BBS5, Bardet-Biedl 증후군의 직접 병원성 유전자

BBS5유전자

BBS5 유전자(Bardet-Biedl Syndrome 5)는 인간 염색체 2q31.1에 있는 유전자의 전체 길이는 약 27kb이며, 모두 12개의 외현자를 가지고 있습니다.부호화된 BBS5 단백질은 341개의 아미노산 잔기(Residue)로 이루어져 있으며 체내에서 인지질(특히 포스파티딜이노시톨 3-인산)의 결합을 유도합니다.또 BBS5 단백질은 BBS1, BBS2, BBS4, BBS7, BBS8, BBS9, BBS18 단백질과 함께 이소팔중합체 단백질(hetero-octameric complex)의 일종인 BBSome을 만들어 일차섬모(Primary cilia)안정화에 핵심 역할을 합니다.BBSome의 이상은 심각한 Bardet-Biedl 증후군(BBS)을 초래할 수 있습니다.

Bardet-Biedl 증후군

Bardet-Biedl 증후군(BBS)은 희귀한 상염색체 열성유전성(Recessive inheritance) 섬유병으로 Bardet과 Biedl 의사가 각각 이 병의 전형적인 증상을 독자적으로 묘사해 붙여진 이름입니다.BBS 주요 임상표현으로는 망막 영양실조, 선천성 비만, 다지발가락 기형, 생식선 발달 부전, 지적 발달 지연, 신장 이상을 꼽았습니다.이외에도 BBS 환자는 후각과 청각 상실, 사시, 치아 기형, 내분비 교란 등 다양한 임상적 특징을 동반하고 있습니다. BBS의 발병률은 뚜렷한 지역적 차별성을 가지고 있으며 북미 및 유럽에서의 발병률은 약 1/160000-1/140000인데 비해 일본은 구미인보다 훨씬 낮은 1/18000000에 불과합니다.환자가 4개 이상의 주요 특징 또는 3개 이상의 주요 특징과 2개 이상의 부차적 특징을 모두 가지고 있다면 BBS[1]로 진단할 수 있습니다.

그림 1. Bardet-Biedl증후군의 임상 및 진단특징 [1]

(i) Bardet-Biedl 증후군과 관련된 임상적 특징. (A-D) 전형적인 얼굴 특징이지만 항상 존재하는 것은 아님.광대뼈의 발달부전, 콧등의 오목함, 움푹 팬 눈과 턱의 뒷축소를 포함한다.(E) 짧은 손가락. (F) 이가 붐비다.(G) 미각 상실.(H) 망막 영양 결핍.

(ii) Bardet-Biedl 증후군의 진단 특징.

현재 21개의 BBS 병원성 유전자(BBS1-BBS21)가 검출됐는데 이들 유전자의 돌연변이가 BBS 임상 진단 사례의 80%를 차지하고 있으며 특히 핵심 BBSome 복합체에 영향을 미치는 유전자 돌연변이가 큰 비중을 차지합니다.이 중 BBSome 복합체를 구성하는 일부 유전자인 BBS1, BBS2, BBS9, BBS5는 BBS 환자의 각각 23.3%, 8.1%, 6.0%, 2%[2-3]의 돌연변이를 보였습니다.BBSome은 섬모분화의 필수 성분으로, BBSome은 Intraflagellar Transport, IFT 복합체의 조립 및 재구성에 관여하고 있습니다(그림2E-2F). BBSome을 구성하는 BBS 유전자가 돌연변이를 일으키면 BBSome의 구조와 기능에 영향을 미쳐 IFT를 교란시켜 BBS의 표징을 일으킬 수 있습니다[4].

그림 2. 섬모에서의 BBSome의 역할 [4].

(A)BBSome이 Vesicles를 식별함. (B) BBSome 조립은 일련의 중간 복합체에 관한 것으로, BBS6, BBS10 및 BBS12로 이루어진 반려 단백질 복합체에 의해 촉진된다.(C) BBS4는 마이크로파이프와 동력단백질 의존성 과정에서 중심입자 주변으로 단백질을 운반하는 데 관여한다.(D) 중심 주변 영역은 BBS4의 저장소 역할을 하여 BBSome의 사용성을 제어한다.(E) BBSome은 IFT의 조립에 참여하고 IFT를 섬모첨단에 전달한다.(F)BBSome의 탈착은 섬모 팁의 IFT 재구성을 유도한다.

BBS5 녹아웃 마우스

Bentley 등은 BBS5의 병원성 메커니즘을 깊이 연구하기 위해 Bbs5 완전 녹아웃 마우스모델(Bbs5-/-마우스)과 Bbs5 조건성 녹아웃 마우스모델(Bbs5flox/flox마우스)을 함께 구축했습니다. 연구 결과 Bbs5-/-마우스의 생존 능력은 떨어지지만 섬모 발생에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다.Bbs5-/-마우스는 머리얼굴 결함, 골격 변형 단축, 뇌실 확대, 불임, 하수체(hypophysis) 이상, 비만을 포함하는 복잡한 표형을 가지고 있습니다.Bbs5flox/flox 마우스의 경우 어떤 연령 단계에서 Bbs5 돌연변이가 일어나더라도 비만 증상을 유발할 수 있습니다.하지만 발육 시작 시기에 Bbs5 돌연변이가 진행돼야 Bbs5flox/flox 마우스가 남성불임과 뇌실 확대, 하수체(hypophysis) 이상을 겪게 됩니다.다른 BBS 유전자 돌연변이 마우스 모델에 비해 Bbs5 돌연변이로 인한 하수체(hypophysis) 기능 이상을 중점적으로 임상 관여할 수 있는 새로운 아이디어가 제시됐습니다.(5)

그림 3. Bbs5 완전 녹아웃 마우스 모델(Bbs5-/-마우스)이 하수체에 미치는 영향 [5].

A)하수체 MR 이미지는 Bbs5 -/- 구조 [어떤 구조] 이상(적색 화살표)을 나타냄. B)헤마톡실린-에오신(Hematoxylin- Eosin,H&E)으로 염색한 하수체. C) 하수체 PN, PI 및 PD 영역의 확대. D)하수체 섬모면역 형광염색.MR 이미지의 부피 분석. E)하수체. F) 측뇌실. G)후각구. H)피질.

BBS의 치료

현재 임상에서는 주로 BBS를 대증적 치료전략으로 치료하고 있습니다.BBS의 병원성 유전자가 깊이 발굴되고 유전자 치료 기술이 크게 진전됨에 따라 현재 BBS 유전자 치료의 타당성을 검증한 여러 연구들이 있습니다.예를 들어 Wu 등이 개발한 BBS4 아데노바이러스 운반체는 BBS4 돌연변이 마우스의 감광세포 이상 문제를 바로잡는데 효과적입니다.Drack 등은 BBS1 아데노바이러스 운반체를 구축해 BBS1 유전자 결핍 마우스의 망막 이상 문제를 개선했습니다.University of Zurich(UZH) 연구진은 재조합 snRNA U1을 이용하여 BBS1 유전자의 병원점 돌연변이 C.479G>A를 교정하고 BBS1의 비정상적인 접합을 부분적으로 수정되었습니다.이에 따라 유전자 치료는 미래의 가장 유망한 BBS 치료법이 될 전망입니다.

결론

BBS5는 다른 7종의 BBS 단백질과 BBSome을 형성하여 초급섬모 안정상태를 유지하는데 관여합니다.BBS5는 BBS의 직접 병원성 유전자 중 하나로 BBS에서 돌연변이 비율이 2%다. 이미 Bbs5-/-마우스로 인한 비만 증상이 Bbs5 돌연변이를 유발하는 연령과 무관하다는 연구결과가 나와 있는데, 이는 BBS5 돌연변이에 의해 구동되는 비만이 생체 전체 생애주기를 관통한다는 사실을 밝혀냈습니다.현재 임상적으로 BBS를 치료할 뾰족한 전략이 없습니다. 병발증상 대증치료에만 대응할 수 있습니다.이 밖에 많은 연구학자가 유전자 치료의 개념을 제시했고, 마우스에서 유전자 치료가 마우스의 BBS 증상을 개선했다는 연구도 다수 확인됐습니다.그러나 BBS는 이상기관이 많고 병원성 유전자 돌연변이 유형이 복잡해 BBS 유전자요법 개발에 큰 도전이 되고 있습니다.또 마우스의 몸에서 BBS 유전자 치료를 하는 방법은 추가 임상시험을 거쳐야 합니다.

참고 문헌:.

[1] Forsythe E, Kenny J, Bacchelli C, Beales PL. Managing Bardet-Biedl Syndrome-Now and in the Future. Front Pediatr. 2018 Feb 13;6:23. doi: 10.3389/fped.2018.00023. PMID: 29487844; PMCID: PMC5816783.

[2] Ohto T, Enokizono T, Tanaka R, Tanaka M, Suzuki H, Sakai A, Imagawa K, Fukushima H, Fukushima T, Sumazaki R, Uehara T, Takenouchi T, Kosaki K. A novel BBS10 mutation identified in a patient with Bardet-Biedl syndrome with a violent emotional outbreak. Hum Genome Var. 2017 Aug 10;4:17033. doi: 10.1038/hgv.2017.33. PMID: 28808579; PMCID: PMC5550758.

[3] Li, J.B., Gerdes, J.M., Haycraft, C.J., Fan, Y., Teslovich, T.M., May-Simera, H., Li, H., Blacque, O.E., Li, L., Leitch, C.C. et al. (2004) Comparative genomics identifies a flagellar and basal body proteome that includes the BBS5 human disease gene. Cell, 117, 541-552. 

[4] Novas R, Cardenas-Rodriguez M, Irigoín F, Badano JL. Bardet-Biedl syndrome: Is it only cilia dysfunction? FEBS Lett. 2015 Nov 14;589(22):3479-91. doi: 10.1016/j.febslet.2015.07.031. Epub 2015 Jul 29. PMID: 26231314. 

[5] Bentley-Ford MR, Engle SE, Clearman KR, Haycraft CJ, Andersen RS, Croyle MJ, Rains AB, Berbari NF, Yoder BK. A mouse model of BBS identifies developmental and homeostatic effects of BBS5 mutation and identifies novel pituitary abnormalities. Hum Mol Genet. 2021 Apr 26;30(3-4):234-246. doi: 10.1093/hmg/ddab039. PMID: 33560420; PMCID: PMC8355464.