Bcl-2 계열

Bcl-2 계열 개요

Bcl-2는 세포 사멸을 방지하는 것으로 알려진 최초의 항세포 사멸 유전자로 혈청 박탈, 열 충격, 항암제 등 다양한 자극에 의해 유도된 세포 사멸을 예방하는 것으로 나타났습니다. 게다가 Bcl-2는 저산소증과 호흡기 우울증로 유도된 괴사와 같은 특정 형태의 괴사 세포 사멸도 억제할 수 있습니다.

Bcl-2 계열 단백질은 구조적으로 유사점을 공유합니다. 첫째, 탄소 말단에 있는 수소화된 throughmembrane domain(TM)이 단백질의 세포내 위치를 결정합니다. 둘째, 보존된 BH 도메인(BH1-BH4)을 가지고 있어 모든 구성원이 공유하는 BH1과 BH2는 Bcl-2 계열 구성원의 이량체화에 관여합니다. Bcl-2 계열 단백질의 중요한 특징 중 하나는 동종 이량체와 이종 이량체를 형성할 수 있는 능력입니다. Bcl-2 계열 단백질의 항사멸성과 사멸촉진성 구성원 간의 이종 이량체화는 파트너의 생물학적 활성을 억제한다고 믿어지고 사멸촉진성 단백질의 BH3 영역을 항사멸성 단백질의 BH1, BH2 그리고 BH3로 구성된 수소화된 주머니에 삽입해서 매개됩니다. BH1, BH2 그리고 BH3 뿐만 아니라 BH4는 항사멸성 활성이 필요해서  BH3는 사멸촉진성 활성이 필요합니다.

그림 1:Bcl-2 계열 단백질의 상동성

Bcl-2 계열 유형

세포 사멸에서의 역할에 따라 Bcl-2 계열 구성원은 항사멸성과 사멸촉진성으로 두 가지로 구분할 수 있습니다.

1. 항사멸성 Bcl-2 계열 단백질은 주로 Bcl-2, Bcl-xL, Bcl-w, A1, Mcl-1, Bfl-1 등이 포함됩니다. 이들은 최소한 두 개의 구조 영역, BH1과 BH2를 가지고 있어 항사멸성 효과가 있습니다.
2.사멸촉진성 Bcl-2 계열 단백질은 그 구조적 특징에 따라 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
① Bax 아형은 Bax (Bcl-2 연관 단백질), Bak1 (Bcl-2길항자 킬러1), Bok을 주로 포함해서 이들은 BH1, BH2 그리고 BH3의 세 개의 도매인을 포험하고 있지만 BH4 도매인은 포함하지 않습니다.

② BH3 만 유형: 주로 Bid, Bad, Bik, Bim, Noxa, Puma 등이 있고 오직 BH3 도메인만을 가지고 있습니다.

Bax와 Bak은 Bcl-2 계열에서 주요한 사멸 분자입니다. 활성화된 Bax와 Bak은 미토콘드리아로 이동해서 올리고머화를 위한 구조 변화를 겪고 미토콘드리아에 삽입되어 미토콘드리아 외막 구멍을 형성해서 미토콘드리아 외막 투과성(MOMP)을 증가시키고 많은 사멸촉진 인자를 세포질로 방출해서 사멸을 일으킵니다.

Bcl-2 계열과 세포사멸

Bcl-2 계열 단백질은 주로 자체 이량체화나 Bax와 같은 단백질과 이종 이량체를 형성해서 세포 사멸을 조절하는 기능을 발휘합니다. Bax-Bcl-2 이종 이량체는 Bcl-2 동종 이량체의 항사멸 효과를 상쇄하고 사멸을 촉진할 수 있습니다. Bcl-2 단백질의 막 결합은 기능에 매우 중요합니다. 실험 결과는 막 정위 능력을 상실하는 Bcl-2 단백질의 항사멸 능력은 현저하게 약화되었고 서로 다른 세포 유형에서 서로 다른 사멸 경로에 참여할 수 있는 서로 다른 세포 내 정위를 가진 Bcl-2 단백질이 있을 수 있습니다.

1.미토콘드리아 막에 있는 Bcl-2는 최소한 세 가지 수준에서 사멸을 억제하는 역할을 합니다.
① Bcl-2는 미토콘드리아 티올 그룹의 산화 환원 상태를 변화시켜 그들의 막 전위를 조절하고 세포 사멸을 조절할 수 있습니다.

② Bcl-2 단백질은 Bax/BAK의 올리고머화를 방지해서 미토콘드리아 사이토크롬 C와/또는 AIF(사멸 매개체)와 같은 중요한 단백질의 분비를 억제하고 세포의 생존 능력을 향상시킬 수 있습니다.

③ Bcl-2는 시스테인 활성을 막을 수 있고 예를 들어 시스테인-2는 미토콘드리아 사이토크롬 C 방출의 상류에서 항사멸 효과를 발휘합니다. 연구 결과 이러한 효과는 주로 CED-4를 통해 달성됩니다. Bcl-2는 CED-9와 직접 상호작용해서 CED-3/CED-4 복합체에서 CED-4의 올리고머화를 억제해서 시스테인의 활성을 막습니다.

2. Bcl-2는 세포 사멸 중 Ca²⁺의 방출을 억제해서 사멸을 억제합니다. 세포 사멸 과정에서 DNA 분해는 Ca²⁺ 의존성 내절단효소의 참여를 필요로 해서 소포체 막에 있는 Bcl-2 단백질은 내질망에서 Ca²⁺의 방출을 차단해서 Ca²⁺ 의존성 내절단효소의 활성을 줄여서 세포 사멸을 차단합니다.

3. Bcl-2 단백질은 미토콘드리아와 핵공복합체에 있는 신호 분자에 작용해서 세포 신호전달을 제어하고 세포 생존을 연장할 수 있습니다. Bcl-2 단백질은 항산화 효과를 발휘하거나 산화성 활성산소의 생성과 세포 사멸을 억제할 수 있고 전사 인자 NF-κB를 조절해서 달성됩니다.

4. Bcl-2는 P53 의존적 사멸 경로의 활성을 유도할 수 있습니다. 다수의 세포 라인을 대상으로 한 체외 연구 결과에 따르면 Bcl-2를 침묵시키면 대장암에서 P53 의존적 사멸을 일반적으로 유도할 수 있고 Bax와 시스테인-2는 Bcl-2/P53 사멸 경로에서 필수적인 매개체입니다. 이에 기초으로 생리적 조건하에서 Bcl-2는 P53 사멸 전구체의 기능을 억제할 수 있고 일부 스트레스 요인의 영향으로 P53의 활성화 잠재력이 유도될 것으로 추측됩니다. 활성화되고 안정적인 P53가 Bcl-2의 발현율을 변화시켜 세포사멸을 유도할 수 있다는 것이 확인되었습니다.

그림 2:Bcl-2와 세포 생존 및 세포 사멸

Bcl-2 계열과 종양

프로그램된 세포 사멸을 억제하는 것은 종양 형성 과정에서 가장 중요한 단계입니다. Bcl-2 유전자는 중요한 세포 사멸 억제 유전자로 세포의 자가 안정화 균형 메커니즘을 깨고 손상되거나 돌연변이된 세포가 적시에 제거되지 않도록 합니다. 증식 유전자와 성장 억제 유전자의 시너지 효과로 인해 종양으로 발전합니다. Bcl-2는 세포 사멸을 억제해서 세포 수명을 연장하고 세포를 축적해서 종양 형성에서 역할을 시작합니다. Bcl-2 유전자는 자체적으로 강력한 발암 유전자 활성이 없지만 점돌연변이가 발생한 후 활성이 현저히 증가해서 종양 발생을 촉진합니다.Bcl-2 유전자의 이위가 동반된 체세포 돌연변이는 난포 림프종을 확산성 대세포 림프종으로 변화시킬 수 있습니다. Bcl-2는 혈관 내피 성장 인자(VEGF)와 다른 인자들과 상호 작용할 수 있고 종양 혈관 생성을 영향을 미치고 종양의 형성과 발달을 촉진합니다. Bcl-2는 간암, 전립선암, 대장암, 폐암, 위암, 비호지킨 림프종, 신경모세포종, 유방암 등 많은 인간 종양에서 높은 수준으로 발현됩니다. 현재까지의 연구에서는 Bcl-2의 과발현이 특정 종양의 특징이 아니라 종양 세포의 증식 상태를 반영한다는 것이 일반적인 견해입니다.

Bcl-2 단백질은 세포 사멸을 방지해서 많은 종양의 형성뿐만 아니라 종양 화학요법 내성 형성에서도 중요한 역할을 합니다. 실험 결과에 따르면 Bcl-2의 과발현은 세포가 더 효과적으로 화학요법 약물에 내성을 가질 수 있도록 합니다. 이 약물에는 지세미손, 시타라빈, 메토트렉세이트, 사이클로포스파미드, 아르미실린, 에토포시드(VP-16), 캄포테신, 질소 머스타드, 5-플루오로우라실, 미토잔트론, 시스플라틴, 비크리스틴 그리고 일부 레티노이드 화합물 등이 있습니다. Bcl-2 단백질 수준의 상승으로 인한 종양 세포의 약물 내성은 일반적인 화학적 내성과는 다르고 주요 차이는 다음과 같습니다: ① Bcl-2 단백질은 약물이 세포 내에 축적되는 것을 막을 수 없습니다; ② Bcl-2 단백질은 약물에 의해 유도된 DNA 손상의 정도나 세포가 손상된 DNA를 수리하는 속도를 변화시키지 않습니다; Bcl-2 단백질은 뉴클레오티드 풀이나 세포 주기 속도에 영향을 미치지 않습니다.

Bcl-2 계열 억제제

1. Venetoclax (ABT-199; GDC-0199): 이는 BH3 모방물질로 BH3 단일 기능 단백질의 작용을 모방하고 BH3와 유사한 방식으로 BCL-2 단백질과 결합해서 BCL-2가 BAX나 BAK과 결합하는 능력을 억제합니다. Venetoclax는 Ki 값이 0.01nM 미만인 고효율, 선택적, 경구 투여 가능한 Bcl-2 억제제입니다.

2. Lisaftoclax (APG-2575): Bcl-2와 Bcl-xL의 이중 억제제로 Bcl-2와 Bcl-xL에 대한 IC50 값은 각각 2nM과 5.9nM입니다. Bcl-2 단백질을 억제해서 종양 세포의 프로그램된 세포 사멸 메커니즘(세포 사멸)을 복원해서 종양 세포 사멸을 유도하고 종양 치료의 목표를 달성합니다.

3. Sonrotoclax: 이는 만성 림프구성 백혈병/소림프구성 림프종(CLL/SLL), 급성 골수성 백혈병(AML), 비호지킨 림프종(포함 WM, MCL, MZL) 그리고 다발성 골수종(MM)에 적응증이 있는 효과적인 경구 활성 Bcl-2 억제제입니다.

4. DT2216: DT2216은 효율적이고 선택적으로 BCL-2 야생형 및 다제내성 돌연변이 유형(예: G101V, D103Y 등)을 억제하는 단백질 수해 타겟 카멜리드 단백질(PROTAC)입니다. DT2216은 Von Hippel-Lindau(VHL) E3 유비퀴틴 리가제를 모집해서 BCR-ABL 단백질을 분해합니다.