종양괴사인자 알파(TNF alpha)는 26 kDa 막관통 단백질로 TNF 슈퍼패밀리의 하나로, 17 kDa가 분비되어 세포 내 신호전달을 매개한다. 원래 1975년에 대식세포에서 내독소 유도 당단백질로 확인되었고, 나중에 여러 세포 유형(Carswell et al., 1975)에서 유비쿼터스로 발현되는 것으로 결정된 TNF 알파는 두 개의 막 결합 수용체 중 하나인 TNFR1 및 TNFR2에 결합함으로써 여러 중요한 염증 및 아포토시스 경로를 자극한다(Agarwall, 2003). TNF 알파 수준은 사람의 건강한 조건에서는 감지할 수 없지만, 조직과 혈청에서 TNF 알파 수준의 상승은 염증 조건에서 발견된다(Robak et al, 1998). TNF 알파는 1984년에 처음 복제되었으며, 이후 20년 동안 종양 형성을 유도하는 역할에 중요한 초점을 두고 생체 내 및 시험관 내 실험의 초점이 되었다(Burugu et al, 2017; Wang et al, 2016; Pennica et al, 2005).

TNF 알파는 두 수용체 모두에 대해 유사한 친화력을 나타내지만, 그들의 분포와 기능은 다르다. TNFR1은 다양한 세포 유형에서 발현되는 반면, TNFR2는 특정 T세포 하위 집합을 포함한 조혈계 세포뿐만 아니라 면역 신호 내피세포 및 중간엽 줄기세포에서 주로 발견된다(Naudé et al., 2007; Aggarwal et al., 2003). TNF의 분비와 TNF 수용체의 처리의 조절은 TNF 변환 효소 또는 TACE라고 불리는 효소에 의해 매개된다. 이 효소는 세포 특이적 수준에서 TNF 알파 및 수용체의 항염증 기능을 조절하는 데 중요한 역할을 한다(Black et al., 1997).

TNFR1의 세포질 부분은 카스파제 캐스케이드를 통해 다운스트림 신호를 시작하는 데스 도메인을 포함한다. 대조적으로, TNFR2는 사망 도메인이 없고 세포막에서 TNF-수용체 관련 인자 1(TRAF1) 또는 TRAF2에 직접 결합한다(Nagata et al., 1995). TNFR1과 TNFR2 모두 NF-Kappa Beta 및 마이토젠 관련 단백질 키네이스(MAPK)의 활성화를 유도하여 염증 경로에 기여한다(Ledgerwood et al., 1999).

세포 특이적 발현 및 신호 전달 메커니즘을 포함하여 TNFR1과 TNFR2의 뚜렷한 특성은 면역계 내에서 TNF 알파 상호작용의 복잡성을 강조한다. 이러한 차이를 이해하는 것은 염증 과정에서 TNF 알파와 수용체의 정확한 역할을 밝히고 표적 치료 개입을 개발하는 데 중요하다.

TNFR1에 대한 리간드 결합은 카스파아제 캐스케이드를 통해 아포토시스를 유도한다. 특히, TNFR1의 세포질 죽음 영역은 외인성 또는 내재성 아포토시스(미토콘드리아 매개체)에 앞서 Fas-관련 죽음 영역(FAD) 및 caspase 8과 복합체를 형성하는 TNFR-관련 죽음 영역 단백질(TRADD)을 모집한다. 외인성 아포토시스는 활성 카스파아제 8에 의한 카스파아제 3의 분열 및 후속 활성화를 포함한다. 내인성 아포토시스는 친아포토시스 Bcl-2 단백질 Bid의 절단된 형태를 통해 촉진되며, Bax와 Bak의 미토콘드리아 막으로의 전위를 유도하여 시토크롬-c의 방출과 아포토솜의 형성을 유도한다. 외인성 및 내인성 아포토시스 경로는 모두 Caspase-3 활성화에서 정점을 이룬다(Kantari and Walczak, 2011; Wang et al, 1996). TNFR2는 죽음의 영역이 없기 때문에, 세포자살을 단독으로 유도하지는 않지만, TNFR1과 TNFR2 모두의 교차 대화에 대한 몇 가지 증거가 있다(Naudé et al, 2007).

TNFR1 및 -2의 결합은 또한 염증 경로 활성화를 유도한다. TRADD와 TRAF2 및 수용체 상호작용 단백질(RIP1)의 결합은 하류 IKK-복합체 활성화, IKappa Beta 인산화 및 분해, 핵 치환 및 NF-Kappa Beta 활성화를 유도하는 NF-Kappa Beta 소단위의 방출을 유도한다. 마찬가지로 TRADD 매개 TRAF2의 모집은 c-Jun N-말단 키네이스(JNK) 및 p38을 포함한 MAPK 경로를 활성화할 수 있으며, 이는 전사 인자 AP-1의 활성화를 초래한다(Blonska et al, 2005; Devin et al. 2001). 또한 TNF 알파 유도 NF-Kappa Beta 활성화에서 명백한 염증 경로와 아포토시스 경로 사이에 교차 대화가 존재하며, 이는 cFLIP 수준을 상향조절함으로써 아포토시스를 조절할 수 있으며, 이는 차례로 카스파제 8 활성화를 억제한다(Michau et al, 2001).

중요한 것은 급성 염증은 치료적이고 예방적인 자연 방어이다; 그러나 만성 염증은 해롭고 많은 병리학적 조건을 유발한다. TNF 알파는 내독소 유도 반응의 중요한 매개체로 확인되었다, 특히 대장균과 tnfr1-/-쥐가 지방다당류와 황색포도상구균에 내성을 갖는 것을 용이하게 한다(Pfeffer et al, 1993; Beutler et al, 1985). TNF 알파의 염증 효과는 주로 NF-카파 베타를 통해 매개된다. 만성 염증은 종양 발생의 전조 및 선행 위험 인자로 분류되며, 종양 미세 환경에서 염증 신호 전달은 종양 진행 및 저항을 촉진한다(Balkwill et al, 2005; Karin et al, 2005).또한 TNF 알파는 종양의 시작과 발달에 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다(Aggarwal et al, 2002; Sungamuma et al, 1999; Deigel et al, 1989). 종양 발달을 촉진하는 TNF 알파에 의해 사용되는 메커니즘 중 하나는 활성산소종(ROS)과 활성질소종(RNS)의 생성이며, 이는 다시 DNA 손상을 초래한다(Woo et al, 2000). 또한, TNF 알파는 혈관내피 성장인자(VEGF)와 같은 여러 혈관생성인자를 상향조절하여 종양세포의 혈관형성을 유도한다(Jing et al, 2011). 또한, TNF 알파는 상피 종양 세포의 운동성을 촉진한다(Rosen et al, 1991). 그러나 발암에서 TNF 알파의 역할은 위에서 설명한 신호 전달 반응의 범위로 인해 복잡하며, 이는 효과적으로 4개의 상이한 경로, 즉 사망 도메인 유도 친아포토시스 경로, 항아포토시스 경로, 세포자살-1(cIAP1)의 E3 유비퀴틴 리게이스 세포 억제제와의 TRAF2 연관성, MAPK 매개 AP-1 활성화, RIP1 유도 NF-카파 베타(Chen and Goeddel, 2002)에 의해 촉진되었다. 현재 합의는 TNF 알파 종양 미세 환경 농도와 세포 특이적 발현 증가 부위를 회피한다(Ohri et al, 2010).

표 1. 다양한 염증 조건에서 TNF 알파의 관여에 대한 개요.

TNF 알파는 암에 대한 주요 치료 표적을 제공한다. 현재까지 TNF 알파 발현 억제제(Majumdar et al, 2002), TNF 알파를 결합하고 중화시키는 TNF 알파 항체(예: infliximab)를 포함하여 TNF 알파를 표적화하고 억제하는 여러 약물이 개발되었지만, 이 중 일부는 부작용이 있는 것으로 나타났다(Keystone et al, 2004) 및 주로 NF-카파 베타를 표적으로 하는 TNF 알파 신호 전달 억제제(Aggarwal et al, 2006). 다른 사이토카인 중에서도 TNF 알파를 표적으로 하는 종양 조절의 여러 방법에는 수용 T세포 치료법이 포함되어 있는데, 이 방법은 항원 제시를 유도하기 위해 환자의 수지상 세포를 TNF 알파로 자극한다(Yee et al, 2002). 유사한 원리가 임상시험에서 어느 정도 성공적인 것으로 입증된 수지상 세포 표적 암 백신의 개발에 적용되었다(Ridgway, 2003). 전반적으로 사이토카인, 특히 세포 사멸과 세포 생존 신호 전달의 상반된 역할을 하는 TNF 알파를 표적으로 하는 것은 암 치료 및 염증성 질환 치료와 관련하여 큰 관심과 잠재력이 있는 분야이다.

그림 1: TNFa 신호 전달 경로. TNFa는 막 결합 수용체 TNFR1 또는 TNFR2에 결합하여 다운스트림 아포토시스 및 염증 신호 전달로 이어진다. TNFR1의 활성화는 TRADD, FADD 및 caspase-8을 포함하는 사망 유도 신호 전달 복합체의 형성을 유도한다. 이 복합체의 형성은 내인성 또는 외인성 경로에 의한 아포토시스의 유도로 이어지며, 둘 다 카스파아제-3의 분열에서 정점을 이룬다. 또한 TNFR1 또는 TNFR2 활성화에 의해 염증 반응 경로가 유도될 수 있으며, TNFR2는 어댑터 단백질 TRAF2를 통해 신호를 보내 RIP1, NIK 또는 MEK를 활성화하여 MAPK 및 NF-kB 활성화를 초래한다.

표 2. 일반적으로 사용되는 몇 가지 TNF 알파 억제제 및 일반적인 작용 메커니즘에 대한 개요