혈관은 인체 건강에 핵심적 역할을 한다. 세포에 산소와 영양분을 공급하고, 노폐물을 배설기관으로 옮기며, 면역세포들의 이동을 돕기 때문이다. 혈관의 항상성은 Angiopoietin-TIE2 신호전달체계를 통해 조절된다. 하지만, 암¹⁾, 패혈증²⁾, 당뇨성 망막병증, 족부궤양 등의 질환에서는 혈관 내피세포와 주변 지지세포들이 파괴되면서 심각한 혈관 손상이 일어난다. 이에 국내외 제약회사들이 앞다투어 손상된 혈관의 TIE2를 활성화시키는 치료제 개발에 뛰어들고 있다.

기초과학연구원 바이오분자 및 세포구조 연구단 김호민 CI(Chief Investigator, KAIST 의과학대학원 부교수)와 혈관 연구단 고규영 단장(KAIST 의과학대학원 특훈교수)은 질병 상황에서 손상된 혈관을 정상화하는 항체를 새롭게 개발하고, 3차원 분자구조를 규명하여 치료항체의 작동 기전을 제시하였다. 암, 패혈증 등 혈관 손상을 동반하는 다양한 질병의 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다.

Angiopoietin1 단백질은 혈관 내피세포의 TIE2 수용체³⁾에 결합하여 세포표면 응집을 유도한다. 이 과정이 TIE2 활성화와 혈관 안정화 유도에 핵심적인 역할을 한다. 현재까지의 TIE2 활성화 유도 치료제는 대부분 단백질 엔지니어링을 통한 Angiopoietin 변이체 개발에 집중되었다. 그러나 이 전략은 낮은 생산성과 안정성, 생체 내 짧은 반감기 등의 문제가 있었다.

연구진은 기존 TIE2 활성화를 유도하는 치료제 개발과는 다른 전략을 채택하였다. 그 결과 혈관 내피세포의 TIE2 수용체에 결합하여 성장과 안정화를 유도하는 “TIE2 활성 항체(hTAAB)” 개발에 성공했다. 또한 단백질 결정학과 바이오투과전자현미경 등을 활용, TIE2 활성 항체와 TIE2의 결합 분자구조와 항체에 의한 TIE2 수용체의 활성화 분자기전도 규명했다.

연구진은 TIE2 수용체/Angiopoietin의 결합 분자구조를 바탕으로 TIE2 수용체에 직접 결합해 응집과 활성화를 유도하지만, Angiopoietin 결합에는 영향을 미치지 않는 항체를 새로 개발하고자 하였다. 이에 마우스 하이브리도마 기술과 혈관 내피세포를 활용한 효능평가를 통해 가장 효과적인 항체를 선별하였고, 단백질 결정학으로 TIE2 수용체와 TIE2 활성항체(hTAAB)의 상호작용에 핵심적인 분자코드를 규명하였다. 또한 바이오투과전자현미경으로 Y자 형태의 항체가 TIE2에 순차 결합하여 다각형 형태로 TIE2수용체의 클러스터(응집)를 유도하는 분자메커니즘을 규명해냈다. 이를 바탕으로 TIE2 인간화 항체 개발에도 성공했다.

[ 논문 핵심 내용 모식도 ]
1) TIE2 활성항체 발굴
TIE2단백질을 마우스에 면역화하고, 마우스하이브리도마 기술을 활용하여 항체를 제작한 후, TIE2에 결합하면서 TIE2의 활성화를 유도하는 맞춤형 항체를 선별하였다.
2) TIE2 활성항체와 TIE2 결합구조 규명
단백질 결정학 방법과 바이오투과전자현미경을 활용한 구조생물학적 연구를 통해 TIE2 활성항체와 TIE2수용체 결합 분자구조를 규명하였고, TIE2 활성항체 결합에 의해 유도되는 TIE2 다각형 응집을 관찰하였다.
3) TIE2 활성항체 작용기전 규명.
혈관내피세포의 세포막에 이합체 형태로 존재하는 TIE2 수용체의 FNIII 도메인에 Y자 형태의 TIE2 활성항체가 결합하고, 이로인해 다각형 형태로 TIE2가 응집된다. 이를 통해 세포막 내부 TIE2 부분이 자가 인산화되고 하위 세포신호전달을 활성화시킴으로써 혈관내피세포 활성화 및 혈관정상화를 유도하게 된다.
4) 구조기반 TIE2 활성항체 인간화 및 세포기반 효능검증.
TIE2 활성항체와 TIE2수용체 결합구조 상의 핵심 상호작용 아미노산을 분석하여 마우스에서 유래한 TIE2 활성항체를 성공적으로 인간화하였다. 또한, 인간 혈관내피세포를 활용한 다양한 효능검증을 통해서 인간화된 TIE2 활성항체가 세포의 생존 및 이동, 혈관 형성, 세포간 연결 강화 등을 유도하는 것을 확인하였다.

김호민 CI는 “TIE2 수용체 활성 항체가 TIE2를 다각형 형태로 응집을 유도하여 활성화시키는 것은 새로운 발견”이라며 “IBS 두 연구단의 협력을 통하여 우수한 성과를 거둔 대표 사례이며, 기초연구와 응용․개발연구가 서로 다른 영역이 아님을 보여주는 연구”라고 말했다. 고규영 단장은 “향후 동물실험의 효과 검증을 통해 혈관 이상으로 인한 다양한 질환 치료제 개발로 연계되기를 기대한다”라고 말했다.

[이번 연구를 이끈 연구진]
좌측부터 김호민 바이오분자 및 세포구조 연구단 CI(교신저자), 고규영 혈관 연구단 단장(교신저자), 조경희 바이오분자 및 세포구조 연구단 박사후연구원(제1저자), 배점일 혈관 연구단 선임기술원(제1저자)

이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 14.919)’ 온라인 판 11월 1일 자에 게재되었다.