시각 장애 연구의 미래를 여는 열쇠: ABCA4가 유전자 및 RNA 치료제를 혁신합니다.
최근 유전자 편집과 RNA 치료제의 획기적인 발전은 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있으며, 의학의 미래를 바꾸고 있습니다. 그중 ABCA4 유전자는 특히 유전성 시력 상실의 주요 원인인 스타가르트병(Stargardt disease)의 퇴치에서 중요한 초점으로 떠오르고 있습니다. 단일염기 편집(Base editing), RNA 엑손 편집(RNA exon editing), 안티센스 올리고뉴클레오타이드(Antisense oligonucleotide, AON)같은 최첨단 치료법이 임상 시험에 진입하면서 ABCA4는 혁신의 최전선에 서 있습니다.
본문은 DNA/RNA 치료의 발전이 ABCA4에 집중되어 유전성 망막 질환에 대한 차세대 치료법 개발을 이끄는 방법을 소개합니다. 또한 ABCA4 유전자가 떠오르는 연구 기술의 주요 타겟을 되는 이유와 해당 인간화된 마우스 모델이 전임상 연구를 가속하는 방법을 알아봅니다.
다음 내용을 읽어보시고 망막 질환 치료의 미래를 밝혀보세요.
ABCA4가 유전자 및 RNA 치료법을 혁신하는 방법
최근 DNA/RNA 편집 및 소단위 핵산 치료법의 발전으로 새로운 치료 방식의 가능성이 부각되고 있습니다. 다음은 2024년의 주요 전임상 및 임상 연구 발전입니다.
상기 치료법 발전은 DNA/RNAi 기반 치료법의 거대한 가능성을 명확히 보여줍니다. 이러한 발전 속에서 ABCA4 유전자는 RNA 엑손 편집 치료법의 처음으로 임상 단계에 진입한 중요한 타겟으로 떠오르고 있습니다. 가장 흔한 형태의 청소년 황반변성(Juvenile macular degeneration)인 스타가르트병(STGD)에서 ABCA4의 역할은 차세대 치료법의 중요한 기초가 될 수 있는 가능성을 보여줍니다. ABCA4는 임상시험에 진입한 최초의 RNA 엑손 편집 치료 타겟으로서 많은 주목을 받고 있으며, 차세대 유전자 및 RNA 치료의 중요한 돌파구가 될 수 있습니다.
그림 1. 세계 최초의 in vivo RNA 엑손 편집 치료제 ACDN-01이 2024년 연초에 임상 시험 승인을 받았습니다. [5]
1. ABCA4와 스타가르트병 (STGD)
황반은 망막의 중심부로서 "High-resolution(고해상도)" 색각 기능을 담당합니다. 나이 관련 황반 변성(Age-related Macular Degeneration, AMD)과 단일유전자성 황반변성은 모두 실명으로 이어질 수 있습니다. 이 중 단일유전자성 황반변성은 일반적으로 청소년기에 나타나고 더 심각한 증상을 보이며, 독서, 운전, 얼굴 인식 등의 능력을 점차 상실하게 되어 결국 중심 시력을 잃게 됩니다. 단일유전자성 황반변성 중 가장 흔한 형태는 스타가르트병(STGD)으로, 약 6,500명 중 1명에게 영향을 미치며, 주로 ABCA4 유전자의 이중대립유전자 기능 상실 돌연변이에 의해 발생합니다. [6]
ABCA4 단백질은 광수용체 세포및 망막 색소 상피 세포에 위치한 ABCA4 막 수송 단백질로, 로돕신(Rhodopsin)의 탈색 과정에서 생성된 독성 대사 산물을 제거하여 이 화합물이 망막에 축적되지 않도록 예방하는 역할을 합니다.[7-8] ABCA4 유전자의 돌연변이는 N-retinylidene-phosphatidylethanolamine(N-ret-PE) 및 lipofuscin A2E와 같은 독성 대사 산물의 비정상적인 축적을 초래하여 망막 색소 상피 세포와 광수용체 세포의 사멸이 유발되어 결국 망막 퇴행성 질환으로 이어집니다. [7-8]
그림 2. ABCA4 단백질이 막대세포(Rod cell)의 외부 세그먼트에서 위치 및 시각 사이클(Visual Cycle)에서의 역할. [8]
2. ABCA4: 새로운 치료법의 주요 연구 타겟
ABCA4 유전자 돌연변이는 유전성 망막 질환(Inherited Retinal Disease, IRD) 사례의 약 30%를 차지하며, 많은 환자에게 영향을 미칩니다. [9] 스타가르트병(STGD)은 유전성 황반 이영양증(Macular dystrophy)의 가장 흔한 형태로서 현재까지 효과적인 치료법은 없습니다. ABCA4 유전자의 크기(약 128 kb)와 ABCA4 단백질을 인코딩하는 데 필요한 최소 염기 서열(6.8 kb)이 AAV 벡터의 전달 한계(4.7 kb)를 초과하기 때문에 기존의 유전자 대체 치료는 어려운 과제에 직면하고 있습니다.[10] 또한, ABCA4 유전자에는 2,200개 이상의 질환 관련 변이가 존재하며, 그중 대부분은 미스센스 돌연변이(Missense mutation)이고, 그다음으로는 pre-mRNA Splicing에 영향을 미치는 돌연변이입니다.[11] 따라서 인간화 연구 모델을 구축하려면 유전자 Large-fragment를 Knock-in할 수 있는 유전자 편집 기술이 필요합니다.
이러한 특성으로 인해 ABCA4는 유전자 편집 및 RNA 기반 치료법과 같은 새로운 치료법의 주요 연구 타겟이 됩니다.
ProQR Therapeutics에서 개발한 QR-1011은 스타가르트병(STGD) 환자들의 비정상적인 Splicing을 수정합니다. [12-13]
Ascidian Therapeutics의 ACDN-01은 ABCA4 mRNA의 첫 22개 exon을 대체할 수 있으며, 이론적으로 스타가르트병(STGD) 환자의 약 70%에게 도움이 될 수 있습니다. [14-15]
Beam Therapeutics는 ABCA4 유전자에서 흔한 돌연변이를 타겟으로 한 효율적인 단일염기 편집 기술을 개발하였으며, 이 기술로 ABCA4 인간화 마우스, 비인간 영장류 동물, 인간 망막 조직에서 돌연변이 수정 효과를 나타냈습니다. [9, 16]
현재 QR-1011과 ACDN-01은 임상 시험 단계에 있으며, CRISPR 기반 편집, 새로운 AAV 벡터 개발 전략, HITI(Homology-Independent Targeted Integration) 등 다른 혁신적인 치료법에 대한 전임상 검증을 진행하고 있습니다. 미국 안과학회 '2024 ARVO(Association for Research in Vision and Ophthalmology)' 연례 회의에서 여러 연구 기관이 다양한 혁신적인 치료법에 대한 전임상 검증 데이터를 발표했습니다. 그중 유전자 편집(예: Cas9-mediated editing, Transposon systems, SaKKH base editing), RNA 편집(예: Cas13-mediated RNA base editing, ADAR-mediated RNA editing), 새로운 AAV 벡터 치료법(예: mini-ABCA4 protein, dual AAV vector strategy), 안티센스 올리고뉴클레오타이드(AON), HITI(Homology-Independent Targeted Integration) 치료 전략이 포함됩니다. [17-18]
그림 3. 안티센스 올리고뉴클레오타이드(AON) 치료법 QR-1011은 병리학적 돌연변이에 의해 발생하는 exon Skipping을 억제하여 스타가르트병(STGD)을 치료합니다. [12]
3. 유전자/RNA 편집 치료의 전임상 평가에서 인간화 마우스 모델의 활용
인간과 마우스 간의 유전적 차이로 인해, 유전자 편집, RNA 편집, 안티센스 올리고뉴클레오타이드(AON) 치료법 모두 인간의 ABCA4 유전자를 타겟으로 하기 때문에, 완전 인간화 마우스 모델을 사용하면 이러한 치료법의 전임상 in vivo 평가의 정확성을 크게 향상할 수 있습니다. 예를 들어, Beam Therapeutics에서 개발한 단일염기 편집 치료법은 병원성 돌연변이를 가진 인간화된 마우스 모델을 사용하여 in vivo 편집 효율성을 성공적으로 평가했습니다.
그림 4. A-to-G Base Editor (ABE)는 ABCA4 G1961E 인간화 마우스에서 돌연변이에 대한 in vivo 교정을 성공적으로 실시했습니다. [16]
4. Cyagen의 독자적인 ABCA4 인간화 모델 및 인간화된 Point Mutation 모델
Cyagen은 ABCA4와 관련된 전임상 연구를 위해 다음과 같은 인간화 모델을 개발했습니다.
I. 완전 인간화 마우스 모델 B6-hABCA4(제품 번호: C001551): ABCA4의 전체 게놈을 교체합니다.
II. 인간화된 B6-hABCA4*c.5461-10T>C Point Mutation 마우스 모델(제품 번호: I001210): 병원성 돌연변이 c.5461-10T>C를 가집니다.
이러한 인간화된 마우스 모델은 ABCA4와 관련된 스타가르트병(STGD) 환자에서 관찰되는 비정상적인 Splicing 패턴을 성공적으로 재현합니다.
그림 5. B6-hABCA4 마우스 모델의 유전자 편집 전략: 마우스 Abca4 유전자의 ATG(start codon)에서 TGA(stop codon)까지의 서열을 인간 ABCA4 유전자의 ATG(start codon)에서 TGA(stop codon)까지의 서열로 교체했습니다.
B6-hABCA4 마우스 모델은 인간 ABCA4 유전자와 그 전사체만을 발현하며, 정상적인 망막 구조와 광수용체 기능을 유지합니다.
그림 6. B6-hABCA4 마우스는 인간 ABCA4 유전자를 성공적으로 발현하고 정상적인 망막 구조와 광수용체 기능을 유지합니다.
B6-hABCA4*c.5461-10T>C 마우스 모델은 B6-hABCA4 마우스에 c.5461-10T>C 돌연변이를 도입하여 구축되었습니다. c.5461-10T>C 돌연변이는 Splicing 이상을 초래하여 exon 39 skipping 및 exon 39-40 skipping을 가진 비정상적인 전사체를 생성하며, 정상적인 ABCA4 전사체의 양을 감소시킵니다. 또한, c.5461-10T>C 돌연변이는 안티센스 올리고뉴클레오타이드(ASO) 치료법 QR-1011의 타겟 부위이기도 합니다.
유전자 발현 및 시퀀싱 결과에 따르면, B6-hABCA4*c.5461-10T>C 마우스 모델은 환자에서 관찰되는 Splicing의 결함과 전사(Transcription) 패턴을 성공적으로 재현하여 스타가르트병(STGD) 관련 치료법 연구에 중요한 연구 모델입니다.
그림 7. B6-hABCA4*c.5461-10T>C 마우스는 인간 질환 환자에서 관찰되는 ABCA4의 비정상적인 Splicing 패턴을 재현합니다.
결론
Cyagen의 ABCA4 인간화 마우스 모델(B6-hABCA4, B6-hABCA4c.5461-10T>C)은 스타가르트병(STGD) 유전자를 타겟으로 하는 새로운 치료법을 평가하는 데 필수적인 연구 모델이며, 다른 질환 연구에 적용하기 위한 개념 증명(POC)을 제공합니다.
B6-hABCA4 마우스 모델 (제품 번호: C001551)
B6-hABCA4*c.5461-10T>C 마우스 모델 (제품 번호: I001210)
상기 두 가지 마우스 모델은 망막의 구조적 및 기능적 무결성을 유지하면서 질환과 관련된 유전적 이상을 정확하게 재현합니다. 이 모델들은 유전자 편집, 안티센스 올리고뉴클레오타이드(AON), 단일염기 편집, RNA 편집과 같은 스타가르트병(STGD)의 새로운 치료법에 대한 전임상 in vivo 평가를 위한 필수적인 연구 모델입니다.
전임상 안과 연구 모델링 및 CRO 솔루션
스타가르트병(STGD)을 넘어, Cyagen은 소동물 안구 연구를 위해 포괄적인 자체 개발 망막 질환 모델과 전임상 안과 연구 솔루션을 제공합니다.
Cyagen의 모델 구축 능력으로 맞춤형 타겟 및 전체 게놈 인간화 모델, 면역계 인간화 마우스 모델, Inducible Cre 모델, 희귀 질환 모델 등 첨단 연구 모델을 신속하게 개발할 수 있습니다. 이는 질환 연구 및 치료법 개발에 대한 다양한 요구를 충족합니다.
Cyagen의 연구 모델 및 맞춤형 유전자 편집 서비스에 대한 자세한 정보 또는 연구 프로젝트에 대한 무료 상담을 원하시면 문의해 주시기 바랍니다.
검증된 유전성 안과 질환 모델
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제품 번호 |
모델명 |
응용 분야 |
타겟팅 유형 |
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C001277 |
Retinitis pigmentosa (RP) |
Mu |
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C001276 |
Retinitis pigmentosa (RP) |
Mu |
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C001396 |
Retinitis Pigmentosa (RP) |
Humanization |
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C001384 |
Retinitis Pigmentosa (RP), Congenital Stationary Night Blindness (CSNB) |
KO |
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C001425 |
Enhanced S Cone syndrome, ESCS; Retinitis pigmentosa, RP |
KO |
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C001385 |
Retinitis Pigmentosa (RP), Age-related Macular Degeneration (AMD), Macular Dystrophy (MDs) |
KO |
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C001555 |
Age-related macular degeneration (AMD) |
Humanization |
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C001395 |
Age-related Macular Degeneration (AMD), Diabetic Retinopathy (DR) |
Humanization(TG) |
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C001386 |
Retinal Degeneration (RD) |
KO |
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C001387 |
Retinal Degeneration (RD), Leber Congenital Amaurosis 2 (LCA2) |
KO |
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C001360 |
Leber Congenital Amaurosis 2 (LCA2) |
Mu |
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I001217 |
Leber Congenital Amaurosis Type 10（LCA10） |
Humanization |
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I001218 |
The Complement System |
Humanization |
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C001551 |
Stargardt disease |
Humanization |
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C001554 |
Usher syndrome type 2 |
Humanization |
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C001546 |
corneal dystrophy (CD) |
Humanization |
참고 문헌:
[1]Wave Life Sciences. "Wave Life Sciences Announces First-Ever Therapeutic RNA Editing in Humans Achieved in RestorAATion-2 Trial of WVE-006 in Alpha-1 Antitrypsin Deficiency." Accessed November 22, 2024. Wave Life Sciences.
[2]Beam Therapeutics. "Beam Therapeutics to Present Data Across Hematology Franchise, Including First Clinical Data for BEAM-101 in Sickle Cell Disease and ESCAPE Non-human Primate Data, at American Society of Hematology (ASH) Annual Meeting." Accessed November 22, 2024. Beam Therapeutics.
[3]Fontana M, Solomon SD, Kachadourian J, Walsh L, Rocha R, Lebwohl D, Smith D, Täubel J, Gane EJ, Pilebro B, Adams D, Razvi Y, Olbertz J, Haagensen A, Zhu P, Xu Y, Leung A, Sonderfan A, Gutstein DE, Gillmore JD. CRISPR-Cas9 Gene Editing with Nexiguran Ziclumeran for ATTR Cardiomyopathy. N Engl J Med. 2024 Nov 16.
[4]Alnylam Pharmaceuticals. "Alnylam Pharmaceuticals Press Release | Nov 17, 2024 | Alnylam Announces Interim Phase 1 Data of Nucresiran (ALN-TTRsc04) Showing Rapid Knockdown of TTR that is Sust." Accessed November 22, 2024. Alnylam Pharmaceuticals.
[5]Ascidian Therapeutics. "Ascidian-IND-Acceptance-Release_FINAL.1.29.24.pdf." Accessed November 22, 2024. https://ascidian-tx.com/wp-content/uploads/2024/01/Ascidian-IND-Acceptance-Release_FINAL.1.29.24.pdf.
[6]Hanany M, Rivolta C, Sharon D. Worldwide carrier frequency and genetic prevalence of autosomal recessive inherited retinal diseases. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Feb 4;117(5):2710-2716.
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[8]Scortecci JF, Molday LL, Curtis SB, Garces FA, Panwar P, Van Petegem F, Molday RS. Cryo-EM structures of the ABCA4 importer reveal mechanisms underlying substrate binding and Stargardt disease. Nat Commun. 2021 Oct 8;12(1):5902.
[9]Muller, A., et al. "High-efficiency base editing for Stargardt disease in mice, non-human primates, and human retina tissue." bioRxiv. April 17, 2023. Accessed November 22, 2024. doi: 10.1101/2023.04.17.535579.
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[11]Cornelis SS, Runhart EH, Bauwens M, Corradi Z, De Baere E, Roosing S, Haer-Wigman L, Dhaenens CM, Vulto-van Silfhout AT, Cremers FPM. Personalized genetic counseling for Stargardt disease: Offspring risk estimates based on variant severity. Am J Hum Genet. 2022 Mar 3;109(3):498-507.
[12]Kaltak M, de Bruijn P, Piccolo D, Lee SE, Dulla K, Hoogenboezem T, Beumer W, Webster AR, Collin RWJ, Cheetham ME, Platenburg G, Swildens J. Antisense oligonucleotide therapy corrects splicing in the common Stargardt disease type 1-causing variant ABCA4 c.5461-10T>C. Mol Ther Nucleic Acids. 2023 Feb 18;31:674-688.
[13]Kaltak M, de Bruijn P, van Leeuwen W, Platenburg G, Cremers FPM, Collin RWJ, Swildens J. QR-1011 restores defective ABCA4 splicing caused by multiple severe ABCA4 variants underlying Stargardt disease. Sci Rep. 2024 Jan 6;14(1):684.
[14]Doi A, Delaney C, Tanner D, Burkhart K, Bell RD. RNA exon editing: Splicing the way to treat human diseases. Mol Ther Nucleic Acids. 2024 Aug 16;35(3):102311.
[15]Jeff Bessen, Vivek Mittal, and Ned Wydysh. "Recruiting the Messenger RNA: The Future Role of RNA Editing in the Clinic." Health Advances Blog. Accessed November 22, 2024. Health Advances.
[16]Sullivan, J. (2023, May). In Vivo Genetic Eye Disease Correction Using Split AAV-Mediated Adenine Base Editing. Beam Therapeutics. Retrieved November 22, 2024, from https://beamtx.com/media/xovmia2l/202305_asgct_jack-sullivan_stargardt.pdf
[17]Vázquez-Domínguez I, Öktem M, Winkelaar FA, Nguyen TH, Hoogendoorn ADM, Roschi E, Astuti GDN, Timmermans R, Suárez-Herrera N, Bruno I, Ruiz-Llombart A, Brealey J, de Jong OG, Collin RWJ, Mastrobattista E, Garanto A. Lipopeptide-mediated Cas9 RNP delivery: A promising broad therapeutic strategy for safely removing deep-intronic variants in ABCA4. Mol Ther Nucleic Acids. 2024 Sep 26;35(4):102345.
[18]Association for Research in Vision and Ophthalmology. "Investigative Ophthalmology & Visual Science (IOVS) - Volume 65, Issue 7." Accessed November 22, 2024. IOVS.
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