학회 등에서 그 결과를 발표하였다.
<솔비나무로부터 추출된 렉틴 단백질 그의 제조방법 및 용도>로 국내 특허출원(제2001-27943호, 2002년 4월) 하였으며, 이를 <Lectin protein prepared from Maackia fauriei, process for preparing the same and the use thereof>로 국제특허를 출원(PCTKR02/00894, 2002년 4월) 하였다.
최근에는 그 연구결과를 국제학술지에 <콩과식물인 솔비나무로부터 얻어진 시알산 결합 렉틴, A sialic acid-binding lectin from the legume Maackia fauriei: comparison with lectins from M. amurensis>라는 제목으로 Plant Science 2004년 12월호(페이지 1315-1321)에 발표하였다.
제주도 특산, 자생식물로부터 얻어진 이 신물질 MFA는 국내외 특허권을 국내 연구진이 확보하고 있으며 분리, 정제 및 대량 생산 기술을 확립하여, 상용화시 국가적으로 막대한 부가가치가 기대된다.
최근 전 세계적으로 난치병 연구에 대한 생명공학 관련 연구비의 기하급수적인 증가로 다양한 의약학 관련 시약들이 연구에 필요하게 되었으며, 특히 암세포와 관련된 이 신물질 MFA는 관련 연구에 필수적으로 필요한 재료로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 최근 진단시약, 항암제로서의 가능성까지 바라볼 수 있게 되었다. MFA는 현재 국내외 바이오 관련회사와 기술협약 체결 중에 있으며, 우선은 막대한 비용과 시간이 소요되는 임상실험에 들어가기 앞서 연구용 시약의 용도로 2005년경에 상용화될 예정이다.
용어설명
1) 시알산(sialic acid) : 시알산은 N-아세틸뉴라민산, N-글리코릴뉴라민산, O-아세틸시알산등과 같은 약 30개의 유도체를 지칭하는 물질로, 세포간의 상호작용이나 바이러스, 펩타이드 호르몬, 독소 등의 수용체로써 중요한 작용을 하는 것으로 알려져 있다.
2) 미사일요법(missile therapy) : 최근 의약 전달 체계의 한 방법으로 환부에만 선택적으로 작용시켜 치료하는 약제의 표적화 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 항암제의 경우 일반적으로 독성이 강하여 정상세포에도 손상을 초래하는 경우가 많아 이를 극복하기 위한 수단으로 암세포에만 선택적으로 작용하여 약효를 발휘하게 하는 미사일형 항암제는 약제의 효율을 증가시키고 부작용을 감소시키는 이상적인 형태의 투여방법으로 볼 수 있다.
3) 글라이코믹스(glycomics) : 글라이코믹스는 그동안 단순히 영양소 또는 생체물질의 골격을 유지하는 역할정도로 알려져 큰 주목을 받지 못했던 당이 최근 다양한 생물정보를 포함하고 있음이 증명되고 생명현상에 깊이 관여한다는 사실이 밝혀지면서 차세대 핵심 연구분야로 떠오르고 있으며, 주 연구대상은 당단백질, 당지질, 다당체 등 당과 결합되어 있는 생체고분자 및 관련 생물의약품등이다.
4) 당생물학(glycobiology) : 생체 내 올리고당의 구조가 점점 밝혀지면서 최근 사람과 같은 고등동물의 당단백질 혹은 당지질에 관해서 생리적, 병리적 프로세스에 중요한 세포접착에 올리고당이 어느 정도 관여하고 있는가가 집중적으로 논의되고 있다. 즉, 세포표면의 올리고당과 이들을 인식하는 인식분자의 상호작용은 세포 접착을 통하여 세포상호간의 위치관계를 결정하며 세포의 기능을 제어하고 유전자 발현의 패턴을 결정하게 된다. 이와 같은 올리고당을 통한 세포 상호작용은 다양한 당인식 분자와 당 표출 분자간의 정보교환에 의해 특이성 및 인과관계가 결정되며, 이와 관련된 분야를 주로 연구하는 당생물학은 십수년전 부터 영국 옥스퍼드대학교의 드웩(Raymond Dwek)교수에 의해 본격적으로 연구되기 시작하였다.
5) 렉틴(lectin) : 렉틴은 당과 특이적으로 결합하는 단백질의 총칭으로 세포 표면 혹은 그 구성단백질에는 복수의 당으로 연결된 올리고당을 가지고 있는데, 그 중에서 어떤 특정한 구조를 갖고 있는 당만이 렉틴과 결합할 수 있게 된다. 당과 렉틴과의 결합은 특이적이면서 렉틴을 갖고 있는 세포와 그것에 결합하는 당을 가지고 있는 세포간의 선택적 정보교환을 성립하게 한다.
6) 유전자 클로닝(complementary DNA cloning) : 메센저 RNA를 주형으로 역전사 효소를 사용한 상보적 DNA를 합성하고 발현 벡터에 삽입한 후 클로닝을 실시하여 생리활성을 유지하고 있는 재조합 단백질을 생산하는 기술을 말하며, 이를 통해 단백질의 대량생산이 가능해 지게 된다.
과제개요 및 김하형 교수 이력사항
Ⅰ. 과제개요
과제명 : N-acetylneuraminic acid 결합 렉틴의 분자인식기구 및 생리적 기능 (과학기술부와 한국과학재단이 지원한 특정기초연구사업)
연구자 : 김 하 형
Ⅱ. 연구책임자 주요이력
성명 : 김 하 형(金夏亨, Kim, HaHyung)
주소 : 중앙대학교 약학대학 약학부
학력 :
1983-1987 중앙대학교 약학대학 약학사
1989-1991 일본 동경대학 약학부 제약화학전공 약학석사
1991-1994 일본 동경대학 약학부 제약화학전공 약학박사
경력 :
1992-1994 일본 동경대학 약학부 Teaching assistant
1995-1996 영국 옥스퍼드대학교 Glycobiology Institute 박사연구원
1996-현재 중앙대학교 약학대학 조교수, 부교수, 현재 정교수
2000-2004 중앙약사심의위원회 약효및의약품안전대책분과위원회 위원
2000-2002 식품의약품안전청 의약외품과 화장품규격심의위원
2001-현재 American Society for Biochemistry and Molecular Biology 정회원
2001-현재 The Japanese Society of Carbohydrate Research 정회원
2002-현재 Society for Glycobiology 정회원
2001-2002 대한약학회 학술위원
2000-2002 탄수화물연구회 총무이사
2003-2004 한국생화학분자생물학회 뉴스지편집워원
2003-현재 대한약학회 총무간사
◇ 관심분야 : 한국산 자생생물로부터 의약학 관련 신물질 개발
◇ 연구실적 : 2004년 11월 현재, 국내외 발표논문 41편, 국내외 학회발표 90회, 국내외특허출원및등록 8건, 저서 3권, 대학원 석박사 13명 배출, 현재 박사 3명, 석사 7명 학위논문 지도중.
웹사이트: http://www.kosef.re.kr
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