Relaxin과 decorin이 세포외 기질분해와 세포고사 유도에 미치는 영향 분석

Abstract

[한글]기존에 McCormick 그룹에 의해 종양세포 특이 증식 및 세포살상 재조합 아데노바이러스에 대한 연구가 처음 보고 된 이후 그 유용성과 안전성이 임상시험에서 확인되었지만, 종양내로 투여된 바이러스가 일부 주변으로만 제한적, 국소적으로 확산되고 종양조직 전체에 퍼지지 못하여 결과적으로 바이러스에 감염되지 않은 종양 세포는 다시 빠르게 성장하여 만족할 만한 치료효과를 얻지 못하였다. 이러한 항종양 치료용 아데노바이러스의 국소적 종양 침투력과 낮은 항종양 효과의 한계를 개선하기 위해 종양 특이적 살상 아데노바이러스에 matrix degradative protein인 relaxin과 decorin 유전자를 각각 도입시킨 아데노바이러스가 제작되어 종양 조직 내 바이러스 확산능의 향상과 암세포 살상 증대 효과를 비교 검증 하는 시도가 이루어졌으며, 이를 통해 relaxin과 decorin을 발현하는 아데노바이러스의 개선된 종양 조직 내 확산능과 우수한 생체 내,외 항종양 효과를 확인되었다. 그러나 relaxin과 decorin과 같은 matrix degradative protein이 어떠한 메커니즘에 의해 종양 조직내 바이러스 확산능을 증가시키고 세포사를 유도하며 세포고사에 의한 암세포 살상 효과를 증가시키는 지에 대한 연구는 아직 미비한 실정이다. 이러한 배경 하에, 본 연구에서는 relaxin과 decorin이 암세포의 세포기질 분해와 세포고사에 작용하는 기전을 정확히 밝히고자 relaxin과 decorin을 발현하는 바이러스를 이용하여 relaxin- 또는 decorin-mediated extracellular matrix(ECM) degradative pathway와 relaxin- 또는 decorin-mediated apoptosis pathway를 규명하였다. 본 연구에서는 decorin과 relaxin을 발현하는 아데노바이러스의 종양 조직 내 확산효율의 증대가 relaxin과 decorin에 의한 metalloproteinase(MMP)1, MMP10 등의 세포외 기질 분해에 관여하는 enzyme의 증가, collagen type I, elastin 그리고 collgen type III와 같은 세포외 기질의 주요 성분의 분해에 의해 촉진됨을 확인하였다. 또한 relaxin과 decorin을 발현하는 아데노바이러스는 tumor growth factor(TGF)-β, epidermal growth factor receptor(EGFR) 그리고 epithelial mesenchymal transition(EMT)의 발현조절을 통해 extracellular metrix(ECM)의 assembly와 생산 그리고 분해 등 여러 단계에서 종양 조직 내 결합조직의 재조합에 중요한 역할을 함으로써 세포외 기질분해와 바이러스 확산능을 증대시키는 중요한 원인으로 작용함을 확인 하였다. 한편, 아데노바이러스에 의해 발현되는 relaxin 또는 decorin이 세포고사의 여러 단계에 관여하여 세포사를 유도하며 특히, relaxin은 inducible nitiric oxide synthase(iNOS)에 의해 촉매되는 nitric oxide(NO)의 생성을 통해 p53-independent pathway로 apoptosis signal을 mitochodria에 전달하고 이렇게 전달된 신호는 세포고사의 마지막 단계까지 관여함이 확인 되었다. 반면, decorin은 p53 dependant apoptosis를 통해 mitochodrial apoptosis protein인 Bax, Bcl2, Cytochrome C에 신호를 전달하여 mitichondria-mediated apoptosis를 유도함을 확인 하였으며, 이렇게 전달된 apoptotoc signal은 세포고사의 마지막 단계에 존재하는 단백질인 Poly (ADP-ribose) polymerase(PARP)까지 전달됨으로써, decorin을 통한 강력한 세포고사가 유도됨을 밝혔다. 또한 decorin은 세포주기를 조절하는 p21의 발현을 촉진시킴으로써 G2/M arrest를 유도할 뿐 아니라 EGFR의 활성을 저해하고 Mitogen-activated protein kinases(MAPK)의 활성을 억제하여 암세포의 증식을 방해함으로써 세포사를 유도함을 확인할 수 있었다. 결론적으로, 본 연구에서는 종양 조직 내로의 바이러스의 확산증진과 강력한 세포고사 유도제로 작용하는 relaxin과 decorin의 새로운 기능을 분자적인 수준에서 규명하여 실제로 아데노바이러스를 전달체로 이용한 유전자 치료에 적용하였고 이는 추후, 여러 종류의 비-바이러스성 유전자 전달체를 이용한 유전자 치료뿐만 아니라 아데노바이러스와 항암제의 병용투여시 치료효과의 증대 목적으로 유용하게 적용될 수 있을 것으로 사료된다.

[영문]The pressing challenge for contemporary gene therapy is to

deliver an effective level of therapeutic genes to cancer cells

throughout at tumor in vivo. The extracellular matrix provides one

barrier to adenoviral dispersion in a tumor. To overcome this

barrier, we inserted the genes for relaxin and decorin, a protein

that degrades the extracellular matrix, into adenoviruses. By using

these relaxin and decorin expressing adenoviruses, we have

confirmed that relaxin or decorin expression increased the

dispersion of the virus from cell to cell within the tumor and the

induction of tumor cell apoptosis. However, the mechanism that

which relaxin and decorin induces degradation of extracellular

matrix and apoptosis is not clearly understood. In this study, we

characterize the mechanism of relaxin and decorin on the

degradation of extracellular matrix and induction of apoptosis.

Relaxin and decorin induce degradation of extracellular metrix by up-reguation of expression of MMP1, MMP10 not by

expression of MMP2. Decorin plays a role on decreasing

expression of TGF-beta and EGFR which trigger extracellular

matrix�degradation and�remodeling function. The expressions of

collagen typeI, elastin and collagen typeIII in tumor tissue are

significantly decreased by relaxin and decorin. Also, Decorin

induces cell death through p53-dependent apoptosis pathway,

inhibition of cell proliferaltion and induction of cell cycle arrest.

Decorin activates mitochondrial apoptosis and G2M arrest by

increased p53 expression. Also decorin inhibits cell proliferation by

blocking epitherial growth factor receptor(EGFR) and

mitogen-activated protein (MAP) kinases(MAPK) pathway. Also,

Relaxin induces nitric oxide(NO)- mediated apoptosis pathway not

p53 dependent apoptosis pathway. NO is synthasiezed from

arginine and O2 by inducible NO synthase(iNOS). Relaxin activates

caspase signaling by NO- induced mitochondrial apoptosis.

In summary, our results clearly demonstrated the molecular

mechanism of relaxin and decorin on degradation of extracellular

metrix and induction of apoptosis and exhibited the potential

strategy based on relaxin and decorin expressing oncolytic

adenovirus and open new chance for combining the cancer gene

therapy.