[그림1] PCSK9 단백질의 염증 유발 기전. PCSK9과 CAP1의 결합에 의해 PKCδ와 SYK가 활성화되고, 뒤이어서 여러 신호전달체계가 활성화된다. 궁극적으로 단핵구가 흥분하게 되며 인체에 염증을 유발한다. 

LDL 콜레스테롤 수치를 높인다고 알려진 ‘PCSK9 단백질’이 염증을 유발해 심혈관질환을 악화시키는 기전을 국내 연구진이 최초로 밝혔다. 

이 단백질 기전을 활용하면 콜레스테롤 조절뿐 아니라 심혈관질환 예방에도 효과적인 신약을 개발할 길이 열릴 것으로 기대된다.

서울대병원 순환기내과 김효수 교수팀(의생명연구원 장현덕 교수, 신다솜 박사, 김성찬 박사과정 (사진 왼쪽부터)이 생쥐모델과 인간세포실험을 통해 PCSK9 단백질의 새로운 죽상경화증 악화 기전을 확인한 연구 결과가 국제학술지 Nature 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF;16.6)’에 온라인 발표됐다. 

LDL 콜레스테롤은 세포막이나 호르몬의 재료로 쓰이는 필수 물질이지만 혈관 벽에 침착되면 혈관이 좁아지고 딱딱해지는 죽상경화증을 유발하며, 심근경색이나 뇌경색까지 초래할 수 있다. 이 콜레스테롤이 간세포 표면의 ‘LDL 수용체’와 결합하여 분해된 후 담즙으로 소모 및 배출되면 혈중 콜레스테롤 수치가 낮아진다.

그러나 간세포에서 분비되는 단백질 PCSK9이 LDL 수용체와 결합해 이 수용체를 파괴하면 LDL 콜레스테롤 배출이 불가능해지고, 따라서 혈중 콜레스테롤 수치가 상승해 죽상경화증이 악화될 수 있다. 이를 치료하고자 다양한 PCSK9 단백질 억제 항체(에볼로큐맵, 알리로큐맵 등)가 개발돼 블록버스터 치료제로 주목 받고 있다.

이전 연구에서 PCSK9이 LDL 수용체를 파괴하는 기전에서 ‘CAP1’ 단백질이 필수적이라는 사실을 규명한 연구팀은 이번 실험으로 PCSK9의 또 다른 죽상경화증 악화기전을 발견했다.

먼저 생쥐를 일반 그룹과 LDL 수용체가 없는 그룹으로 나눠 죽상경화증 모델을 확립한 후, 바이러스벡터 정맥주사로 PCSK9 과발현을 유도했다. 그러자 모든 개체에서 죽상경화증이 악화됐다. 이는 LDL 수용체 여부와 관계없이 죽상경화증 악화에 관여하는 새로운 기전이 있음을 보여준다고 연구팀은 설명했다.

이를 세포실험으로 규명한 결과, PCSK9이 단핵구 표면에 존재하는 CAP1과 결합해 단핵구 하부의 여러 신호전달 단백질을 활성화시켰고, 그 결과 단핵구가 흥분하면서 염증이 활성화되어 죽상경화증이 더욱 악화되는 것으로 나타났다. 실제로 동물실험 결과, CAP1 결손 생쥐 모델에서는 PCSK9를 주입해도 죽상경화증이 악화되지 않았다.

[그림2] PCSK9의 2중작용. 간세포에서의 콜레스테롤 상승 작용(왼쪽). LDL-수용체, PCSK9, CAP1의 결합 시 CAP1의 인도에 의해 삼량체가 카베오좀을 통해 세포내로 유입돼 LDL-수용체가 파괴됨. 그 결과, 세포표면에서 LDL-수용체가 줄어들게 되어 혈중 콜레스테롤 수치가 상승. 단핵구에서의 염증 유발 작용(오른쪽) PCSK9, CAP1의 결합 시 CAP1의 신호전달 기능에 의해 PKCδ와 SYK이 활성화되며 하부의 다수 신호전달 단백질들을 활성화시킴. 그 결과 단핵구가 흥분하며 죽상경화증 등 대사질환을 유발함.

  추가로 연구팀은 PCSK9와 CAP1의 결합을 차단하는 차단제(Fc-CAP1) 개발에 돌입했다. 인간세포 분석 결과, Fc-CAP1은 에볼로큐맵 항체와 달리 단핵구의 흥분을 막아 염증을 통제할 수 있는 것으로 나타났다.

  나아가 인체 적용 가능성을 확인하기 위해 관상동맥질환자와 정상인의 혈액과 단핵구를 분석한 결과, 혈중 PCSK9 농도와 단핵구의 염증유도 활성은 비례하는 것으로 나타났다. 

[그림3] PCSK9 차단제 비교. 시판 중인 에볼로큐맵의 1중 차단 효과(왼쪽) 및 개발 중인 신치료제의 2중 차단 효과(오른쪽) 에볼로큐맵은 PCSK9에 붙는 항체로서 LDL-수용체와의 결합을 방해함으로써 LDL-수용체 파괴를 예방해서 혈중 콜레스테롤을 낮춘다. 그러나, PCSK9-CAP1 결합은 방해를 하지 못하기에, PCSK9에 의한 염증 유발 기전은 그대로 살아남게 된다. 반면 신치료제(Fc-CAP1 등)는 PCSK9-CAP1 결합을 차단하기 때문에, LDL-수용체 파괴도 막으면서 염증유발 기전도 차단할 수 있다.

PCSK9 프로젝트를 7년째 이끌고 있는 김효수 교수는 “본 연구는 PCSK9 단백질이 죽상경화증 악화에 있어 콜레스테롤 상승 및 염증 유발이라는 2가지 나쁜 작용 기전을 갖고 있음을 최초로 밝혀 의미가 크다”며 “현재 시판되고 있는 PCSK9 억제항체인 에볼로큐맵 피하주사제는 콜레스테롤은 낮출 수 있으나 염증 통제 효과는 없는 반면, 연구팀이 개발 중인 차단제는 2가지 효과를 모두 발휘할 수 있다는 것이 가장 큰 장점”이라고 말했다.

이어서 “단핵구 활성화에 의한 염증은 죽상경화증 뿐만 아니라 지방간 등 심혈관 대사질환의 기저 매커니즘이므로, PCSK9-CAP1 차단제는 여러 질환에 대한 치료 적응증을 받을 가능성이 높다”고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 범부처국가신약개발사업단(KDDF), 한국연구재단의 혁신신약 기초기반기술사업, 보건복지부 연구중심병원 육성 R&D 유니트 지원으로 실시됐다.

<1> 혈중 콜레스테롤은 어떻게 결정되는가?

성인병의 핵심인 고지혈증의 주인공은 LDL-C이다. LDL-콜레스테롤은 간에서 만들어져 혈관을 통해서 전신으로 공급되어 세포막이나 호르몬의 재료로써 긴요하게 사용된다. 혈중 LDL-콜레스테롤은 간세포 표면에 존재하는 LDL-수용체와 결합한 뒤 분해되어 담즙으로 소모 및 배설된다. 

즉, LDL-수용체의 수가 간세포 표면에 많이 있을수록 혈중 LDL-콜레스테롤치는 낮아진다. 이렇게 필요한 LDL-C도 그 혈중치가 높으면, 혈관벽에 침착되면서 죽상동맥경화증을 일으키고 심근경색증, 뇌경색증을 초래하므로, LDL-C를 나쁜 콜레스테롤이라고도 칭한다.

<2> 암젠사의 블록버스터 신약 레파타의 타겟인 PCSK9단백질이란?

PCSK9 (Proprotein Convertase Subilisin/Kexin type 9)는 간세포에서 만들어져서 세포외로 분비되는데, LDL-수용체와 결합하여 수용체를 파괴시키는 나쁜 단백질이다. 왜냐하면 간세포표면에 LDL 수용체가 적어지면 혈중 LDL-C를 제거하지 못하기에 혈중치가 올라가기 때문이다. 

그리하여 PCSK9를 억제하여 LDL-수용체의 파괴를 방지하고 수용체 수를 늘려서 혈중 LDL-C을 낮추는 항체가 개발되었는데, 에볼로큐맵과 알리로큐맵이 그것이다. 현재 블록버스터 약으로서 암젠과 사노피사가 엄청난 매출을 올리고 있다.

<3> 세계 최초로 PCSK9 단백질의 2중 작용를 발견하다.

이처럼 콜레스테롤을 올리는 것으로만 알려진 PCSK9 단백질이, 콜레스테롤과는 별개로 또 다른 나쁜 효과를 발휘한다는 것을 세계 최초로 국내 연구진이 규명하였다. 즉 PCSK9이 CAP1이라는 수용체와 결합하여 단핵구를 흥분시켜서 염증을 유발하고 그 결과 죽상동맥경화증을 악화시키는 사실과 그 기전을 밝혀서, PCSK9 억제제 개발의 새로운 방향이 제시되고 있다. 

서울대병원의 김효수 교수팀 (장현덕교수, 신다솜박사, 김성찬대학원생)은, 4년전에 PCSK9이 LDL-수용체를 파괴시키는데 CAP1 단백질이 필수적이라는 사실을 발견하고 그 기전을 규명한 바 있다. 이번 연구에서 본 연구팀은 PCSK9이 단핵구의 표면에 존재하는 CAP1과 결합하여 신호전달 경로인 PKC/SYK/NFkB를 통해서 단핵구를 흥분시켜서 염증을 유발하며, 그 결과 죽상경화증이 악화됨을 밝혔다. 

본 연구에서는, 쥐의 죽상경화증 모델을 확립하고, 이 쥐들에게 PCSK9를 과발현하는 바이러스벡터를 정맥 주사하면 죽상경화증이 악화된다는 것을 발견하였다. 그런데 흥미로운 사실은, LDL-수용체가 없는 쥐에서도 PCSK9 유전자를 주입하면 죽상경화증이 악화된다는 것이었다. 즉, PCSK9이 LDL-수용체를 파괴시켜서 해악을 끼친다는 기왕에 알려진 기전과는 무관한, 새로운 기전을 통해서 죽상경화증을 악화시킨다는 것을 시사하는 것이었다. 

세포실험을 통해서 새로운 기전을 규명한 결과, PCSK9이 단핵구 표면의 CAP1과 결합하여, 단핵구를 흥분시키고 그 결과 염증이 활성화되어서 죽상경화증이 악화됨을 밝히게 되었다. 이러한 기전은 동물실험에서 증명되었다. 즉 PCSK9 유전자 주입에 의해서 악화되는 죽상경화증이 CAP1 결손쥐에서는 재현되지 않았다는 것이다.

<4> PCSK9 단백질의 2중 작용 차단제 신약 개발

여기에서 본 연구진은 신치료제 개발을 위한 중요한 실험을 수행하였는데, PCSK9과 CAP1의 결합을 차단하는 Fc-CAP1을 제작하여 그 성능을 검증하였다. 인간 세포를 이용한 실험에서 Fc-CAP1은 PCSK9과 CAP1의 결합을 차단하여 단핵구가 흥분하는 것을 막았으며, 그 효과는 PCSK9 차단 항체인 에볼로큐맵에 비해서 우월함을 증명한 것이다. 이러한 실험결과를 인체에 적용할 수 있을지 보기 위해서, 관동맥질환 환자와 정상인의 혈액과 단핵구를 분석한 결과, PCSK9 혈중 농도와 단핵구의 염증유도 활성이 비례함을 증명하였다. 

PCSK9 프로젝트를 7년 동안 이끌고 있는 김효수 교수는, “본 연구의 가치는, PCSK9 단백질이 2가지 별개의 나쁜 작용 기전을 가지고 있음을 최초로 밝힌 것이다. 현재 절찬리에 시판되고 있는 PCSK9 억제항체인 레파타 (에볼로큐맵) 피하주사제는, 2가지 기전중에서 한 가지인 LDL-수용체를 살려서 콜레스테롤을 낮추는 효과만 있으며, 염증을 통제하는 효과는 없는 것으로 드러났다. 

이에 반해서 본 연구진이 개발하고 있는 차단제는 PCSK9-CAP1 사이의 결합을 차단하여, (1) 간세포 표면의 LDL-수용체를 살려서 콜레스테롤을 낮추는 효과도 발휘하면서, (2) 단핵구의 활성화와 염증을 막아서 죽상경화증을 예방하는, 2중 효과를 발휘한다는 것이다. 단핵구 활성화에 의한 염증은 죽상경화증 뿐만 아니라, 지방간 등 심혈관 대사질환의 기저 메카니즘이기에, 우리 연구팀이 개발하고 있는 PCSK9-CAP1 차단제는 여러 질환에 대한 치료 적응증을 받을 가능성이 높다.”라고 향후 개발 전망을 밝혔다.

이번 연구의 결과 논문은 국제학술지 Nature의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF;16.6) 에 게재되어 온라인상으로 세계에 발표되었다. 이번 연구는 범부처 국가신약개발사업단 (KDDF),  한국연구재단의 혁신신약 기초기반기술사업, 보건부의 연구중심병원 육성 R&D 유니트의 지원으로 이루어졌다.