헌팅턴병을 위한 차세대 유전자 편집 도구의 중요한 발전
유전자 편집 기술(아연 핑거 및 CRISPR) 연구는 이러한 도구들을 HD 임상 시험에 더 가깝게 만듭니다.
최근 며칠 동안 헌팅턴병과 같은 유전 질환의 잠재적 치료법으로 유전자 편집이라는 기술의 사용에 관한 많은 소식이 나왔습니다. 아연 핑거 뉴클레아제와 CRISPR/Cas9와 같은 이국적인 이름의 도구를 포함하는 이러한 접근법들은 HD 돌연변이가 세포에 미치는 영향을 줄이는 더 전통적인 방법과는 다릅니다. 이 흥미로운 연구 분야에서 새로운 소식은 무엇일까요?
헌팅틴 감소 요법 복습
최근 헌팅턴병을 위한 새로운 헌팅틴 감소, 때로는 유전자 침묵화라고 불리는 치료법의 발전으로 많은 기대가 있었습니다. HD 인간 임상 시험에 도달한 이 약물들 중 첫 번째인 안티센스 올리고뉴클레오타이드(ASO)는 세포에 의해 생성되는 해로운 돌연변이 헌팅틴 단백질의 양을 줄이고 궁극적으로 그것이 유발할 수 있는 손상을 제한합니다.
지금까지 따라온 사람들은 인간 HD 환자에서 ASO의 안전성을 평가하는 첫 번째 임상 시험이 현재 진행 중이라는 것을 알고 있을 것입니다(http://en.hdbuzz.net/204). 하지만 일부 독자들은 해로운 헌팅틴 단백질을 줄이는 혁신적인 방법에 있어서 ASO만이 유일한 방법이 아니라는 것을 기억할 수도 있습니다.
사실, 아연 핑거 뉴클레아제와 CRISPR로 알려진 두 가지 새로운 치료 기술이 최근 주목을 받고 있습니다. 비록 저희가 이 두 가지 접근법을 이전에 다루었지만(http://en.hdbuzz.net/023), 그것들이 어떻게 작동하고 그들 사이의 차이점을 간략하게 검토하는 것은 몇 가지 새로운 발견을 이해하는 데 유용할 것입니다.
아마도 가장 초기의 생물학 수업에서 DNA가 당신을 만드는 방법에 대한 자세한 지침을 제공한다는 것을 기억할 것입니다! 당신 몸의 각 세포는 건설 현장과 매우 유사하며, 당신의 DNA는 가장 기본적인 구성 요소(아미노산이라고 불림)를 기능하는 단백질로 바꾸는 지침이 담긴 마스터 청사진입니다. 이 단백질은 당신의 모든 독특한 특징에 기여하고 몸의 모든 것이 원활하게 작동하도록 합니다.
특정 단백질을 만드는 DNA 지침을 유전자라고 부르며, 우리는 각각 헌팅틴이라고 불리는 중요한 단백질을 만드는 유전자를 두 벌 가지고 있습니다. 헌팅턴병과 관련된 증상은 이러한 유전적 지침 중 하나에 오타가 생겨 헌팅틴 단백질이 부적절하게 만들어지기 때문에 발생합니다. 대다수의 HD 환자에서 이는 두 가지 유형의 헌팅틴 단백질로 이어집니다. 즉, 더 이상 올바르게 기능하지 않는 돌연변이 헌팅틴 단백질과 정상적으로 기능하는 건강한 헌팅틴 단백질입니다.
이제 만들어 봅시다…
당신 몸의 각 세포 안에는 당신의 DNA가 핵이라고 불리는 곳 깊숙이 저장되고 보호됩니다. 마치 건설 관리자가 손상되지 않도록 사무실에 잠가둔 건물 마스터 청사진처럼 말이죠.
실제 건설 현장에서 각 작업자가 건물을 지을 때 동일한 지침을 사용하기 위해 건설 관리자의 사무실로 이동해야 한다면 매우 느리고 비효율적일 것입니다. 그리고 밝혀진 바와 같이 우리 세포도 마찬가지입니다.
이 문제를 피하기 위해, 대신 단백질을 만드는 주형으로 사용되는 지침의 작업 복사본이 만들어집니다. 이 작업 복사본은 메신저 RNA, 또는 mRNA라고 불리며, 원래 DNA에서 복사되어 세포 밖으로 보내져 더 큰 규모로 동일한 단백질을 여러 개 만드는 데 사용됩니다.
만약 우리의 DNA가 원래의 마스터 청사진과 같다면, mRNA는 건설 관리자가 작업자들에게 전달하여 효율적으로 작업을 시작할 수 있도록 하는 청사진의 개별 복사본과 매우 유사합니다. 이것이 혼란스러울 수 있지만, 우리의 목적을 위해 알아야 할 것은 단백질을 만드는 세 가지 단계입니다: DNA -> mRNA -> 단백질.
ASO, 아연 핑거, & CRISPR: 같은 목표, 다른 수단
DNA와 mRNA에 있는 HD 유전자 사이의 차이를 구별하는 것이 중요합니다. 왜냐하면 빠르게 발전하는 헌팅틴 감소 치료법들이 이들을 다르게 표적으로 삼기 때문입니다. 여기에는 ASO, 아연 핑거, 그리고 CRISPR/Cas9라고 불리는 새로운 접근법과 같은 다양한 기술들이 포함됩니다. 본질적으로 이 모든 치료 기술은 세포에서 생성되는 해로운 돌연변이 헌팅틴 단백질의 양을 줄이는 동일한 목표를 가지고 있지만, 이 목표를 달성하는 방식은 매우 다릅니다.
세 가지 옵션 중 ASO가 가장 오래되었습니다. 이는 인간 HD 환자에게서 처음으로 평가된 것이기 때문에 놀랄 일이 아닐 것입니다. ASO는 세포에게 메신저를 제거하라고 지시함으로써 작동합니다. 이 경우, DNA로부터 단백질을 만들라는 지침을 전달하는 mRNA 중간체를 말합니다. 치료된 세포에서 ASO 약물은 해로운 돌연변이 헌팅틴 단백질을 만드는 지침을 제공하는 mRNA에 문자 그대로 달라붙어, 세포가 이를 잘라내어 단백질이 더 이상 생성되지 않도록 설득합니다.
많은 과학자와 HD 커뮤니티 사람들은 HD 치료 옵션으로서 ASO 요법의 발전에 매우 기대하고 있습니다. 하지만 ASO 요법이 HD의 궁극적인 원인(사람의 DNA에 암호화된 결함 있는 HD 유전자)을 표적으로 삼지 않고, mRNA를 표적으로 삼음으로써 한 단계 떨어져 있다는 사실은 변함이 없습니다. 돌연변이 유전자가 여전히 DNA에 존재하기 때문에, ASO로 치료된 세포에서도 돌연변이 mRNA와 단백질은 계속 생성될 것입니다. 오늘날 우리가 이해하는 바로는, 이는 ASO 치료가 평생 동안 계속되어야 한다는 것을 의미합니다.
ASO를 이용한 헌팅틴 감소와 달리, 아연 핑거 뉴클레아제와 CRISPR/Cas9를 포함한 새로운 기술들은 모두 유전자 편집 기술의 한 형태입니다. 이 놀라운 새로운 도구들은 과학자들이 HD 문제의 궁극적인 원인인 돌연변이 DNA 자체를 표적으로 삼을 수 있도록 합니다. 이 도구들은 과학자들이 DNA의 특정 위치(예: 헌팅틴 단백질을 만드는 지침)를 정밀하게 표적으로 삼은 다음, 여러 가지 유용한 기술을 수행할 수 있도록 합니다.
그들이 할 수 있는 이러한 기술 중 하나는 세포에 대한 일종의 정지 신호 역할을 하는 것입니다. 일반적으로 DNA를 읽는 기계가 돌연변이 HD 유전자에 도달하면, 적절하게 설계된 유전자 편집 도구는 그들을 중단시켜 해당 유전자에서 작업을 수행하지 않도록 지시할 수 있습니다. 이는 돌연변이 헌팅틴 mRNA나 단백질이 전혀 만들어지지 않도록 합니다. 이는 이미 만들어진 mRNA를 분해하는 ASO의 작동 방식과는 다릅니다.
CRISPR/Cas9라고 불리는 중요한 새로운 유전자 편집 도구가 최근 많은 사람들을 매우 흥분시켰습니다. 특정 박테리아 종이 일종의 면역 체계로 사용하는 이 도구들은 세포가 외부 DNA 서열을 자신의 DNA에 삽입할 수 있도록 합니다. 정말 영리한 인간들은 박테리아에서 이 도구들을 가져와 과학자들이 특정 서열에서 DNA를 정밀하게 절단할 수 있도록 재설계했습니다.
이론적으로, 그리고 실험실에서 CRISPR 기술은 특정 DNA 서열을 절단하여 세포가 더 이상 유전자를 읽을 수 없도록 하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 세포가 DNA 서열에 특정 변화를 만들도록 지시하는 데 사용될 수 있으며, 이론적으로는 HD를 유발하는 것과 같은 돌연변이를 복구할 수도 있습니다. HD의 근본 원인(HD 유전자)을 표적으로 삼는 것은 돌연변이 헌팅틴 mRNA와 돌연변이 헌팅틴 단백질이 더 이상 만들어지지 않고 해를 끼치지 않도록 보장할 것입니다.
안전이 최우선!
만약 우리가 왜 이 새로운 도구들을 아직 약물로 테스트하지 않는지 궁금하다면, 그것은 HD 환자에게 테스트되기 전에 최종 제품이 안전하고 효과적임을 확인하기 위해 약물 개발 파이프라인에서 많은 일이 이루어져야 하기 때문입니다.
먼저, 과학자들은 돌연변이 헌팅틴 단백질이 대부분의 손상을 입히는 뇌로 이 약물들을 전달하는 방법을 찾아야 합니다. 이것은 어렵습니다. 우리 뇌는 해로울 수 있는 것을 막는 데 특히 능숙하며, 불행히도 이 약물들에게 자유로운 통과를 허용하지 않을 것입니다. 만약 우리가 이 약물들을 알약으로 만들거나 혈액에 주사하려고 한다면, 우리 몸은 그것들이 뇌에 도달하기 훨씬 전에 분해하여 쓸모없게 만들 것입니다.
ASO가 더 오래 존재했기 때문에, 과학자들은 이 문제를 해결할 추가 시간을 가졌지만, 그들의 해결책은 아직 완벽과는 거리가 니다. 인간 HD 임상 시험에 사용되는 ASO는 뇌와 척수를 감싸는 액체인 뇌척수액에 주사해야 합니다. 우리는 이것이 효과가 있을 것이라고 믿을 만한 모든 이유가 있지만, 단순히 알약을 삼키는 것보다 분명히 더 복잡합니다.
“본질적으로 이 모든 치료 기술은 세포에서 생성되는 해로운 돌연변이 헌팅틴 단백질의 양을 줄이는 동일한 목표를 가지고 있지만, 이 목표를 달성하는 방식은 매우 다릅니다.”
CRISPR와 아연 핑거와 같은 유전자 편집 도구는 ASO보다 전달하기가 훨씬 더 복잡합니다. 이는 그것들이 실제로 단백질 자체이며, 세포 안으로 온전하게 전달하기 어렵기 때문입니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 무해한 바이러스를 사용하여 이 단백질을 만드는 DNA 지침을 뇌세포로 운반합니다. 거기서부터 세포는 자신의 단백질을 만드는 데 사용하는 동일한 기계를 사용하여 유전자 편집 도구를 만들도록 속아 넘어가며, 본질적으로 세포를 자체 약물 공장으로 만듭니다!
HD를 위한 아연 핑거에 대한 새로운 소식은 무엇일까요?
좋은 도전을 피하지 않는 많은 연구팀이 이 새로운 기술들을 HD에 적용하기 위한 진전을 이루기 위해 앞서 언급된 문제들을 해결하는 데 열심히 노력해 왔습니다. 이전에 HDBuzz는 스페인 연구팀이 HD 생쥐 모델에서 단기 연구를 통해 일부 유익한 효과를 보인 새로운 아연 핑거 약물을 테스트했다고 보도했습니다(http://en.hdbuzz.net/103).
최근, 현재 영국 런던 임페리얼 칼리지에 있는 마크 이살란(Mark Isalan)이 이끄는 동일한 연구팀은 AAV를 사용하여 약물을 전달할 때 발생하는 뇌의 해로운 면역 반응을 줄이고 효과를 더 오랫동안 강화할 수 있는지 확인하기 위해 그들의 약물의 업데이트된 버전을 설계하고 테스트했습니다.
몇 가지 집중적인 생화학적 조작 끝에, 이살란 연구팀은 그들의 새롭고 개선된 아연 핑거 후보 물질이 해로운 돌연변이 헌팅틴 단백질을 줄이는 데 이전 버전보다 더 효과적이었고, 더 오래 지속되었으며, HD 유전자만을 표적으로 삼는 데 더 선택적이었고, 이전 버전보다 훨씬 더 나은 안전성 프로파일을 보였다는 것을 입증할 수 있었습니다.
이것들은 정말 매우 흥미로운 발견이며, 인간 HD 치료를 위한 아연 핑거 요법을 실현 가능한 옵션으로 만드는 데 있어 모든 긍정적인 진전입니다! 아연 핑거를 이용한 이러한 느리고 인내심 있는 작업은 유전자 편집 도구보다 수년 앞서 시작된 ASO 약물에서 일어났던 일과 유사합니다.
CRISPR는 어떨까요?
유전자 편집을 수행하는 가장 정밀한 방법으로 여겨지지만, CRISPR 기술은 여전히 새로운 기술이며, 과학자들은 다른 기술에 비해 문제점을 해결할 시간이 훨씬 적었습니다.
HD에서 CRISPR를 치료 옵션으로 활용하는 흥미로운 발전으로, 매사추세츠 종합병원(Massachusetts General Hospital)의 이종민(Jong-Min Lee)이 이끄는 연구팀은 최근 접시 안의 세포에서 HD 유전자의 돌연변이 복사본만 선택적으로 편집하고 야생형 복사본은 편집하지 않는 CRISPR 구조물을 개발했습니다. CRISPR의 고도로 특이적인 표적화 능력을 활용하여, 그들은 치료된 세포에게 돌연변이 HD 유전자를 잘라내고 건강한 복사본은 손상되지 않도록 지시할 수 있었습니다.
물론, 약물이 접시 안의 세포에 효과적임을 보여주는 것과 살아있는 유기체에서 테스트했을 때 효과적임을 보여주는 것은 완전히 다른 문제입니다. 이는 CRISPR와 같은 기술에서 특히 그렇습니다. 오늘날 우리가 아는 바로는, 돌연변이 HD 유전자의 영향으로부터 각각의 뇌세포를 구하기 위해 1000억 개의 뇌세포 각각에 지침을 전달할 바이러스가 필요합니다.
또 다른 위험은 CRISPR 및 다른 유전자 편집 도구가 DNA를 영구적으로 변형시킨다는 것입니다. 이는 결국 뇌에서 제거되는 ASO와 같은 약물과는 다릅니다. ASO는 다시 투여되지 않으면 시간이 지남에 따라 효과가 사라집니다.
처음에는 이 아이디어가 환상적으로 보입니다! 만약 단 한 번의 치료로 HD를 치료할 수 있다면, 우리는 분명히 그렇게 하고 싶을 것입니다. 하지만 HD 유전자를 영구적으로 삭제하고 생성되는 헌팅틴 단백질의 양을 줄이는 것과 관련된 장기적인 효과에 대해서는 돌연변이 여부와 관계없이 아직 불확실합니다. HD 유전자를 영구적으로 삭제하는 것이 나중에 다른 종류의 심각한 건강 문제를 일으킬 가능성이 있으며, 안전한지 여부를 알기 전에 그 효과를 연구하는 데 상당한 시간을 할애해야 할 것입니다.
다음은 무엇일까요?
아연 핑거 및 CRISPR 치료와 같은 유전자 편집 기술이 헌팅턴병의 실현 가능한 옵션이 되기까지는 아직 많은 작업이 남아 있습니다. 하지만 여기에 제시된 연구는 우리가 이 위업을 달성하기 위한 중요한 단계를 밟았음을 보여줍니다.
최근 연구는 아연 핑거 요법이 HD 생쥐 모델(뇌가 10센트 동전보다 작음)에서 효과적임을 보여주지만, 뇌가 훨씬 크고 복잡하며 극복해야 할 다른 많은 과제가 있는 인간에게 효과적임을 보여주는 것은 훨씬 더 어려울 것입니다. CRISPR 요법은 HD 생쥐 모델에서 그 효과를 테스트할 계획을 세울 수 있는 시점에 이제 막 도달했기 때문에 훨씬 더 많은 시간이 걸릴 것입니다.
하지만 이것은 낙담할 이유가 없으며, 사실 우리는 정반대가 사실이라고 생각합니다! 현재 연구에서 가장 흥미로운 부분은 HD를 위한 헌팅틴 감소 치료법을 개발하려고 노력하면서 우리가 여러 가지 방법을 가지고 있음을 보여준다는 것입니다. 한 가지 옵션이 우리가 기대했던 대로 작동하지 않더라도, 우리는 HD에 효과적인 치료법을 제공할 수 있는 새로운 치료법을 개발하는 데 꾸준히 진전을 이루고 있습니다.
이 아이디어는 많은 사람들이 빠르게 이해하기 시작하는 것입니다. 최근 Sangamo Biosciences와 Shire Pharmaceuticals라는 두 제약 회사가 헌팅턴병의 치료 옵션으로 아연 핑거 치료법 개발 노력을 가속화하기 위해 협력했습니다. 문제점을 해결하는 데 시간이 걸리겠지만, CRISPR도 마찬가지가 되는 것은 시간 문제일 것이라고 생각합니다. 개인적으로, 우리는 지금까지 이루어진 진전이 우리에게 많은 기대를 안겨준다고 생각합니다!
