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헌팅턴병의 차세대 게놈 편집 도구의 중요한 발전

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게놈 편집 기술 (징크핑거 및 CRISPR)을 이용한 기법이 헌팅턴병 임상시험에 유전자 치료 적용을 한층 더 가깝게 한다.

작성자 Mr. Shawn Minnig 12월 30, 2016에Dr Jeff Carroll에 의해 편집 됨; Prof Wooseok Im에 의해 번역됨10월 31, 2016에 발표된

최근 헌팅턴병과 같은 유전질환의 잠재적인 치료로 게놈 편집에 대한 뉴스가 급증하고 있다. 징크핑거 뉴클레아제 및 CRISPR/Cas9 같은 생소한 용어를 포함한 이러한 방법들은 세포에서 헌팅턴병 돌연변이의 영향을 줄이는 전통적 방법과 다르다. 이 흥미로운 연구 타겟의 새로운 기능은 무엇일까?

헌팅틴 단백질을 낮추는 치료제

최근 헌팅틴 감소 또는 유전자 억제라 불리는 새로운 기술에 대한 관심이 매우 높았다. 이러한 기술의 첫 시작은 안티센스 올리고 뉴클레오티드 (ASO, antisense oligonucleotide)라는 임상시험을 수행한 약물로, 독성 헌팅틴 돌연변이 단백질 양을 감소시켜 세포 독성을 최소화하는 것이다. 헌팅턴병 환자에서 AOS의 안전성 평가에 대한 첫 시험이 현재 진행 중이라고 알고 있는 사람들이 많지만 (http://en.HDbuzz.net/204), 꾸준한 독자들은 ASO 만이 독성 헌팅틴 단백질을 줄이는 유일한 방법이 아님을 알고 있을 것이다. 실제로 징크핑거 뉴클레아제CRISPR로 알려진 다른 두가지 새로운 치료법이 최근 많은 화제를 낳고 있다. 이 새로운 방법들은 이전에 언급한 적이 있지만(http://en.헌팅턴병buzz.net/023), 간단한 리뷰를 통해 이들의 동작방법과 차이를 간략히 검토하고 새로운 발견에 대한 이해에 도움을 주고자 한다. 처음 생물학 수업을 돌이켜 본다면 당신은 DNA가 구축되는 방법에 대한 자세한 설명을 기억할 수 있을 것이다. 당신 몸의 각 세포는 건설 현장과 비슷하며 당신의 DNA는 신체의 가장 기본적인 빌딩 블록 (아미노산이라고도 함)의 구조를 보여주는 청사진이라 할 수 있다. DNA를 통해 생성된 단백질은 특수한 기능을 담당하여 당신을 다른 사람과 다르게 해주고 당신의 몸이 원활하게 움직이도록 해준다. 우리는 특정 단백질을 구축하기 위한 DNA 서열을 유전자라고 하며, 헌팅틴 단백질을 발현하는 유전자는 두가지로 구성되어 있다. 헌팅턴병은 이러한 유전자 쌍 중 하나의 단백질이 잘못 발현되기 때문에 생겨난다. 대다수의 헌팅턴병 환자는 두 종류의 헌팅틴 단백질을 발현하는데 –하나는 제대로 기능을 하지 못하는 돌연변이 헌팅틴이고, 하나는 제대로 기능을 하는 건강한 헌팅틴이다.

건설 시작

당신의 DNA는 당신을 구축하기 위한 정보가 담긴 마스터 청사진과 같지만, mRNA는 효율적으로 구축 할 수 있도록 청사진을 개별 복사하는 것과 같다.
당신의 DNA는 당신을 구축하기 위한 정보가 담긴 마스터 청사진과 같지만, mRNA는 효율적으로 구축 할 수 있도록 청사진을 개별 복사하는 것과 같다.

당신 몸의 각 세포의 내부에는 마치 건물 관리자에 의해 지켜져 잠겨진 사무실처럼 핵이라는 곳에 DNA가 저장되어 다치지 않도록 보호되고 있다. 실제 건설 현장에서 각 작업자가 일을 위해 건설 관리자의 사무실로 매번 이동해야 한다면 이는 매우 느리고 비효율적일 것이다. 이것은 우리 세포도 마찬가지인데 이 문제를 해결하기 위해 단백질을 구축하기 위한 템플릿으로 사용되는 DNA의 작업 복사본이 생성된다. 이 작업 복사본은 messenger RNA 또는 mRNA라고 하며 원래의 DNA에서 복사되어 세포로 발송되고 그곳에서 동일한 다수의 단백질을 큰 규모로 생산하는데 사용된다. 우리의 DNA가 원래의 마스터 청사진과 비슷하다면, mRNA는 건설매니저에게서 직원들에게 전달되는 청사진의 개별 사본과 매우 비슷한다. 이것은 혼란스럽게 보일 수도 있겠지만, 확실히 알아야 할 것은 단백질의 합성을 위한 3가지 단계, DNA → mRNA → 단백질이다.

ASO’s, Zinc Fingers, CRISPR : 같은 목표, 다른 수단

헌팅턴병 유전자의 DNA와 mRNA의 구별은 급속히 발달하는 치료기술의 타깃 분자에 따라 중요한 요인이 된다. ASO, Zinc Finger, CRISPR/Cas9 등 새롭고 다양한 기술들이 있고 이러한 치료 기술의 핵심은 세포 내에서 생산되는 독성 돌연변이 헌팅틴 단백질의 양을 줄인다는 같은 목표를 두고 있지만, 그들은 매우 다른 방법으로 이 목표를 달성하려고 한다. 세 가지 옵션 중 ASO는 역사가 가장 길고 헌팅턴병 환자에서 시험되었기 때문에 그리 새롭지는 않을 것이다. ASO는 DNA에서 단백질로 이동하는 중간단계인 mRNA를 공격하는 역할을 한다. ASO를 처리한 세포의 돌연변이 헌팅틴 mRNA는 세포 내에서 분해되어 더 이상 독성 돌연변이 헌팅틴 단백질을 생산할 수 없게 된다. 많은 과학자들과 헌팅턴병 커뮤니티의 사람들은 ASO 치료가 헌팅턴병의 치료 옵션으로 발견되어 매우 흥분하였지만, ASO 치료가 헌팅턴병의 궁극적인 원인 DNA에 인코딩된 결함있는 헌팅턴병 유전자를 목표로 하지 않는다는 큰 문제가 남아있다. 돌연변이 유전자가 여전히 DNA에 존재하기 때문에, 돌연변이 mRNA와 단백질은 ASO가 처리 된 세포에서 계속 생산 될 것이다. 이것은 현재의 기술로는 ASO 치료가 평생 동안 계속되어야 한다는 것을 의미한다. ASO를 사용하여 헌팅턴 단백질을 낮추는 것과는 달리 징크핑거 뉴클레아제와 ** CRISPR/Cas9를 포함한 새로운 기술은 모두 **게놈 편집 기술의 한 형태이다. 이 놀라운 새로운 도구를 사용하면 과학자들은 헌팅턴병에서 문제의 궁극적인 원인인 돌연변이 DNA 자체를 타깃으로 삼을 수 있다. 이 도구는 과학자들이 DNA에서 특정 위치(헌팅틴 단백질)를 정확히 표적으로 할 수 있게 해주며 유용한 기술을 고안할 수 있게 해준다. 이것이 할 수 있는 기술 중 하나는 세포에 대한 일종의 정지 신호 역할을 하는 것이다. DNA가 돌연변이 헌팅턴병 유전자 부위에 도달하면, 적절하게 설계된 게놈 편집 도구를 사용하여 작업하지 말라고 지시 할 수 있다. 이렇게 되면 돌연변이 헌팅틴 mRNA 또는 단백질이 만들어지지 않는다. 이것은 이미 만들어진 mRNA를 분해함으로써 ASO가 작동하는 것과는 다르다.

CRISPR/Cas9라고 불리는 중요한 새로운 게놈 편집 도구는 최근 많은 사람들을 매우 흥분하게 했다. 면역 체계의 일종으로 그들을 사용하는 특정 박테리아 종에서 유래된 이 도구는 세포가 자신의 DNA에 외래 DNA 서열을 삽입할 수 있도록 하는데 실제로 과학자들은 박테리아에서 이러한 도구를 가져 와서 특정 순서로 DNA를 정밀하게 절단 할 수 있도록 다시 설계했다. 이론적으로 실제 실험실에서 CRISPR 기술은 세포가 더 이상 유전자를 읽을 수 없도록 특정 DNA 서열을 절단하는데 사용될 수 있다. 그것들은 또한 세포가 DNA 서열에 특정한 변화를 가하도록 지시하는데에도 사용될 수 있다 -심지어 이론적으로, 헌팅턴병을 유발하는 돌연변이와 같은 특정 돌연변이를 수정할 수 있다. 헌팅턴병의 근원이 되는 부분(돌연변이 헌팅턴병 유전자)을 목표로 하면 돌연변이 헌팅틴 mRNA와 단백질 모두가 더 이상 만들어지지 않으며 더 이상 해를 입힐 수 없게 된다.

안전 제일!

이 새로운 도구를 약물로서 아직 테스트하지 않은 이유에 대해 궁금하겠지만, 최종 제품이 헌팅턴병 환자에서 테스트되기 전에는 안전성과 효과를 확인하기 위해 약물 개발 파이프 라인에서와 같은 많은 검증 과정을 거쳐야 하기 때문이다.

첫째, 과학자들은 돌연변이 헌팅틴 단백질에 손상을 입는 뇌부위에 이러한 약물을 투여 할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 이것은 매우 어렵다 - 우리의 두뇌는 해를 끼칠 수 있는 것들을 막는 것에 매우 뛰어나다. 불행히도 이러한 약들을 무료로 통과시키지는 않다. 우리가 알약형태나 혈액에 주사하려고 하면 우리의 신체는 뇌에 도달하기 전에 약물을 파괴하고 쓸모 없게 만들 것이다.

ASO는 오랫동안 사용되어 왔기 때문에 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 많은 시간을 보냈지만 해결책은 여전히 완벽하지 않다. 헌팅턴병 임상시험에 사용되는 ASO는 뇌와 척수가 담겨 있는 뇌척수액이라는 액체에 주입 되어야 한다. 우리는 이것이 효과가 있다고 믿을만한 충분한 근거를 가지고 있지만, 투약방법면에서 알약을 삼키는 것보다 분명히 더 복잡하다. CRISPR 및 징크핑거와 같은 게놈 편집 도구는 ASO보다 더 투여하기가 더 복잡하다. 이것은 실제로 단백질 그 자체이기 때문에 세포에 그대로 전달하기가 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 무해한 바이러스를 사용하여 이러한 단백질을 뇌세포의 DNA 서열에 넣고, 그곳에서 세포는 게놈 편집 도구를 만들기 위한 단백질을 생산하는데 본질적으로 세포를 자신의 약물 생산 공장으로 만든다.

헌팅턴병을 위한 징크핑거의 새로운 점은 무엇입니까?

단지 좋은 도전이라는 인식에서 벗어나기 위해 많은 연구팀이 이러한 새로운 기술을 헌팅턴병에 적용하는 방향으로 나아가기 위해 노력했다. 이전의 HDBuzz는 스페인의 한 연구진이 단기간 연구에서 헌팅턴병 마우스 모델에 몇 가지 유효한 효과를 보인 새로운 징크핑거 약물을 테스트했다고 발표했다 (http://en.HDbuzz.net/103). 최근 런던의 Imperial College에 거주하는 Mark Isalan이 이끄는 연구팀은 약물의 업데이트된 버전을 설계하여 장기간 효과를 높이고 AAV를 사용하여 약물을 전달하는 것과 관련된 독성 면역반응을 줄일 수 있는지 테스트했다. 많은 노력을 통해 Isalan과 동료들은 새로운 징크핑거 후보 물질이 독성 돌연변이 헌팅틴 단백질을 감소시키는데 있어 이전 버전보다 더 효과적이었으며 더 오래 지속되고 헌팅턴병 유전자만을 표적으로 삼는 것이 더 효과적이라는 것을 입증 할 수 있었다. 또한 이전 버전보다 훨씬 향상된 안전한 프로파일을 보여주었다. 이것은 징크핑거 요법을 헌팅턴병 치료에 사용할 수 있는 옵션으로 만드는 매우 긍정적인 결과이다.

CRISPR는 어떨까?

게놈 편집을 수행하는 가장 정확한 방법으로 생각됨에도 불구하고 CRISPR 기술은 여전히 새롭고 혁신적이며 과학자들은 다른 기술에 비해 문제점을 해결하는데 훨씬 적은 시간을 사용했다.

핵심적으로 이러한 모든 치료 기술은 같은 목표를 염두에두고 있다 - 세포에서 생산된 독성 돌연변이 헌팅턴 단백질의 양을 줄이기 위해- 그러나 그들은 매우 다른 방식으로이 목표를 달성하려고 한다.

헌팅턴병에서 치료 옵션으로 CRISPR을 사용하는 흥미로운 연구에서, Massachusetts General Hospital의 이종민 연구팀은 최근 야생형이 아닌 돌연변이 형을 선택적으로 편집 할 수 있는 CRISPR 구조를 개발했다. 헌팅턴병 유전자를 함유한 세포에서 CRISPR의 고도로 특이적인 표적화 능력을 이용하여 건강한 사본은 손상시키지 않으면서 돌연변이 헌팅턴병 유전자만을 잘라내도록 지시 할 수 있었다.

물론 한 약물이 한 세포 내에서 세포에 효과적이라는 것을 보여준 것이지만 살아있는 유기체에서 시험했을 때 효과적 일 수 있다는 것을 보여주는 것은 다른 이야기이다. CRISPR과 같은 기술은 특히 그런데 1,000억 개의 뇌 세포에 돌연변이 헌팅턴병 유전자의 영향을 없애기 위해서는 이러한 명령을 전달하기 위한 바이러스가 필요하다. 또 다른 위험은 CRISPR과 다른 게놈 편집 도구가 DNA를 영구적으로 변형 시킨다는 것이다. 이것은 결국 뇌에서 제거되는 ASO와 같은 약물과는 다른 것으로, 다시 전달되지 않아도 시간이 지남에도 효과가 사라지지 않는다는 의미다.

처음에는 이 아이디어가 환상적으로 보이는데 한번의 치료로 헌팅턴병을 치료할 수 있다면 근본적인 치료가 될 수 있기 때문이다. 그러나 우리는 헌팅턴병 유전자를 영구히 삭제하고 생성된 헌팅틴 단백질의 양을 줄이는 것과 관련하여 장기적인 영향에 대해서는 여전히 확신 할 수 없다. 헌팅턴병 유전자를 영구적으로 삭제하면 나중에 다른 종류의 심각한 건강 문제가 생길 수 있으며, 그 결과가 안전한지 여부를 알기 전에 상당한 시간을 할애 해야한다.

다음은 무엇일까?

징크핑거와 CRISPR 치료법과 같은 게놈 편집 기술이 헌팅턴병의 실행 가능한 옵션이 되기 전에 아직 해야 할 일이 많이 남아 있다. 여기 제시된 연구 결과는 우리가 이 위업을 달성하는데 중요한 단계를 밟아 왔음을 보여준다.

최근 연구 결과에 따르면 징크핑거 요법은 뇌가 십센트 동전보다 작은 헌팅턴병 마우스 모델에서 효과적이라는 것이 밝혀졌지만 훨씬 더 크고 복잡해진 인간의 뇌에 효과적일 수 있다는 것을 보여주는 것은 매우 어려울 것이다. 그리고 극복해야 할 다른 많은 도전을 마주해야 한다. CRISPR 치료는 헌팅턴병의 마우스 모델에서 효과를 본 정도의 시점이기 때문에 앞으로 훨씬 더 많은 시간이 걸릴 것이다.

그러나 이것은 실망해야 하는 상황이 아닌 그 반대라고 생각한다. 현재의 연구에 대한 가장 흥미로운 부분은 헌팅틴을 개발하여 헌팅턴병 치료를 낮추려는 시도에서 우리가 정확히 목표를 조준하고 있다고 보여진다. 우리가 원하는 대로 한 가지 옵션이 효과가 없다고 판명 되더라도 헌팅턴병을 효과적으로 치료할 수 있는 새로운 치료법을 지속적으로 개발하고 있다.

이러한 아이디어는 최근 많은 회사들이 같이 생각하고 있는 아이디어이다. 최근 두 제약 회사인 Sangamo Biosciences와 Shire Pharmaceuticals가 헌팅턴병의 치료 옵션으로 징크핑거 치료법 개발에 박차를 가하고 있다. 문제점을 제거하는데 시간이 걸리지만 CRISPR이 적용되기까지는 시간 문제 일 것이라고 생각한다. 개인적으로, 우리는 지금까지 이루어진 진전이 우리에게 많은 흥분을 안겨줄 것이라고 생각한다!

본 한글 기사는 영어원문을 의역하여 번역된 것으로서 일부 내용은 추가설명이 포함되거나 생략된 부분이 있을 수 있다.

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