인간화된 마우스 모델의 DNA 반복 서열 질병 적용 [희귀병의 10가지 죄 6]

【희귀병의 열 가지 죄】특집에서 희귀병의 발생, 발전 메커니즘, 산업 연구 진전(유전자 치료 등), 성과를 임상 전 단계로 전환하는 혁신 전략(모델 구축 및 약물 스크리닝 등)을 소개합니다. 지난 회 되돌아보기:

❖RHO 및 관련 병원성 메커니즘은 무엇입니까? RHO 유전자 치료의 연구 진행 상황은 어떻습니까?

❖희귀병의 열 가지 죄2: 왜 차세대 인간화 마우스 모델이 ‘남성이 많고 여성이 적은’ 혈우병 연구에 더 효과적인지 원인 분석

❖루게릭병 ALS와 밀접한 관계가 있는 발병 유전자 TARDBP는 과연 천사인가 악마인가? 【희귀병의 열 가지 죄 3】

❖근이영양증 '사천왕' 관련 질환에 관한 연구 [희귀병 10종죄 4]

이번 호에서는 DNA 반복 배열로 인한 질병에 대해 알아보도록 하겠습니다. DNA 반복 서열은 인간 게놈에서 특히 유전자 및 그 조절 영역에 자주 보이며 전사 및 번역 과정을 통해 mRNA 및 단백질 수준의 차이를 생성할 수 있습니다. 이러한 반복 조합은 진화 메커니즘으로 간주되는 동시에 인간의 유전 질환 또는 암과 관련이 있을 수도 있습니다[1]

DNA 반복 군으로 인한 질병에는 ATXN3 유전자의 CAG 서열 반복으로 인한 척수 소뇌 운동실조 3형(SCA3) 및 TCF4 유전자 CTG 반복으로 인한 푹스각막내피이상증(Fuchs’ Endothelial Dystrophy)등이 포함됩니다. 이어서 발병 메커니즘 및 질병 모델 관련 측면에서 이러한 질병 및 관련 임상 전 단계의 연구를 살펴보려고 합니다.

ATXN3 유전자 CAG 중복으로 인한

척수소뇌성 운동실조증(Spinocerebellar Ataxia, SCA) 3형

척수소뇌성 운동실조증(Spinocerebellar Ataxia, SCAs)은 만성 진행성 운동실조를 특징으로 하는 유전성 질환으로, 현재 수십 종의 병원성 유전자가 발견되었으며 대부분이 상염색체 우성 유전을 보입니다. 중국에서 흔히 볼 수 있는 SCA 아형은 척수소뇌성 운동실조증 3형으로 마카도-죠셉병(Machado-Joseph Disease, MJD)이라고도 합니다.

이 질병의 병원성 유전자는 ATXN3이고 ATXN3 유전자에 의해 암호화된 단백질은 아탁신-3 단백질의 10번 엑손 영역에서 (CAG)n 반복 서열이 비정상적으로 확장되어 신경 조직 내에 암호화된 폴리글루타민이 비정상적으로 축적되어 뇌의 신경 세포와 신경 섬유 손상을 유발할 수 있습니다. 정상인의 CAG 반복 수는 10-44회인 반면, SCA3 환자는 61-87회에 이릅니다. 일반적으로 질병의 심각성은 CAG 반복 횟수와 관련이 있으며 CAG 반복 횟수가 많을수록 심각성이 증가하고 발병 연령이 빨라집니다.[2]

SCA3의 전임상 연구에서 더 일반적인 질병 모델은 MJD84.2 형질전환 마우스(SCA3-YAC-84Q)[3]입니다. 약물 개발 성공률을 높이기 위해 Cyagen은 hATXN3 전체 게놈 인간화 마우스와 유사한 SCA3-YAC-84Q 모델을 독자적으로 개발했습니다.

TCF4 유전자 CTG 반복에 의한

푹스각막내피이상증(Fuchs’Endothelial Dystrophy)

TCF4 유전자에 의해 암호화된 전사 인자 4는 기본적인 나선-고리 나선형 전사 인자입니다. TCF4는 '전사 인자' 유전자로서 최소 수백 개의 다른 유전자 활동을 제어하는 중요한 역할을 합니다. 발달 초기부터 손상될 경우, 다양한 시스템 발달 이상을 초래할 수 있습니다. TCF4 유전자는 피트-홉킨스 증후군(Pitt Hopkins Syndrome, 돌연변이 핫스폿 R580W[4]), 푹스각막내피이상증(Fuchs’ Endothelial Dystrophy), 자폐증(Autism) 및 정신 분열증(Schizophrenia)을 유발하는 주요 병원성 유전자입니다.

일반인의 TCF4 유전자 2번 인트론의 CTG 반복 서열은 보통 10-37회 반복되지만 CTG 반복 서열이 50회 이상으로 증폭되면 푹스각막내피이상증(Fuchs’ Endothelial Dystrophy)이 발생합니다.

현재 시장에서 인체에서 TCF4 유전자 CTG 반복 메커니즘을 모방하여 질병을 일으키는 인간화된 마우스 모델은 없으며, TCF4 유전자 이상과 관련된 질병의 치료(예: ASO 및 siRNA와 같은 유전자 치료법)를 촉진하기 위해 Cyagen 은 hTCF4 게놈 전체 인간화된 마우스, hTCF4-n*(CTG), hTCF4(R580W) 등의 질병 모델 마우스를 독자적으로 개발 중 있습니다.

기타 반복 배열로 인한 질병 모델

ATXN3 유전자 및 TCF4 유전자 관련 모델 외에도 Cyagen 은 DMPK 유전자 CTG 반복으로 인한 근긴장성이영양증(Myotonic Dystrophy), FXN 유전자 GAA 반복으로 인한 프리드라이히 운동실조(Friedreich's ataxia), ATXN1 유전자 CAG 반복으로 인한 척수소뇌성 운동실조증(Spinocerebellar Ataxia, SCA), HTT 유전자 CAG 반복으로 인한 헌팅턴 병(Huntington's disease)등 질병과 관련된 여러 반복 서열 병원성 동물 모델을 독자적으로 개발했습니다.

HUGO-GT^TM 차세대 인간화 마우스 모델 구축 프로젝트

척수소뇌성 운동실조증(Spinocerebellar Ataxia, SCA) 3형뿐만 아니라 망막색소변성(Retinitis pigmentosa, RP), 황반 변성(Macular degeneration, AMD), 파킨슨병(Parkinson's disease, PD) 등 다양한 질병 유형에 대한 병원성 메커니즘을 깊이 연구하려면 긴 단편 또는 차세대 인간화 마우스 모델이 보다 더 나은 선택일 수 있습니다. 그러나 전체 게놈을 대체하는 기술적 어려움이 크고 대규모로 도입된 외래 서열이 기존 유전자 발현 조절을 교란시킬 수도 있습니다.

Cyagen은 HUGO-GT^TM 프로그램을 시작하여, 자체 개발한 TurboKnockout-Pro 기술을 기반으로 마우스 유전자를 원래 위치에서 교체하여 더 많은 개입 대상을 포함하는 전체 게놈 인간화 마우스를 성공적으로 구축하였습니다. HUGO^TM 마우스는 보다 효율적인 대규모 융합 기술을 이용하여 범용 템플릿으로서 실제 세계 바이오 메커니즘으로 사용할 수 있으며 현실 세계 생물학적 메커니즘에 더 가까운 약물의 임상 연구 모델로 사용됩니다.

비고: HUGO-GT^TM는 Humanized Genomic Ortholog for Gene Therapy의 약자입니다.

➢이미 검증된 HUGO-GT^TM 전체 게놈 인간화 마우스

➢곧 출시될 HUGO-GT^TM 차세대 인간화 마우스 모델

참고 문헌:

[1]Erwin GS, Gürsoy G, Al-Abri R ,et al.Recurrent repeat expansions in human cancer genomes[J]. Nature. 2023 Jan;613(7942):96-102. doi: 10.1038/s41586-022-05515-1. 

[2]Corral-Juan, M., et al., Clinical, genetic and neuropathological characterization of spinocerebellar ataxia type 37. Brain, 2018. 141(7): p. 1981-1997.

[3]Cemal C K , Carroll C J , Lorraine L ,et al.YAC transgenic mice carrying pathological alleles of the MJD1 locus exhibit a mild and slowly progressive cerebellar deficit[J].Human Molecular Genetics, 2002(9):1075-1094.DOI:10.1093/hmg/11.9.1075.

[4]Thaxton,Courtney,Kloth,et al.Common Pathophysiology in Multiple Mouse Models of Pitt-Hopkins Syndrome[J].Journal of Neuroscience the Official Journal of the Society for Neuroscience, 2018.