[바이오토픽] 염기편집기(base editor), 어린이 조로증(progeria) 치료의 길 열어
아래의 동영상을 보라. 한 생쥐는 생후 7개월인데, 우중충한 회색빛 털가죽을 갖고 있으며, 몸을 움츠리고 잘 움직이지 않는다. 다른 생쥐들은 생후 11개월인데도 불구하고, 매끄럽고 윤이 나는 까만 털가죽을 갖고 있으며 부지런히 돌아다닌다.
이번 연구 결과는, 선천성 조로증(progeria)─희귀하고 치명적인 유전병으로, 마치 어린 나이에 늙는 것처럼 보이는 증상을 초래한다─를 앓는 어린이를 치료할 수 있다는 희망을 안겨 준다. 연구팀은 1월 6일 《Nature》에 실린 논문에서(참고 2), "조로증을 초래하는 변이를 가진 생쥐를 이용한 연구에서, 염기편집기(base editor)─잘나가는 유전에 편집기인 CRISPR의 사촌뻘 되는 기법─을 이용하여 DNA 결함을 교정함으로써, 조로증의 전형적 증상인 심장손상을 예방하는 데 성공했다"고 보고했다. 치료받은 생쥐들은 약 500일 동안 살았는데, 이는 치료받지 않은 생쥐의 생존기간의 두 배 이상이다.
"이번 연구결과는 믿어지지 않을 만큼 놀랍다"고 매사추세츠 대학교의 유전자요법 연구자 가오 광핑은 논평했다.
조로증 치료법의 개발자들은 치료법의 개선을 목표로 하고 있지만, 다른 한편으로 조로증을 앓는 어린이들을 대상으로 현행 버전을 시험하기 위한 단계를 밟고 있다. 그리고 일부 과학자들도 이에 가세하고 있다. "생쥐를 대상으로 한 실험 결과는, 모든 사람들의 기대를 뛰어넘는다"고 UC 버클리의 유전자편집 연구자인 표도르 우르노프는 말했다. "연구팀이 제시한 데이터를 보니, 3년 후면 가시적인 결과를 얻을 수 있겠다는 생각이 든다."
전 세계적으로 약 400명의 사람들이 허친슨-길포드 조로 증후군(HGPS: Hutchinson-Gilford progeria syndrome)을 앓는 것으로 추정되는데, HGPS는 라민 A(lamin A)─세포핵을 형성하는 막(膜)을 뒷받침하는 단백질─이라는 단백질을 코딩하는 유전자의 단일염기의 변이에서 비롯된다. 유전자 변이로 인해 생성된 프로제린(progerin)이라는 비정상적 단백질은 핵막을 파괴하며, 많은 조직의 세포에 독성을 발휘한다. 그리하여 걸음마를 배우던 아이들은 이내 대머리가 되며, 왜소성장(stunted growth), 체지방 상실, 경직된 관절, 주름진 피부, 골다공증, 죽상동맥경화증을 겪게 된다. 조로증 환자들은 평균적으로 14세쯤에 심장마비나 뇌졸중으로 사망한다.
연구자들은 조로증 생쥐를 이용한 선행연구에서, CRISPR를 이용하여 변이 유전자의 활성을 억제하려고 시도했다. 그러나 건강상태가 그다지 개선되지 않았으며, 멀쩡한 유전자를 잘못 건드려 되레 해(害)를 끼칠 수도 있었다. 그래서 하버드 대학교와 브로드연구소의 데이비드 리우는 염기편집기─CRISPR에서 영감을 얻어, 그 자신이 개발한 DNA 변경 기법─로 갈아탔다. DNA의 두 가닥을 절단하는 CRISPR와 달리, 조로증 연구에 사용된 염기편집기는 한 가닥만을 절단한 후 단일염기를 교체한다. 염기편집기는 지금까지 생쥐의 간·눈·귀·혈액·뇌 장애를 치료했으므로, 리우는 여러 개의 기관과 조직에 악영향을 미치는 "악명 높고 참혹한 질병"을 치료하기로 마음먹었다.
리우가 이끄는 연구팀은 밴더빌트 대학교의 조너선 브라운(심장학), 미국국립보건원(NIH)의 프랜리스 콜린스 소장─그가 이끄는 연구팀은 2003년 조로증과 관련된 변이를 발견한 두 팀 중 하나다─과 함께 연구팀을 꾸렸다. 연구팀은 먼저, 두 명의 조로증 환자에게서 채취한 세포를 이용한 in vitro 연구에서 염기편집기의 성능을 테스트하여, "관련된 변이만 교정할 뿐, 유전체의 다른 부분에서 원치 않는 변이를 초래하지 않는다"라는 결론을 내렸다. 다음으로, 연구팀은 염기편집기를 코딩하는 DNA를 아데노관련바이러스(AAVs: adeno-associated viruses)─유전자요법의 표준 전달체─에 적재하여, 조로증 관련 변이를 가진 어린 생쥐에게 주입했다.
"결과는 기대치를 훨씬 뛰어넘었다"고 콜린스는 말했다. 6주 후 생쥐들을 관찰한 결과, 뼈, 골격근, 간, 심장, 동맥의 20 ~ 60%가 교정된 DNA를 보유한 것으로 나타났다. 그리고 여러 조직에서 프로제린의 수준이 하락하고 라민 A의 수준이 상승한 것으로 나타났다. 치료 당시 생쥐의 나이는 2주령(週齡)─인간으로 치면 약 5세─에 해당했지만, 그로부터 몇 달 후 그들의 동맥에서는 섬유조직 증식(fibrous tissue growth)이나 평활근세포 상실(loss of smooth muscle cells)의 징후─이 두 가지 징후는 조로증에 걸린 생쥐와 인간에서 전형적으로 나타난다─가 전혀 나타나지 않았다. "이는 염기편집기의 잠재력을 여실히 보여준다"고 듀크 대학교의 유전자편집 연구자인 찰스 거스바흐는 말했다.
일부 생쥐들은 궁극적으로 간종양에 걸렸는데, 이는 선행연구에서 고용량의 AAV를 이용한 유전자요법을 받은 생쥐들에게 나타난 문제점이었으며, 최근 혈우병 환자에게 그런 문제점이 발생하는 바람에 임상시험이 중단되었다(참고 3; 한글번역). 그러나 지금껏 AAV를 이용해 치료받은 사람들 중에서는 간종양이 전혀 발견되지 않았다. "우리의 목표는 AAV의 용량을 줄임으로써 안전성을 향상시키는 것이다"라고 리우는 말했다. 그와 콜린스는 그런 문제점을 해결하기 위해, 더욱 효율적인 염기편집기를 평가하고 있다.
이번 연구의 공저자로서, 조로증 때문에 아들을 잃고 조로증연구재단(Progeria Research Foundation)을 설립한 브라운 대학교의 내과의사 레슬리 고든은 이미 발 빠르게 움직이고 있다. 그는 조로증에 걸린 어린이들을 대상으로 임상시험을 실시하기 위해, 계획을 수립함과 동시에 자금을 조달하고 있다. 조로증연구재단은 임상시험을 추진하기 위해 여러 업체들과 접촉하고 있는데, 그중에는 리우가 공동으로 설립한 빔 테라퓨틱스(Beam Therapeutics)도 포함되어 있다. "우리는 어린이 환자들에게 이 치료법을 적용하는 방안을 모색하고 있다"고 고든은 말했다.
【연구의 하이라이트】 조로증을 초래한 변이를 수리하는 방법(참고 4)
a. 조로증(progeria)으로도 알려진 치명적 질병인 「허친슨-길포드 조로 증후군」은 라민 A라는 단백질을 코딩하는 유전자의 변이 때문에 발생한다. 엑손 11(exon 11)이라는 유전자 영역에서 나타나는 이 변이는 구아닌(G)과 짝을 이루는 '시토인(C)'이라는 염기를 아데닌(A)과 짝을 이루는 '티민(T)'으로 바꾼다. 그 결과로 비정상적인 스플라이싱 사건(splicing event)이 일어나, 단백질을 코딩하는 RNA 시퀀스에서 엑손 11의 일부(절단부위를 코딩하는 영역 포함; 흰색 점선)가 누락된다. 라민 A는 성숙함에 따라, 파르네실화(farnesylation)라는 사건을 통해 하나의 지질 그룹(lipid group)이 첨가된다. 엑손 11이 코딩하는 부위에서 단백질이 절단되면, 지질 그룹도 함께 떨어져 나가 성숙한 라민 A가 생성된다. 그러나 라민 A의 변이 버전─이를 프로제린(progerin)이라고 한다─에는 절단부위가 누락되었으므로, 지질 그룹을 그대로 보유하게 된다. 프로제린은 '핵의 비정상화'와 'DNA 손상'을 통해 노화를 가속화한다.
b. 라민 A를 코딩하는 유전자 두 개가 모두 변이된 생쥐는 인간 조로증의 생쥐모델이다. 데이비드 리우, 조너선 브라운, 프랜시스 콜린스는 염기편집기(base editor)라는 유전자편집 도구를 이용하여 조로증 치료를 시도했다. 염기편집기를 바이러스 벡터에 적재하여 생쥐에게 주입했더니, 염기편집기는 세포에 진입하여 많은─전부는 아니다─조직의 변이를 교정한 것으로 나타났다. 그리하여 프로제린이 감소함으로써 생쥐의 건강이 향상되고 수명이 연장되었는데, 이는 세포 속의 비정상적인 핵이 교정된 데서 기인한 것으로 보인다.
※ 참고문헌
1. https://twitter.com/davidrliu/status/1346857582707748866/photo/1
2. https://www.nature.com/articles/s41586-020-03086-7
3. https://www.sciencemag.org/news/2020/12/liver-tumor-gene-therapy-recipient-raises-concerns-about-virus-widely-used-treatment(한글번역 https://ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=325982&SOURCE=6)
4. https://www.nature.com/articles/d41586-020-03573-x
※ 출처: Science https://www.sciencemag.org/news/2021/01/incredible-gene-editing-result-mice-inspires-plans-treat-premature-aging-syndrome
바이오토픽 양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
의학약학 양병찬 (2021-01-08)
https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=326314 )