히스톤탈아세틸화효소 억제제의 HIV 제거 효과
Histone Deactylase Inhibitors for Purging HIV from the Latent Reservoir

질병관리본부 국립보건연구원 면역병리센터 에이즈·종양바이러스과             
박순영             

Ⅰ. 들어가는 말
  1980년대 초에 사람면역결핍바이러스(Human Immunode ficiency Virus; HIV)가 후천성면역결핍증 (Acquired Immuno Deficiency Syndrome; AIDS)의 원인병원체라는 사실이 밝혀진 이후, HIV/AIDS는 전 세계 감염성질병에 의한 사망의 주요 원인으로 알려져 있다. 이러한 HIV/AIDS를 치료하기 위해 전 세계 수많은 연구자들이 백신 개발에  노력을 하고 있지만, 아직까지도 완전한 HIV/AIDS 치료법이 나와 있지 않은 실정이다. 현재 가장 많이 사용하고 있는 에이즈 치료법은 1995년에 시작된 고활성 항바이러스 요법(highly active anti-retroviral therapy; HAART 요법)이다. 비록 HAART 요법이 에이즈 감염인의 생존율과 삶의 질을 향상시켰으나 완치법이 아니므로 지속적인 치료가 필요한 실정이다. 그 이유는 한번 HIV에 감염되면 수일 내에 잠복감염세포(latent reservoirs)를 형성하여 HAART 약제들의 공격을 피해 오랫동안 살아남을 수 있기 때문이다.
  최근 이러한 HIV 잠복감염세포의 형성을 조절할 수 있는 중요한 인자로 후성유전적 변화(epigenetic change)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 후성유전적 변화 측면에서 염색체를 살펴보면 DNA는 히스톤이라는 단백질을 매우 단단하게 둘러싸고 있는 상태이며 이때 작용하는 여러 효소 중 하나가 히스톤탈아세틸화효소(HDACs: histone deacetylase)이다. 그러므로 유전자를 발현하려면 DNA-히스톤 복합체에 영향을 주고 있는 히스톤탈아세틸화효소에 대한 억제제의 처리로 아세틸기를 활성화시켜 전사 물질들이 쉽게 접근할 수 있도록 하는 것이다. 또한, 히스톤탈아세틸화효소는 아세틸기를 제거하여 HIV의 잠복상태를 유지한다고 알려져 있으며 HIV 제거 전략으로 이들 효소에 대한 억제제를 사용하여 잠복감염세포만을 선택적으로 활성화시켜 제거하는 것이 관건이다. 이처럼 HIV 잠복감염세포만을 선택적으로 활성화 할 수 있는 약물로는 현재 임상 시험중인 사하(Suberoylanilide hydroxamic acid: SAHA)가 있으며 HDAC을 저해하는 대표적인 약물로 알려져 있다. 이러한 보고들을 토대로 본 원고에서는 히스톤탈아세틸화효소 억제제의 HIV 제거기전과 치료제로서의 가능성을 살펴보고자 한다.

Ⅱ. 몸 말
  1. 후성유전적 변화 (epigenetic change)
  인체는 세포내 유전자 변이에 의해 다양한 질병이 초래 되는데, 이러한 유전자 변이는 유전자 증폭 (gene amplification), 점 돌연변이(point mutation), 염색체 전이(chromatin translocation) 그리고 유전자 상실(gene deletion) 에 의해 조절되는 유전적 변화(genetic change) 뿐만 아니라 DNA 염기서열의 유전적 변화 없이 유전자의 활성을 조절할 수 있는 후성유전적 변화(epigenetic change)에 의해서도 조절될 수 있다. 이런 후성유전적 변화는 유전자의 활성도 변화를 유도하며 DNA 메틸화(Methylation), 아세틸화(Acethylation), 히스톤 변형(Histone modification), 크로마틴 리모델링(Chromatin remodeling) 등에 의해서 조절될 수 있다[1].

  2. 히스톤 변형(Histone modification)
  진핵생물의 뉴클레오좀 1)은 146bp 길이의 DNA가 히스톤 H2A, H2B, H3, H4 각각의 이합체로 구성되어 있고 N-말단부에 아세틸화, 메틸화, 유비퀴틴화, 인산화 등과 같은 화학적 변형이 많이 일어나며 (Figure 1) [2], 이러한 변형을 일으키는 다양한 종류의 히스톤 변형 효소와 이를 제거하는 효소가 알려져 있다. 특히, 히스톤 변형은 DNA-히스톤 간 결합에 영향을 미치기 때문에 크로마틴 구조와 밀접한 연관성이 있으며 암과 같은 종양 형성 뿐만 아니라 세포 발달과정에 작용하는 유전자 기능에도 막강한 영향을 갖고 있다. 히스톤 메틸화(Histone methylation)는 같은 염기서열의 위치에서 모노(1차)-, 디(2차)-, 트리(3차)- 메틸화가 가능하며 메틸화 위치와 정도에 따라 유전자의 전사가 활성화 혹은 억제가 되는 것으로 알려져 있다. 예를 들어 H3K9me2는 유크로마틴 2)영역에서 유전자의 발현 억제와 관계가 있으며 H3K27me3은 폴리콤 억제 복합체 3)가 결합하기 위한 신호 역할을 하여 유전자의 전사 억제를 유도하는 기능이 있다[3]. 히스톤 H3와 H4의 아세틸화(Acethylation)는 크로마틴 구조를 열린 구조로 변형하여 전사 활성화를 유도하는 것으로 알려져 있으며 히스톤 인산화(Phosphorylation)는 유전자의 활성화와 관련이 있으며 히스톤 H3 세린 10번 잔기에 대한 인산화 연구가 가장 많이 되어있다. 히스톤 유비퀴틴화(Ubiqutination) 4)는 다른 히스톤 변형과 달리 크기가 큰 펩티드 5)가 결합하고 유비퀴틴화가 일어난 위치가 유전자의 발현 또는 억제에 중요한 역할을 하고 있는 것으로 알려져 있다.
                             

  3. HIV 잠복감염세포와 아세틸화(Acethylation)의 중요성
  잠복감염된 memory CD4+ T세포 저장소는 항바이러스 치료가 지속되지 않을 때 HIV가 재발할 수 있는 원천이 된다. HIV에 감염되어 있는 동안 항바이러스제 치료를 통해 바이러스양(viral load) 이 감소되고 임상적으로 AIDS의 진행이 늦춰짐에도 불구하고 바이러스를 완벽히 제거하기는 불가능하다. 이것은 잠복감염된 세포가 환자 당 105-106 정도 존재하며 반감기가 적어도 44개월 이므로 모든 잠복감염세포를 제거하기 위해서는 산술적으로 60년 이상이 소요되어 현재의 항바이러스제로는 치료가 불가능한 실정이다[4]. 일반적인 HIV의 생활주기를 보면, HIV가 세포의 수용체를 통해서 세포내에 유입되어 DNA을 생산하고 숙주의 게놈 속으로 들어가 provirus를 형성하고 전사 작용을 통해서 RNA을 만든 후 전이과정에 의해 단백질을 합성하고 세포 밖으로 나오게 된다. 하지만 잠복감염 세포는 HIV가 숙주의 게놈속으로 들어간 후 전사활동을 중지하고 정지상태에 머물러 있다(Figure 2)[5]. 그러므로, HIV의 완전한 제거는 이러한 잠복감염 세포의 제거에 달려있다. 최근에 바이러스 복제와 잠복기의 조절에 있어서 히스톤 변형을 유발할 수 있는 크로마틴 리모델링 요소로서 히스톤 아세틸화효소(HAT: histone acetyltransferase)와 히스톤 탈아세틸화효소(HDAC: histone deacetylase)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 아세틸화가 적게 되어있는 크로마틴은 단단히 묶여 있는 상태로 다른 요소에 의한 영향을 받기가 어렵지만 아세틸화가 많이 되어있는 크로마틴은 활성화가 되어있는 상태로서 다양한 작용이 일어날 수 있다. 히스톤 탈아세틸화효소 억제제(HDAC inhibitor)는 활성화된 크로마틴이 불활성화된 크로마틴로 변화하는 것을 방지하여 히스톤의 활성화 상태를 유지하도록 한다(Figure 3)[2]. HIV가 만성 감염된 세포주인 U1 이나 ACH2 등에 히스톤탈아세틸화효소 억제제를 처리하게 되면 HIV의 발현이 유도되며 Table 1과 같이 다양한 히스톤탈아세틸화효소 억제제의 HIV 활성화에 대한 연구가 수행되고 있다 [6]. 이들 중 밸프로산(Valproic acid; VPA)는 원래 발작과 정신질환에 처방되는 약물로 Lehrman 연구진에 의해 HIV 감염환자 4명에게 enfuvirtide(HAART 치료제)을 처방한 후 4주에서 6주후에 16주 동안 매일 VPA을 처방하였으며 VPA는 혈중 농도는 40-100 ug/ml(0.25-0.6 mM)정도였다[7]. 잠복기에 있는 세포의 감소비율은 4명 중에 3명으로 상당히 감소하였으나 efuvirtide와 VPA 처리에 대한 의미있는 차이를 보이지 못했다. Siliciano 연구진에서는 3개월 동안 HAART와 VPA을 9명의 HIV 감염환자에게 투여 하였으며 5개월 후에 7명의 환자에서 잠복 저장소가 감소되지 않았으나 4명의 환자에서 HIV의 발현 비율은 증가 하였다 [8]. 2008년에는 Archin 연구진에 의해 11명의 HIV 감염환자에게 HAART와 VPA 처리를 하였으며 11명의 환자 중 4명의 환자에서 resting CD4+ T 세포의 감염이 50% 이상 감소되어 있었다[9]. 하지만 이 효과는 지속적으로 관찰이 되어야 할 것이다. 이처럼 VPA의 효과는 미미하거나 비특이적으로 나타나므로 특이적인 HDAC을 공격하기에 다소 효과가 부족한 것으로 예상된다.

                        
  또 다른 히스톤탈아세틸화효소 억제제인 사하(Suberoy lanilide hydroxamic acid: SAHA)는 HDAC의 그룹 I인 HDAC 1, 2, 3과 8을 효과적으로 억제하지만 그룹 II인 HDAC 4, 5, 7과 8에는 약한 효과를 나타낸다. Archin 그룹이 SAHA를 이용하여 HIV 잠복감염 세포주와 환자에게서 항바이러스 효과를 확인해 보았는데 J89 세포주에 SAHA를 처리하였을 때 HIV 발현이 증가되었으나 임상에서 적절한 수치 340 nM에서는 발현이 증가되지 못했으며 환자군에서는 5명의 환자 중 4명의 환자에서 적은 양의 바이러스가 생산되었다[10].

Ⅲ. 맺는 말

    HIV가 잠복 감염된 Resting CD4+ T 세포를 활성화 시킬 수 있는 히스톤탈아세틸화효소 억제제의 역할에 대한 임상연구가 활발히 진행 중에 있다. 환자에게 약물을 투여하여 억제제의 효과를 평가할 때는 환자의 안전이 가장 중요하며 적절한 농도의 약물을 선택하여 효과를 극대화하고 부작용은 최소화 할 수 있는 방안을 찾아야만 치료제로서의 역할을 수행할 수 있을 것이다. 그러기 위해서는 In Vitro 연구를 통하여 적절한 농도와 예상 가능한 반응들에 대한 연구를 수행하여 약물 효과를 평가하고 더불어 임상환자에게서 항레트로바이러스 치료 효과가 동반 되어야만 HIV/AIDS 치료제로서 사용될 수 있을 것이다.

1) 유전자가 모여서 이루는 염색체의 기본 단위, 크로마틴의 단위 구조체
2) 열린 구조의 크로마틴
3) 후성유전적인 억제 조절을 통하여 크로마틴 재구성을 담당하는 단백질
4) 유비퀴틴이 단백질에 결합함으로써 단백질의 분해를 촉진하는 작용
5) 아미노산의 중합체로서 소수의 아미노산이 연결된 형태

Ⅳ. 참고문헌

1. Hyeong Ju Kwon and Gyeong Hoon Kang. DNA methylation changes in human cancers, J of genetic medicine, 2009; 6: 1-7.
2. Kenichi Imai and Kuniuasu Ochiai. Role of histone modification on tranional regulation and HIV-1 gene expression: possible mechanisms of periodontal diseases in AIDS progression, J of Oral Science, 2011; 53: 1-13.
3. 노태영. 후성유전체와 전사조절.
4. Samuel A.F. Williams and Warner C. Greene. Host factors regulating post-integration latency of HIV, Trends in Microbiol, 2005; 13: 137-9.
5. Coiras M, Lopez-Huertas MR, Perez-Olmeda M, Alcami J. Understanding HIV-1 latnecy provides clues for the eradication of long-term reservoirs, Nat Rev Microbilol, 2009; 7: 798-812.
6. Matalon S, Rasmussen TA, Dinarello CA. Histone deacetylase inhibitors for purging HIV-1 from the latent reservoir, Mol Med, 2011; 17: 466-72.
7. Lehrman G, Hogue IB, Palmer S, Jenning C, Spina CA, Wiegand A, Landay AL, Coombs RW, Richman DD, Mellors JW, Coffin JM, Bosch RJ, Margolis DM. Depletion of latent HIV-1 infection in vivo: a proof-of concept study, Lancet, 2005; 366: 549-55.
8. Siliciano JD, Lai J, Callender M, Pitt E, Zhang H, Margolick JB, Gallant JE, Cofrancesco J Jr, Moore RD, Gange SJ, Silliciano RF. Stability of the latent reservoir for HIV-1 in patients receving valproic acid, J Infect Dis, 2007; 195: 833-35.
9. Archin NM, Eron JJ, Palmer S, Hartmann-Duff A, Martinson JA, Wiegand A, Bandarenko N, Schmitz JL, Bosch RJ, Landay AL, Coffin JM, Margolis DM. Valproic acid without intensified antiviral therapy has limited impact on persistent HIV infection of resting CD4+T cells, Aids, 2008; 22: 1131-35.
10. Archin NM, Espeseth A, Parker D, Cheema M, Hazuda D, Margolis DM. Expression of latent HIV induced by the potent HDAC inhibitor suberoylanilide hydroxamic acid, AIDS Res Hum Retroviruses, 2009; 25: 207-12.