암에 대한 이중고: 망간은 스트레스 센서를 과활성화시켜 종양을 죽인다

왕리쿤 교수가 이끄는 중국과학원 생물물리학 연구소, 미네소타 대학, 미국 국립암연구소(NCI)의 과학자들은 iScience 에 2가 망간 이온(Mn²⁺)이 ER 스트레스 센서인 IRE1α를 과도하게 활성화하고 RIDD 및 JNK 경로를 통해 세포 사멸을 유도함으로써 문자 그대로 "암 세포를 자기 파괴로 유도"할 수 있다는 연구 결과를 발표했습니다.

배경: UPR과 IRE1α의 역할

1. 단백질 품질 관리. 잘못 접힌 단백질은 세포의 소포체(ER) 내에 축적되어 IRE1α, PERK, ATF6의 세 가지 센서를 통해 "소포체 스트레스 반응"(UPR)을 유발합니다.

2. IRE1α의 이중적 특성.

• 적응 활성화: 중간 정도의 ER 스트레스가 XBP1 스플라이싱을 유도 → 항상성 회복.
• 최종 반응: 심각하거나 장기간의 스트레스 하에서 IRE1α는 XBP1 분기를 비활성화하고 대신 RIDD(조절된 IRE1α 의존성 붕괴) 및 JNK 매개 계단식 과정을 유발합니다 → 세포 사멸.

이러한 이중성은 오랫동안 종양학자들의 관심을 끌어왔지만, IRE1α를 억제하여 종양의 적응 방어력을 약화시키는 것이 일반적인 생각이었습니다. 하지만 이번 연구는 정반대 접근법, 즉 IRE1α를 과활성화하는 것을 제안합니다.

실험 프로토콜 및 주요 방법

1. 세포 배양:

   • 유방암(MCF-7), 간세포암(HepG2) 및 정상 대조군 세포주(HEK293).

   • 24~48시간 동안 MnCl₂(0~200 µM)를 첨가합니다.

2. IRE1α 활성화의 생화학적 검증:

   • IRE1α 인산화(Western blot)는 50–100 µM Mn²⁺에서 용량 의존적으로 증가했습니다.

   • RNase 활성(RIDD): 표적 mRNA(Blos1, Sparc)의 붕괴는 qPCR을 통해 측정되었습니다.

   • JNK 경로: p-JNK와 그 기질(c-Jun) 수치가 2~3배 증가했습니다.

3. XBP1s 스플라이싱:

   • RT-PCR 테스트 결과, Mn²⁺는 XBP1s 스플라이스 변이체의 수준을 증가시키지 않는 것으로 나타났습니다. 즉, Mn²⁺는 UPR의 말단 분기에 특별히 과부하를 발생시킵니다.

4. 세포사멸과 세포 생존:

   • 유세포 분석법(Annexin V/PI)을 통해 100 µM Mn²⁺로 48시간 처리한 후 최대 60%의 세포 사멸이 확인되었습니다.

   • MTT 분석 결과, 동일 용량에서 암세포의 생존율이 최대 30% 감소한 반면, 정상 세포는 80%의 생존율을 유지하는 것으로 확인되었습니다.

5. 분자 제어:

   • IRE1α의 유전자 녹아웃(CRISPR–Cas9)은 Mn²⁺ 세포독성을 완전히 없애 IRE1α 의존성을 입증했습니다.

   • 소분자 JNK 억제제(SP600125)를 투여하면 세포 사멸이 약 50% 감소하여 이 분야의 관여를 나타냅니다.

전임상 생체 모델

1. 유방암 마우스 모델:

   • 3주 동안 일주일에 두 번씩 MnCl₂(1 mM, 20 µL)를 종양 내로 투여합니다.

   • 종양 성장: 80% 이상의 경우에서 종양이 줄어들거나 안정화되었고, 대조군에서는 진행이 계속되었습니다.

2. 독성 및 안전성:

   • 혈액 생화학 검사(ALT, AST, 크레아티닌)는 정상 범위 내에 있었습니다.

   • 손상이 검출되지 않은 장기(간, 신장, 심장)의 조직학적 검사.

3. 세포사멸 마커의 발현:

   • 종양 부위에서 카스파아제-3 및 TUNEL 양성 세포의 활동이 증가했습니다.

의미와 전망

"우리는 Mn²⁺로 IRE1α를 선택적으로 과활성화시키면 종양 세포의 UPR 프로토콜이 역전되어 세포자멸사가 우선시된다는 것을 처음으로 보여주었습니다."라고 왕리쿤 교수는 설명합니다. "이것은 방어 경로를 억제하는 대신 '과부하'를 가하는 새로운 암 치료 분야를 열어줍니다."

• 조영제와 종양 치료? 망간은 이미 MRI 조영제에 사용되고 있으며, 이는 치료의 신속한 전환을 촉진할 수 있습니다.
• Mn²⁺ 공여체 개발: 전신 노출을 최소화하면서 종양에 특이적으로 Mn²⁺를 전달하는 표적 나노공여체.
• 면역요법과 병용: 세포사멸이 증가하면 신항원 생성이 늘어나고 체크포인트 억제제에 대한 반응이 개선될 수 있습니다.

저자는 몇 가지 핵심 사항을 강조합니다.

• UPR 치료의 새로운 패러다임
  "UPR 센서인 IRE1α를 억제하는 대신, IRE1α를 과활성화시켜 항종양 효과를 얻을 수 있음을 보여주었습니다."라고 왕리쿤 교수(CAS)는 말했습니다. "이는 ER 스트레스 '과부하'에 기반한 암 치료에 새로운 전략을 제시합니다."

• 리 창 박사(NCI)는 "Mn²⁺는 적응성 XBP1s 경로를 활성화하지 않고 IRE1α의 RIDD와 JNK 분지를 선택적으로 자극합니다." 라고
  설명하며, "이러한 '편향된' 반응은 정상 세포에 미치는 영향을 최소화하면서 종양 세포의 세포사멸을 유도합니다."라고 덧붙였습니다.

• 임상 적용 가능성
  "망간은 이미 MRI에서 조영제로 사용되고 있기 때문에 임상에 적합한 Mn²⁺ 공여체를 신속하게 적용할 수 있는 가능성이 매우 높습니다."라고 미네소타 대학교의 Sarah Lee 교수는 말했습니다. "다음 단계는 종양에 대한 표적 전달 시스템을 개발하는 것입니다."

• 병용 요법의 가능성
  "IRE1α의 과활성화는 신생항원 생성을 촉진하고 면역요법에 대한 반응을 개선할 수 있습니다."라고 다나카 박사(CAS)는 덧붙였습니다. "Mn²⁺와 면역관문 억제제의 병용은 시너지 효과를 기대할 수 있습니다."

• 안전성 및 선택성
  "저희의 전임상 모델에서 Mn²⁺는 정상 조직에 손상을 입히거나 전신 독성을 증가시키지 않았습니다."라고 마르티네즈 박사(미네소타)는 말했습니다. "이는 임상 시험으로 진입하는 데 매우 중요합니다."

이 연구는 세포 스트레스 반응의 조절된 활성화를 통해 암 치료에 대한 새로운 방향을 제시하고 암세포 생존 메커니즘을 과부하시킬 수 있는 항종양제로서 망간을 소개합니다.