엔젤만 증후군(Angelman Syndrome)은 약 2만 명의 신생아 중 한 명이 걸리는 희귀 뇌질환이다. 엔젤만 증후군을 앓는 아이들은 겉으로 보기엔 평범한 아이나 다를 바 없어 보인다. 그러나 하나님께서는 그들과 농담을 하듯, 천사 같은 웃음 뒤에 일련의 신경 발육 문제가 뒤따르다. 현재 이 질환에 대한 치료 전략은 유전자 치료에 집중돼 있으며 AVV 벡터를 통해 전달되는 유전자 치료는 완치의 희망이 될 것으로 기대된다.

마우스 모델

한 연구에 따르면 C57BL/6 마우스에서 Tamoxifen(타목시펜) 유도 Ube3a 유전자 녹아웃 모델을 구축하였으며, Ube3a 유전자는 유도 녹아웃한 후 마우스는 로타로드 성능(rotarod performance), marble-burying, open field exploration, 둥지 쌓기 실험 및 소리에 의한 간질발작 한계치 시험(audiogenic seizure threshold)에서 대조군 마우스와 모두 유의미한 차이를 보였다. 반면 Ube3a 녹아웃 마우스의 초기 배아에 Ube3a 유전자를 재도입하면 엔젤증후군의 발현을 피할 수 있다[1].

또 다른 연구에 따르면 교배모수(female parent) Ube3a 가 없어진 마우스 (Ube3am-/p+)는 Morris 수미로에서 뚜렷한 학습성과 역전성 학습 결함을 가지고 있다. 연구결과 Ube3am-/p+ 마우스는 회전임무실험(rotarod performance)에서 운동장애, 활동감소, 식사저감, 대리석매몰(marble-burying), 공포성 조건반사 부족 등의 일련의 현상을 보였다[2].

그림 1.  Ube3a 녹아웃한 후 마우스의 행동학적 변화[1]

Rat 모델

CRISPR/Cas 기술을 적용해 UBE3A 유전자가 완전히 녹아웃 마우스(Rat) 모델을 구축한 학자가 있다. 하나의 유전자 영역만 빠진 마우스 모델에 비해 UBE3A 유전자를 완전히 녹아우한 AS인간의 유전자 결함 사례와 유사하게 AS의 병원성 요인을 시뮬레이션하고 운동장애, 학습·기억장애를 포함한 전형적인 AS 증상을 나타낼 수 있다[3].

치료 방식

현재 AS의 치료 전략은 주로 유전자 치료에 집중되어 있다. 표적 비코딩 RNA UBE3A-ATS를 통해 부모 소스의 UBE3A 발현을 복원(male parent)하려는 연구자가 있다. 연구진은 AS모델 마우스의 뇌에 AAV선 관련 바이러스를 주사하는 방식으로 CRSPR/Cas 유전자 편집 시스템을 이용해 마우스 신경세포의 UBE3A-ATS를 녹아웃함으로써 부모유래의 UBE3A 발현이 회복되고 행동학적 실험은 모델 마우스의 증상이 현저하게 개선되었음을 보여주었다[2].

그림 2 AAV가 매개한 CRSPR/Cas의 UBE3A-ATS에 대한 녹아웃은 UBE3A의 표현을 회복시켰다[2]

AAV선 관련 바이러스를 벡터로 삼아 치료성 UBE3A 유전자를 AS모델 마우스 뇌에 전달하려는 연구팀도 있었다. 이 팀은 이중전사본 UBE3A 유전자를 가진 AAV 벡터를 구축하여 두 개의 서로 다른 길이 버전의 UBE3A 단백질로 동시에 전사할 수 있으며 뉴런에서 발현될 때 짧은 버전과 긴 버전의 UBE3A 단백질을 정상의 3:1에 가까운 비율로 발현할 수 있다. 연구진이 이 치료성 UBE3A 유전자를 AAV 바이러스에 탑재해 신생 AS 모델 마우스의 뇌실에 투여했더니 UBE3A 유전자 바이러스를 가진 벡터를 투여한 AS 모델 마우스는 투여 완료 며칠 후 뇌 뉴런이 활성화돼 정상 마우스에 가까운 수준으로 나타났다.

이 치료는 AS모형 마우스의 운동기능 학습과 굴착, 보금자리 만들기 행위를 회복시켰다.치료되지 않은 AS모델 마우스는 AS와 유사한 증상을 보였다. 또 치료받은 마우스도 치료받지 않은 마우스처럼 실험적으로 유도된 뇌전증 발작에 민감하지 않아 이 유전자 치료에서 뚜렷한 부작용 없이 관찰됐다는 점이 중요한다.

그림 3. AAV가 매개하는 이중전사본 UBE3A 유전자 치료 AS의 경로[4]

RDDC는 AS등 희귀병 연구를 조력

중국 광저우 희귀병 유전자치료연맹 회원 중 한 명인 Cyagen는 '희귀병 유전자 디코딩 프로그램'을 시동을 걸어 AI가 희귀병 진료 호소에 적극 호응하고 RDDC 구축에 힘을 보태 희귀병 원인 유전체 데이터를 보완하는 데 주력하고 있다.

사용자가 RDDC에 접속하면 해당 희귀병에 대한 전반적인 정보를 알 수 있을 뿐만 아니라 각종 AI 도구를 이용하여 병원성 예측, 절개 부위 변경 예측 등 희귀병 진료 연구 및 치료 방안 개발에 박차를 가할 수 있다.

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*성명: RDDC 데이터와 도구는 과학 연구용으로만 사용되며, 참고용으로만 제공되며, 의학적 진단과 평가의 최종 결론으로 사용할 수 없습니다.

참고 문헌 및 사진 출처:

[1]Sara Silva-Santos, et al. Ube3a reinstatement identifies distinct developmental windows in a murine Angelman syndrome model. J Clin Invest. 2015 May 1; 125(5): 2069–2076.

[2]Ralf S. Schmid, et al. CRISPR/Cas9 directed to the Ube3a antisense transcript improves Angelman syndrome phenotype in mice. J Clin Invest. 2021 Mar 1; 131(5): e142574.

[3]Berg E L, Pride M C, Petkova S P, et al. Translational outcomes in a full gene deletion of ubiquitin protein ligase E3A rat model of Angelman syndrome[J]. Translational Psychiatry, 2020, 10(1):39.

[4]Judson MC, Shyng C, Simon JM, et al. Dual-isoform hUBE3A gene transfer improves behavioral and seizure outcomes in Angelman syndrome model mice. JCI Insight. 2021;6(20):e144712.