상피 성장인자 수용체

1. 개요

상피 성장 인자 수용체(EGFR)는 ErbB 수용체 계열에 속하는 막관통 단백질로, 다양한 리간드 결합에 의해 활성화된다. 1975년 섬유아세포에서 처음 발견되었으며, 세포 증식, 장기 발달, 면역 반응 조절 등 다양한 생물학적 역할을 수행한다. EGFR 유전자 변이는 암, 염증성 질환, 단일 유전자 질환과 관련 있으며, 특히 암에서 과발현되는 경우가 많아 치료 표적으로 활용된다. EGFR 억제제는 암 치료에 사용되며, 단일클론 항체와 소분자 억제제가 대표적이다.

2. 역사

1984년 닭 적아구증 바이러스의 암 유전자 v-erbB 염기서열과 EGFR 염기서열이 매우 유사하다는 것이 보고되었고, 암 유전자 erbB의 유전자 산물과 EGFR이 동일하다는 것이 밝혀졌다. 이후 v-erbB에 해당하는 인간 유전자에는 EGFR 유전자뿐만 아니라 HER2 유전자도 있다는 것이 밝혀졌다, EGFR 유전자는 erbB1, HER2 유전자는 erbB2로 불리게 되었다.

2.1. 발견의 역사

1975년 섬유아세포 표면에서 EGF 특이적 수용체의 존재가 보고되었고, 1978년 A431 인간 암세포주에서 170 kDa의 단백질로 동정되었다。1984년 닭 적아구증 바이러스 avian erythroblastic leukemia virus의 암 유전자 v-erbB 염기서열과 EGFR 염기서열이 매우 유사하다는 것이 보고되었으며, 암 유전자 erbB의 유전자 산물과 EGFR이 동일하다는 것이 밝혀졌다. 이후 v-erbB에 해당하는 인간 유전자에는 EGFR 유전자뿐만 아니라 HER2 유전자도 있다는 것이 밝혀져, EGFR 유전자는 erbB1, HER2 유전자는 erbB2로 명명되었다.

3. 구조

EGFR은 ErbB 수용체 계열에 속하는 막관통 단백질로, 세포외 영역, 막관통 영역, 세포내 영역의 세 부분으로 구성된다.

* 세포외 영역: 리간드 결합 부위를 가지며, 상피 성장인자(EGF), TGF-α, 암피레귤린, 헤파린 결합 EGF 유사 성장 인자(HB-EGF) 등 다양한 리간드와 결합할 수 있다. 이 영역은 621개의 아미노산으로 이루어져 있다.
* 막관통 영역: 23개의 아미노산으로 구성되어 세포막에 EGFR을 고정하는 역할을 한다.
* 세포내 영역: 티로신 키나아제 활성을 가지는 부위와 C-말단 영역으로 구성되며, 542개의 아미노산으로 이루어져 있다. 리간드 결합에 의해 활성화되어 하위 신호 전달을 개시한다. 이 영역의 티로신 잔기(Y992, Y1045, Y1068, Y1148, Y1173)가 인산화되면, 여러 단백질을 통해 하위 신호전달이 일어난다.

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수용체가 활성화되면 세포막 위를 이동하여 다른 수용체와 결합하여 이량체를 형성한다. EGFR은 EGFR끼리, 또는 다른 ErbB 계열 수용체와 이량체를 형성한다. 이량체를 형성하면 세포내 영역에 있는 티로신 키나아제 부위는 아데노신 삼인산(ATP)를 이용하여 수용체 세포내 영역에 있는 티로신 잔기를 인산화한다. 티로신이 인산화되면 세포 내의 다양한 단백질이 차례로 활성화되어(신호 전달) 세포의 기능과 구조에 변화를 준다.

4. 기능

상피 성장인자 수용체(EGFR)는 상피 성장인자 및 전환 성장인자 알파(TGF-α)를 포함한 특정 리간드의 결합에 의해 활성화되는 막관통 단백질이다. 성장인자 리간드가 결합하면 EGFR은 비활성 단량체 형태에서 활성 동종이합체로 전환된다. EGFR은 ErbB2/Her2/neu와 같은 ErbB 수용체 계열의 다른 구성원과 쌍을 이루어 활성화된 이종이합체를 생성할 수도 있다.

EGFR 이량체화는 고유의 세포내 단백질-티로신 키네이스 활성을 자극한다. 그 결과, EGFR의 C-말단 도메인에 있는 여러 티로신(Y) 잔기의 자가인산화가 발생한다. 이 자가인산화는 인산화된 티로신과 결합하는 여러 다른 단백질에 의한 하류 활성화 및 신호 전달을 유도한다. 이러한 하류 신호전달 단백질은 주로 MAPK, Akt 및 JNK 경로와 같은 여러 신호전달 계통을 시작하여 DNA 합성 및 세포 증식을 유도한다. 또한 세포 이동, 부착 및 증식과 같은 표현형을 조절하며, 인간 피부의 선천적 면역 반응에도 중요하다. EGFR의 키네이스 도메인은 응집된 다른 수용체의 티로신 잔기를 교차-인산화하여 스스로 활성화할 수 있다.

잘못된 EGFR 신호전달은 건선, 습진, 죽상동맥경화증과 관련이 있다.

EGFR은 체내 다양한 세포의 증식, 장기 발달 및 형성에 중요한 역할을 한다. EGFR 유전자를 인위적으로 결손시킨 마우스(녹아웃 마우스)는 태생기에 사망하거나, 피부, 폐, 소화관 등 장기의 상피에 심각한 발달 장애를 일으킨다. 반면, EGFR의 리간드인 EGF, 앰피레귤린, TGF-α, HB-EGF의 녹아웃 마우스는 각막, 피부, 모발 등에 경미한 발달 장애만 일으키므로, 상피 세포 발달에는 EGF 등 리간드보다 수용체가 더 중요하다고 여겨진다.

4.1. 생물학적 역할

EGFR은 유선의 관 발달에 필수적인 역할을 한다. 암피레귤린, TGF-α 및 헤레굴린과 같은 EGFR의 작용제는 에스트로겐과 프로게스테론이 없는 경우에도 관 및 소엽 폐포 발달을 모두 유도한다.

EGFR은 시상 하부의 실방핵 하부 영역에서 일주기 리듬(생체 시계) 조절 및 행동 활발함 조절에도 관여한다. EGFR의 기능이 저하된 야행성 마우스는 낮 동안의 행동이 활발해지고 빛에 노출되어도 행동이 억제되지 않았다.

또한, EGFR은 세균에 대한 피부 방어 기전에도 관여한다. 인간의 피부는 천연 항생 물질인 디펜신을 생산하여 세균, 특히 그람 양성 구균으로부터 생체를 방어하는데, 피부 세포의 EGFR은 헤파린 결합 EGF 유사 성장 인자의 수용체로서 이 디펜신 생산에 관여하고 있다.

5. 인간 질병에서의 역할

EGFR 과발현(상향조절 또는 증폭)을 초래하는 돌연변이는 두경부암, 폐 선암종, 항문암, 교모세포종을 비롯한 여러 암과 관련이 있다. EGFR과 관련된 이러한 체세포 돌연변이는 지속적인 활성화를 유도하여 제어되지 않는 세포 분열을 일으킨다.

비정상적인 EGFR 신호전달은 건선, 습진 및 죽상동맥경화증과 관련되어 있으나, 이러한 질환에서 EGFR의 정확한 역할은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.

다기관 상피 염증을 보이는 한 명의 어린이에게서 EGFR 유전자의 동형접합 기능 상실 돌연변이가 발견되었다. EGFR 돌연변이의 병원성은 시험관 내 실험과 피부 생검의 기능 분석을 통해 확인되었다. 이 어린이의 임상 특징에는 구진농포성 발진, 건조한 피부, 만성 설사, 모발 성장 이상, 호흡 곤란 및 전해질 불균형 등이 있었다.

EGFR은 TGF-베타1 의존성 섬유아세포에서 근섬유아세포로 분화하는 데 중요한 역할을 한다. 조직 내 근섬유아세포의 비정상적인 지속은 진행성 조직 섬유화, 조직 또는 기관 기능 손상(예: 피부 비대성 또는 켈로이드 흉터, 간경화, 심근 섬유증, 만성 신장 질환)을 유발할 수 있다.

5.1. 암

EGFR 과발현 또는 돌연변이는 두경부암, 폐 선암종, 항문암, 교모세포종 등 다양한 암에서 발견되며, 암세포의 증식, 생존, 전이 등을 촉진한다. 교모세포종에서는 EGFRvIII이라고 불리는 특정 돌연변이가 자주 관찰된다. EGFR 또는 ErbB 계열 구성원의 돌연변이, 증폭, 조절 이상은 모든 상피암의 약 30%와 관련이 있다.

비정상적인 EGFR 신호전달은 건선, 습진 및 죽상동맥경화증과 관련되어 있으나, 이러한 질환에서 EGFR의 정확한 역할은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.

다기관 상피 염증을 앓는 한 어린이에게서 EGFR 유전자의 동형접합 기능 상실 돌연변이가 발견되었다. EGFR 돌연변이의 병원성은 시험관 내 실험과 피부 생검의 기능 분석을 통해 확인되었다. 이 어린이의 심각한 표현형은 EGFR 기능에 대한 이전 연구 결과들을 반영한다. 임상 특징으로는 구진농포성 발진, 건조한 피부, 만성 설사, 모발 성장 이상, 호흡 곤란 및 전해질 불균형 등이 있었다.

EGFR은 TGF-베타1 의존성 섬유아세포에서 근섬유아세포로 분화하는 데 중요한 역할을 한다. 조직 내 근섬유아세포의 비정상적인 지속은 진행성 조직 섬유화, 조직 또는 기관 기능 손상(예: 피부 비대성 또는 켈로이드 흉터, 간경화, 심근 섬유증, 만성 신장 질환)을 유발할 수 있다.

5.1.1. 과다 발현

돌연변이로 인해 EGFR이 과발현(상향 조절 또는 증폭)되면 폐 선암종(사례의 40%), 항문암, 교모세포종(50%), 두경부암(80–100%) 등 여러 암과 관련이 있다. EGFR 관련 체세포 돌연변이는 EGFR의 지속적인 활성화를 유발하여 통제되지 않는 세포 분열을 일으킨다. 교모세포종에서는 EGFRvIII이라는 EGFR의 특정 돌연변이가 자주 관찰된다. EGFR 또는 그 계열 구성원의 돌연변이, 증폭, 오조절은 모든 상피암의 약 30%와 관련이 있다.

EGFR은 다양한 악성 종양에서 과다 발현이 관찰된다. 암의 EGFR 과다 발현은 예후 불량 인자이다.

5.1.2. 세포외 영역의 변이

1988년 인체 다형성 교아세포종 세포에서 세포외 영역이 결손된 140 kDa의 EGFR이 발견되었다. 세포외 영역 중 엑손 2부터 7까지의 부분이 없는 이 변이형은 3형 EGFR (type 3 EGFR), EGFRvIII, de2-7 EGFR, ΔEGFR 등으로 불린다. 리간드 결합 부위가 없어 리간드가 결합하지 않아도 항상 활성화된다. 유방암, 소세포암, 뇌종양(교모세포종), 전립선암, 구강암 등에서 세포 증식, 악성화에 관여한다.

5.1.3. 세포내 영역의 변이

돌연변이로 EGFR이 과발현(상향 조절 또는 증폭이라고도 함)되면 폐 선암종(사례의 40%), 항문암, 교모세포종(50%), 두경부암(80–100%)을 포함한 여러 암과 관련이 있게 된다. EGFR과 관련된 이러한 체세포 돌연변이는 EGFR의 지속적인 활성화를 유발하여 통제되지 않는 세포 분열을 일으킨다. 교모세포종에서 EGFRvIII이라고 하는 EGFR의 특정 돌연변이가 자주 관찰된다. EGFR 또는 그 계열 구성원의 돌연변이, 증폭 또는 오조절은 모든 상피암의 약 30%와 관련이 있다.

5.2. 염증성 질환

EGFR의 비정상적인 신호전달은 건선, 습진 및 죽상동맥경화증과 관련되어 있다. 그러나 이러한 질환에서 EGFR의 정확한 역할은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.

5.3. 단일 유전자 질환

EGFR 유전자의 동형접합 기능 상실 돌연변이는 다기관 상피 염증을 유발하는 희귀 질환의 원인으로 밝혀졌다. 환자는 구진농포성 발진, 건조한 피부, 만성 설사, 모발 성장 이상, 호흡 곤란, 전해질 불균형 등의 증상을 보인다. EGFR 돌연변이의 병원성은 시험관 내 실험과 피부 생검의 기능 분석을 통해 뒷받침되었다.

5.4. 상처 치유 및 섬유화

EGFR은 TGF-β1 의존적인 섬유아세포에서 근섬유아세포로 분화하는데 중요한 역할을 한다. 조직 내 근섬유아세포의 비정상적인 지속은 진행성 조직 섬유증을 유발하여 비대성 반흔, 켈로이드, 간경변, 심근 섬유증, 만성 신장 질환 등 조직 또는 장기 기능 손상을 초래할 수 있다.

6. 의학적 활용

EGFR이 종양유전자로 확인됨에 따라 EGFR 억제제(EGFRi)를 활용한 항암 치료법이 개발되었다. 폐암과 대장암의 경우 세툭시맙(cetuximab)이 사용된다.

EGFR을 표적으로 하는 치료법에는 세툭시맙과 파니투무맙 같은 단일클론 항체 억제제가 있다. 세툭시맙은 IgG1 유형, 파니투무맙은 IgG2 유형으로, 항체 의존성 세포 독성에 차이가 있을 수 있다. 잘루투무맙, 니모투주맙, 마투주맙 등도 임상 개발 중인 단일클론 항체이다.

다른 치료법으로는 작은 분자를 이용하여 수용체 세포질 쪽에 있는 EGFR 티로신 키나아제를 억제하는 방법이 있다.

6.1. 약물 표적

EGFR은 종양유전자로 확인됨에 따라, EGFR을 표적으로 하는 다양한 항암 치료법(EGFR 억제제, EGFRi)이 개발되었다. EGFR 억제제는 크게 단일클론 항체와 소분자 억제제로 나눌 수 있다.

폐암 치료에는 게피티니브, 엘로티니브, 아파티니브, AP26113, 이코티니브, 오시메르티니브 등이 사용되며, 대장암 치료에는 세툭시맙이 사용된다.

6.1.1. 단일클론 항체 억제제

세툭시맙, 파니투무맙, 잘루투무맙, 니모투주맙, 마투주맙과 같은 단일클론 항체는 상피 성장인자 수용체(EGFR)의 세포외 리간드 결합 도메인을 차단하여 신호 전달을 억제한다. 결합 부위가 차단되면 신호 분자가 더 이상 부착될 수 없어 티로신 키나아제를 활성화할 수 없게 된다. 세툭시맙과 파니투무맙은 항체 의존성 세포 독성(ADCC)에서 차이를 보일 수 있는데, 전자는 IgG1 유형이고 후자는 IgG2 유형이기 때문이다.

마투주맙은 항EGFR 단일클론 항체로 제II상 임상시험까지 실시되었으나 기대했던 유효성이 나타나지 않아 개발이 중단되었다.

6.1.2. 소분자 억제제

게피티니브, 엘로티니브, 브리가티닙, 라파티니브는 EGFR 티로신 키나아제를 억제하는 소분자 억제제이다. 이들은 수용체의 세포질 쪽에 있는 EGFR 티로신 키나아제 활성을 억제하여, 하위 어댑터 단백질 결합을 막고 신호 전달 연쇄 반응을 중단시킨다. 그 결과, 종양 증식과 이동이 감소한다.

오시메르티니브, 게피티니브, 엘로티니브, 브리가티닙은 EGFR을 직접 표적으로 하는 약물이다. 게피티니브, 엘로티닙, 다코미티니브는 EGFR 티로신 키나아제를 특이적으로 억제하는 경구 항암제로, 주로 비소세포 폐암 치료에 사용된다.

라파티닙은 EGFR 및 HER2 티로신 키나아제를 선택적, 가역적으로 억제하여 HER2 과발현 유방암 종양 세포의 증식을 억제하고 아폽토시스를 유도한다.

6.1.3. 기타 접근법

CimaVax-EGF는 EGF의 주요 리간드인 EGF를 표적으로 하는 능동 백신이다. 이 백신은 EGF 자체에 대한 항체를 생성하여 EGFR 의존성 암에 증식 자극을 차단한다. CimaVax-EGF는 비소세포 폐암(가장 흔한 형태의 폐암) 치료에 사용되고 있으며, 일본, 유럽, 미국에서 허가를 받기 위한 추가 임상 시험이 진행 중이다.

단백질 인산화 검출을 사용하여 EGFR 계열 억제제를 식별하는 여러 정량적 방법이 있다.

오시메르티니브, 게피티니브, 엘로티니브 및 브리가티닙과 같은 새로운 약물은 EGFR을 직접 표적으로 한다. 환자는 조직 검사에서 돌연변이가 나타나는지에 따라 EGFR 양성 및 EGFR 음성으로 구분된다. EGFR 양성 환자는 60%의 반응률을 보였으며, 이는 기존의 화학 요법 반응률을 초과한다.

그러나 많은 환자에게 내성이 생긴다. 내성의 두 가지 주요 원인은 T790M 돌연변이와 MET 종양 유전자이다. 2010년 현재 내성에 대처하기 위한 승인된 접근법에 대한 합의가 없었고, 특정 조합에 대한 FDA 승인도 없었다. T790M 돌연변이를 표적으로 하는 브리가티닙에 대한 임상 시험 2상 결과가 보고되었으며, 브리가티닙은 2015년 2월 FDA로부터 혁신 치료제 지정을 받았다.

EGFR 억제제의 가장 흔한 부작용은 환자의 90% 이상에서 나타나며 얼굴과 몸통에 퍼지는 구진농포 발진이다. 발진의 존재는 약물의 항종양 효과와 상관관계가 있다. 환자의 10%에서 15%는 심각한 영향을 미칠 수 있으며 치료가 필요하다.

Veristrat와 같이 EGFR 치료로부터의 이점을 예측하기 위한 일부 검사가 진행 중이다.

2014년, EGFR을 표적으로 하는 유전자 조작 줄기 세포를 이용한 생쥐 실험실 연구에서 유망한 결과가 보고되었다. EGFR은 단일 클론 항체와 특정 티로신 키나아제 억제제의 잘 확립된 표적이다.

6.1.4. EGFR 억제제 내성

EGFR을 종양유전자로 확인하면서 EGFR을 표적으로 하는 항암 치료제(이하 "EGFR 억제제", EGFRi) 개발로 이어졌지만, 많은 환자에게 내성이 생겼다. 내성의 두 가지 주요 원인은 T790M 돌연변이와 MET 종양 유전자이다. 2010년 현재 내성에 대처하기 위한 승인된 접근법에 대한 합의가 없었고, 특정 조합에 대한 FDA 승인도 없었다. T790M 돌연변이를 표적으로 하는 브리가티닙에 대한 임상 시험 2상 결과가 보고되었으며, 브리가티닙은 2015년 2월 FDA로부터 혁신 치료제 지정을 받았다.

오시메르티니브, 게피티니브, 엘로티니브 및 브리가티닙과 같은 새로운 약물은 EGFR을 직접 표적으로 한다. 환자는 조직 검사에서 돌연변이가 나타나는지에 따라 EGFR 양성 및 EGFR 음성으로 구분된다. EGFR 양성 환자는 60%의 반응률을 보였으며, 이는 기존의 화학 요법 반응률을 초과한다.

6.1.5. 부작용

EGFR 억제제의 가장 흔한 부작용은 구진농포성 발진으로, 환자의 90% 이상에서 나타나며 얼굴과 몸통에 퍼진다. 발진의 존재는 약물의 항종양 효과와 상관관계가 있다. 환자의 10%에서 15%는 증상이 심각하여 치료가 필요할 수 있다.

6.2. 영상 제제 표적

영상화 제제는 표지된 EGF를 사용하여 EGFR 의존성 암을 식별하도록 개발되었다. EGFR 발현의 생체 내 영상화 가능성은 여러 연구를 통해 입증되었다.

7. 상호작용

상피 성장 인자 수용체는 다음과 같은 단백질들과 상호작용하는 것으로 나타났다.

* AR
* ARF4
* CAV1
* CAV3
* CBL
* CBLB
* CBLC
* CD44
* CDC25A
* CRK
* CTNNB1
* DCN
* EGF
* GRB14
* Grb2
* JAK2
* MUC1
* NCK1
* NCK2
* PKC 알파
* PLCG1
* PLSCR1
* PTPN1
* PTPN11
* PTPN6
* PTPRK
* SH2D3A
* SH3KBP1
* SHC1
* SOS1
* Src
* STAT1
* STAT3
* STAT5A
* UBC
* WAS
* PAR2

초파리에서 상피 성장 인자 수용체는 Spitz와 상호작용한다.

8. 인트론 1의 CA 반복

종양 세포의 EGFR 유전자 인트론 1은 CA 반복 횟수가 14~21회로 종양에 따라 차이를 보이며, 이 길이가 길면 EGFR의 전사 활성 및 발현이 감소한다. 이 길이의 차이가 악성 종양 환자의 예후에 영향을 미칠 가능성이 지적되었으며, 비소세포폐암 환자에서 짧은 쪽이 유의하게 예후가 나빴다는 보고가 있었다. 또한, CA 반복 횟수와 EGFR 티로신 인산화효소 억제제의 효과와의 관련성도 지적되었으며, 세포주 수준에서는 CA 반복 횟수가 짧은 쪽이 얼로티닙의 항종양 효과가 높았다. 정상 세포의 CA 반복 횟수는 EGFR 티로신 인산화효소 억제제의 부작용과 상관하며, 얼로티닙을 투여받은 대장암 환자에서는 정상 세포의 CA 반복 횟수가 적은 쪽이 부작용인 피부 장애가 심했다.