CPP는 세포를 투과하는 펩타이드라는 의미로, 제약 바이오에서 약물 전달 플랫폼으로 활용하기에 좋은 아이디어 중 하나입니다. 그런데 이를 활용하기 위해서는 기전과 응용 방식을 먼저 알아야겠죠. 이 글에서는 CPP가 무엇이고 어떤 원리로 세포에 투과되는지 어떻게 활용되고 있는지 설명해 드립니다.
CPP란?
세포 침투 펩타이드(CPP)는 일반적으로 10-30개의 아미노산으로 구성된 짧은 펩타이드로 세포막을 자유롭게 통과할 수 있는 능력을 가지고 있습니다.
PTD(Protein Transduction Domains) 또는 MTS(Membrane Translocation Sequences)로도 알려진 CPP는 단백질, DNA, RNA 및 기타 펩타이드와 같은 다양한 분자 화물을 세포로 전달하는 것을 용이하게 합니다.
이 속성은 생의학 연구 및 치료 응용 분야, 특히 세포막을 통해 그러한 물질을 수송하는 것이 어려운 시나리오에서 매우 중요합니다.
CPP는 다양한 고유 특성을 나타냅니다. 예를 들어, 세포 침투에는 에너지가 필요하지 않고 세포 독성을 유발하지 않으며 특정 세포막 수용체에 대한 필요성을 우회합니다.
대부분의 CPP는 높은 비율의 염기성 아미노산, 특히 라이신과 아르기닌을 함유하고 있으며 일부는 양친매성 알파-나선 구조를 가지고 있습니다.
또한 CPP는 인간 단백질, 바이러스, 심지어 인공 디자인을 비롯한 다양한 소스에서 유래할 수 있습니다.
CPP의 각 유형은 독특한 구조적 및 기능적 특성을 부여하는 고유한 아미노산 서열을 보유합니다.
CPP의 종류
일반적으로 CPP로 알려진 세포 침투 펩타이드는 광범위한 구조와 기능을 가지고 있습니다. 독성을 유발하거나 에너지를 사용하지 않고 세포막을 통과하는 공통 기능을 공유하지만 구성과 구조가 크게 다릅니다.
여기에서는 구조와 기능에 초점을 맞춰 여러 유형의 CPP에 대해 간략하게 설명합니다.
| 이름 | 아미노산 서열 | 유래 |
|---|---|---|
| Tat | GRKKRRQRRRPPQ | Tat protein of HIV-1 virus |
| Antennapedia (Penetratin) | RQIKIWFQNRRMKWKK | Homeoproteins |
| VP22 | DAATATRGRSAASRPTERPRAPARSASRPRRPVE | Taguement protein in HSV-1 virus envelope |
| R11 (R9) | RRRRRRRRRRR (RRRRRRRRR) | Artificial peptide |
| Transportan | GWTLNSAGYLLKINLKALAALAKKIL | Chimeric peptide of neuropeptide Galanin and mastoparan |
| Hph-1 | YARVRRRGPRR | Transcription factor Hph-1 protein |
| Signal sequence based peptide | AAVALLPAVLLALLAP | Signal peptide of kFGF (Kaposi Fibroblast Growth Factor) |
| Amphipathic peptide | KLALKLALKALKAALKLA | Artificial peptide |
1. Tat
Tat는 인간 면역결핍 바이러스-1(HIV-1)에서 파생된 CPP입니다.
86개의 아미노산으로 구성되어 있으며 감염된 세포에서 HIV-1의 전사 및 복제를 유도하고 바이러스를 재활성화시키는 전사 인자입니다.
이러한 아미노산 중에서 RKKKRRQRRR 부위(Tat transactivator의 49-57개 아미노산을 나타냄)는 CPP로 기능하는 최소 부위입니다.
염기성 아미노산인 아르기닌 또는 라이신이 Tat의 세포 침투 효율을 결정하는 데 결정적인 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다. 다수의 Tat 펩타이드는 리포솜과 같은 더 큰 물질을 세포로 수송하는 것을 촉진하는 것으로 밝혀졌습니다.
2. Penetratin
Penetratin은 Drosophila의 Antennapedia 단백질(Antp)의 호메오도메인에서 파생된 또 다른 CPP입니다.
Drosophila의 배아 발생에 관여하는 이 호메오단백질은 homeodomain에 helix-turn-helix 구조를 가지고 있으며, 이는 Antp에서 유래된 펩타이드의 세포 투과성에 중추적인 역할을 하는 것으로 간주됩니다.
Drosophila와 인간에서 동일한 homeodomain의 세 번째 나선에 위치한 시퀀스 RQIKIWFQNRRMKWKK는 세포 투과성에 중요합니다.
현재 penetratin으로 상용화된 이 CPP는 분자생물학 연구에서 transfection 시약으로 사용됩니다.
3. Endogenous CPPs
인체 내의 여러 단백질도 CPP의 공급원 역할을 합니다. 한 가지 예는 세포 내 산소 농도에 따라 특정 유전자의 발현을 조절하는 전사 인자인 HIF-1(Hypoxia-inducible factor 1)입니다.
HIF-1은 CPP로 기능하는 것으로 알려져 있습니다. 유사하게, 인간 단백질 Hox-A5의 호메오도메인은 Drosophila의 Antp, 특히 세포 투과성을 나타내는 RQIKIWFQNRRMKWKK 영역과 91% 유사성을 보여줍니다.
이것은 Hox-A5와 같은 인간 호메오단백질도 CPP로 기능한다는 것을 시사합니다.
4. Synthetic CPPs
과학자들은 세포막을 효과적으로 횡단하는 합성 CPP를 설계했으며 종종 아르기닌 또는 라이신과 같은 양전하 서열을 추가하여 펩티드의 세포 침투 특성을 최적화했습니다.
예를 들면 아르기닌 잔기로 완전히 구성되고 CPP로 기능하는 R9 및 R11이 있습니다. 주목할만한 또 다른 합성 CPP는 갈라닌 신경펩티드와 세포독성 마스토파란 펩티드에서 유래한 키메라 펩티드인 Transportan입니다.
Transportan의 AGYLLGKINLKALAALAKKIL 부위는 세포 투과성에 필요하며 세포막을 뚫고 수용체에 결합하는 능력에 기여합니다.
요약하면 CPP는 기원, 아미노산 서열 및 구조에 따라 여러 유형으로 분류될 수 있지만 모두 세포막을 관통하는 근본적인 능력을 공유합니다.
약물 전달 및 질병 치료의 잠재력과 결합된 고유한 특성은 CPP를 진행 중인 연구의 중요한 영역으로 만듭니다.
CPP의 세포투과 기전
그림 출처 - Journal of Bacteriology and Virology 2013. Vol. 43, No. 3p.177 – 185
DOI - 10.4167/jbv.2013.43.3.177
세포투과 기전은 크게 직접 투과와 Endocytosis로 나뉩니다.
직접 투과
직접 투과는 CPP가 세포막을 직접 통과하여 세포 안으로 들어가는 과정을 말합니다. 이것은 세 가지 모델로 나뉩니다.
1. Barrel-Stave 모델: 이 모델에서 CPP는 세포막의 지질 이중층과 상호 작용하고 막에 수직으로 정렬한 다음 '배럴' 또는 '공극' 구조를 형성합니다.
이 '배럴'의 내부 부분은 다른 친수성 분자의 통과를 가능하게 하는 CPP의 친수성(물을 좋아하는) 부분으로 구성됩니다.
2. 카펫 모델: CPP는 세포막 표면에 평행하게 정렬되어 '카펫'처럼 세포막을 덮습니다.
CPP와 막 지질 사이의 상호 작용은 지질 이중층을 불안정하게 하여 CPP가 세포에 들어갈 수 있게 하는 마이셀 유사 구조의 형성을 유도합니다.
3. Toroidal-Pore 모델: Barrel-stave 모델과 유사하게 CPP는 멤브레인에 수직으로 정렬됩니다.
그러나 '배럴' 구조를 형성하는 CPP 대신 세포막의 지질 분자가 구부러져 '토로이달'(도넛 모양) 기공을 형성하고 이를 통해 CPP가 세포로 들어갈 수 있습니다.
Endocytosis
Endocytosis는 세포가 외부 물질을 삼켜 세포 내 소포를 형성한 다음 내부화되는 과정을 말합니다. 이는 다음과 같이 또 분류할 수 있습니다.
- Phagocytosis: 이것은 세포가 큰 입자 또는 전체 세포를 '먹는' 과정입니다. 주로 면역 세포가 병원체를 삼켜 파괴하거나 세포가 사멸 세포를 삼키는 데 사용합니다.
- Pinocytosis: '세포 음용'이라고도 알려진 Pinocytosis는 세포가 용해된 용질과 함께 세포외액을 삼키는 과정입니다.
다음은 각 모델을 요약한 표입니다.
| 투과 기전 유형 | 하위 유형 | 설명 |
| 직접 투과 | Barrel-Stave Model | CPP는 세포막을 통해 통 모양의 기공을 형성합니다 |
| Carpet Model | CPP는 카펫처럼 멤브레인 위에 평평하게 놓인 다음 셀에 들어갑니다. | |
| Toroidal-Pore Model | CPP는 세포막이 토로이달 기공을 형성하도록 유도합니다. | |
| Endocytosis | Phagocytosis | 세포가 큰 입자나 세포를 삼킨다 |
| Pinocytosis | 세포는 세포외액을 삼킨 |
CPP의 활용 및 적용 사례
Cell Penetrating Peptides (CPPs)는 여러 질병 치료에 있어 효과적인 치료법으로 인식되고 있습니다.
CPPs는 크기가 크거나 세포 내부로의 침투가 어려운 물질들을 세포막을 통과하도록 도와주는 역할을 합니다.
이러한 CPPs의 특징은 단백질 기반의 치료제를 직접적으로 세포 내부로 전달하도록 하여 종양, 면역질환, 대사질환 등의 치료에 활용될 수 있습니다. CPPs는 또한 안티센스 올리고뉴클레오타이드의 세포 내부로의 전달을 증진시키는 역할도 합니다.
이는 세포 내부의 특정 유전자를 표적으로 하여 질병의 치료에 적용될 수 있습니다.
다음은 몇 가지 CPPs의 적용 사례입니다.
1. R11: R11 (RRRRRRRRRRR)은 VIVIT (면역억제 펩타이드)를 이식된 마우스의 세포로 전달하였습니다. 이 경우, 이식 반응(이종면역반응)을 억제함으로써 마우스의 생존율을 높였습니다.
2. MTM: MTM (AANLLPNLLAAP)은 SOCS3 (면역억제 단백질)를 전달하여 마우스의 패혈증을 치료하였습니다. 이는 면역 억제를 통해 마우스의 생존율을 높였습니다.
3. Hph-1: Hph-1 (YARVPPPGPRR)은 CTLA-4의 세포 내 도메인 (면역억제 단백질)을 전달하여 마우스의 알레르기 반응을 완화하였습니다.
이 경우도 면역 억제를 통해 치료 효과를 얻었습니다. 이들 CPPs의 적용은 본질적으로 세포 내부로 물질을 전달하고, 이를 통해 유전자의 발현을 조절하거나 면역 반응을 억제하는 등의 방식으로 작용합니다.
이런 특징은 이들 펩타이드가 다양한 질병 치료에 활용될 수 있음을 보여줍니다.
결론적으로 CPP(Cell-Penetrating Peptides)는 다양한 생의학 응용 분야, 특히 질병 치료를 위한 치료 분자 전달 분야에서 유망한 도구를 제시합니다.
그들은 단백질 기반 치료, 안티센스 올리고뉴클레오티드 기술, siRNA 기반 유전자 침묵 및 나노캐리어 약물 전달의 향상에서 잠재력을 입증했습니다.
CPP 기반 전략은 실험실 연구에서 고무적인 결과를 보여 주었지만 치료 잠재력을 최대한 활용하기 위해 전달의 안정성, 효율성 및 특이성과 같은 문제를 해결하기 위해서는 추가 연구 및 개발이 필요합니다.
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