BAC의 기본으로: 헌팅턴병의 더 정확한 쥐 모델
유전적으로 변형된 헌팅턴병 쥐 모델에서 CAG 반복 서열이 증가하는 경향이 나타났는데, 이는 돌연변이를 가진 사람에게서 보이는 것과 같다.
캘리포니아 연구팀이 이전보다 훨씬 더 인간 헌팅턴병과 유사한 새로운 헌팅턴병 쥐 모델을 만들었다. 이 모델이 돌연변이가 사람에게 헌팅턴병을 일으키는 정확한 방식을 알아내는 데 어떻게 도움이 될까?
CAG 반복 서열과 반복 불안정성
헌팅턴병(HD)은 헌팅틴 유전자에서 세 개의 DNA ‘염기’인 C, A, G가 너무 많이 반복될 때 발생한다. 그리고 평균적으로, 그 유전자에 CAG 반복 서열이 많을수록 헌팅턴병 증상이 더 일찍 나타나는 경향이 있다.
여러분이 모를 수도 있는 사실은, 헌팅턴병 환자에게서 CAG 반복 서열이 불안정하며 평생에 걸쳐, 특히 뇌세포에서, 커지는 경향이 있다는 것이다. 우리는 이것을 한동안 알고 있었다. 하지만 최근 몇 년간 대규모 유전학 연구들이 반복 서열을 불안정하게 만드는 요인에 연구의 초점을 맞추었다.
이는 CAG 반복 서열이 더 커지는 경향이 있는 사람들이 평균적으로 헌팅턴병이 더 빠르게 진행되는 사람들이라는 것을 그들이 발견했기 때문이다. 이는 세포가 처음 가지고 있던 CAG 반복 서열의 수를 고려하더라도 마찬가지였다.
훨씬 더 중요하게는, 이러한 유전학 연구들은 헌팅턴병 진행에 영향을 미치는 거의 모든 헌팅틴 외 유전자들이 반복 서열 확장을 유발하거나 방지하는 데 관여할 가능성이 있음을 보여주었다.
하지만 우리는 반복 서열 확장이 중요하며 궁극적으로 헌팅턴병에서 보이는 신경 손상을 유발한다는 것을 알고 있지만, 그 사이의 모든 단계에 대해서는 아직 확실히 알지 못한다. 현재 헌팅턴병의 세포 및 동물 모델을 이용한 많은 연구가 그 질문에 답하기 위해 진행 중이다. 이 연구는 매우 중요하다. 왜냐하면 새로운 치료법을 개발하기 위해서는 반복 서열 확장부터 신경 손상까지 질병의 각 단계를 이해해야 하기 때문이다.
BAC의 기본으로
바로 이 지점에서 윌리엄 양과 그의 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스 팀이 ‘BAC-CAG’이라는 새로운 헌팅턴병 쥐 모델을 가지고 등장한다. 이 이름은 모델이 만들어진 방식에서 유래했다. BAC는 ‘세균 인공 염색체(bacterial artificial chromosome)’의 약자로, 인간 헌팅틴 유전자 전체를 쥐의 유전체에 어떻게 삽입했는지를 설명한다.
일반적으로 과학자들은 질병 모델이 시간이 지남에 따라 가능한 한 일관되기를 원한다. 그래서 반복 서열 확장이 얼마나 중요한지 우리가 인식하기 전에 만들어진 이전의 헌팅턴병 쥐 모델들은 쥐의 수명 내내 안정적으로 유지되도록 조작된 DNA 서열을 가지고 있었다. 이는 DNA의 CAG 서열을 ‘CAA’ 서열로 끊음으로써 이루어졌다. 이 CAA 서열은 유전자에 의해 만들어지는 단백질을 변경하지 않지만, 반복 서열이 커지는 것을 막는다. 하지만 양 팀의 새로운 BAC-CAG 쥐는 끊어지지 않은 CAG 반복 서열을 가지고 있어, 인간 헌팅턴병 환자에게서 보이는 DNA 서열에 더 가깝다.
새로운 쥐 모델은 어떤 특징을 보일까?
“중요한 것은, 사람과 마찬가지로 BAC-CAG 쥐에서도 선조체에서 가장 두드러진 CAG 확장이 나타났다는 점이다.”
새로운 헌팅턴병 쥐 모델의 첫 단계는 헌팅턴병과 유사한 증상이 나타나는지 확인하는 것이다. 실제로 BAC-CAG 쥐는 운동 장애와 수면 방해를 보였다. 사람의 경우, 가장 초기에 그리고 가장 두드러지게 영향을 받는 뇌 부위는 선조체라고 불리는 깊은 영역에 있는 ‘중간 가시 신경세포’라는 뇌세포 집합이다. 중요한 것은 BAC-CAG 쥐에서 이 신경세포들의 초기 손실과 함께 이 영역의 염증이 나타났다는 것이다. 그리고 인간 헌팅턴병과 마찬가지로, 변이 헌팅틴 단백질은 BAC-CAG 쥐 선조체의 신경세포 내에서 응집체라고 불리는 덩어리로 축적되었다.
위에서 논의했듯이, CAG 반복 서열은 평생에 걸쳐 증가하지만, 그 속도는 신체 내 다양한 조직에서 다르다. 헌팅턴병의 영향을 받지 않는 부위에서는 비교적 안정적이며(이것이 혈액 검사에서 CAG 수가 일반적으로 변하지 않는 이유이다), 선조체에서는 엄청난 확장을 보일 수 있다. 중요한 것은, 사람과 마찬가지로 BAC-CAG 쥐에서도 선조체에서 가장 두드러진 CAG 확장이 나타났다는 점이다.
우리는 헌팅턴병 환자의 선조체에서 많은 유전자들의 정교하게 조절되는 켜짐과 꺼짐이 방해받는다는 것을 알고 있다. 이전의 유사한 쥐 모델들은 이러한 방해의 일부만을 보여주었지만, BAC-CAG 모델에서는 양 팀이 훨씬 더 큰 방해를 관찰했으며, 이는 사람에게서 보이는 것과 매우 유사하다는 것을 발견했다.
새로운 쥐를 이용한 CAG 불안정성 연구
BAC-CAG 쥐가 헌팅턴병 환자에게서 보이는 것을 면밀히 모방한다는 것을 보여준 후, 양과 동료들은 반복 CAG 불안정성과 질병 사이의 연관성을 찾기 위해 나아갈 수 있었다.
이전 쥐 모델들이 반복 서열 길이를 안정적으로 유지하기 위해 CAA 삽입 서열을 가지고 있었다는 것을 기억할 것이다. CAG와 CAA 모두 헌팅틴 단백질을 만들 때 세포에게 글루타민 구성 요소를 삽입하도록 지시하므로, 반복 서열이 CAG만으로 구성되어 있든, 일부 CAA 삽입 서열을 가지고 있든 상관없이, 단백질은 긴 글루타민 사슬을 포함하게 된다.
양과 동료들이 여러 다른 쥐 모델들을 비교했을 때, 그들은 유전자 스위칭 방해의 정도가 헌팅틴 유전자 내 순수하고 끊어지지 않은 CAG 서열의 수에 의해 영향을 받는다는 것을 발견했다. 하지만 이러한 방해는 단백질 내 글루타민 수와 관련이 없었다. 이는 끊어지지 않은 CAG 서열의 수가 헌팅턴병의 진행을 결정한다는 것을 의미한다. 이는 사람에게서 보이는 것과 일치하지만, 반복 서열 확장이 어떻게 질병을 유발하는지는 여전히 알려주지 않는다.
BAC-CAG 쥐에서 양 팀은 뇌에 반복 서열 확장이 많을수록 운동과 수면이 더 많이 방해받는다는 것을 발견했다. 우리는 사람에 대한 유전학 연구를 통해 이를 의심해왔지만, 반복 서열 확장이 헌팅턴병 쥐의 증상과 직접적으로 연결된 것은 이번이 처음이다. 이는 확장이 질병을 유발하는 데 핵심적인 역할을 한다는 주장을 정말로 강화한다.
이것이 사람에게는 무엇을 의미할까?
그렇다면 CAG 반복 서열 확장이 어떻게 헌팅턴병을 유발할 수 있을까? 우리는 오랫동안 독성 단백질을 만들거나, 예를 들어 세포 내에서 응집되어 세포를 죽게 함으로써 발생한다고 생각했다. 하지만 DNA의 CAG 반복 서열이 선조체에 독성을 나타낼 수 있는 다른 여러 가지 방법이 있다.
예를 들어, 유전자와 그 유전자가 만드는 단백질 사이에는 몇 가지 단계가 있다. 먼저 DNA의 정보가 RNA라는 관련 분자로 복사된 다음, 그것이 단백질로 ‘번역’된다. 양과 동료들은 헌팅틴 유전자에서 비정상적인 RNA 분자들이 만들어지고 있다는 것을 발견했으며,
DNA를 읽는 과정은 일반적으로 유전자의 시작점에서 시작하여 올바른 방향으로 진행되는 매우 체계적인 과정이다. 하지만 헌팅턴병에서처럼 DNA에 길고 반복적인 서열이 있을 때, 때로는 기계가 길을 잃고 반복 서열 자체 내에서 과정이 시작되어 양방향으로 진행될 수 있다. 이러한 역방향 판독은 여러 종류의 이상한 작은 단백질을 만들 수 있으며, 그중 일부는 독성을 가질 수 있다. 양과 동료들은 이러한 작은 단백질들이 BAC-CAG 쥐의 뇌에서 생성되고 있음을 보여주었지만, 이는 증상이 나타나기 시작한 지 한참 후인 질병 진행 후기에만 시작되었다. 그들은 이 과정이 헌팅턴병의 후기 단계에 기여할 수 있지만, 핵심적인 초기 단계일 가능성은 낮다고 결론지었다.
다음은?
그렇다면 우리는 어디에 와 있는가? CAG 반복 서열 확장과 신경 손상 사이의 점들을 연결했는가? 아직 완전히는 아니지만, BAC-CAG 쥐는 어떤 과정이 관련될 수 있고 어떤 과정이 책임이 없을 가능성이 낮은지 파악하는 데 도움을 주었다. 이 쥐는 CAG 확장이 헌팅턴병의 핵심적인 초기 사건임을 확고히 하는 데 기여했다. 반복 서열 확장은 결국 신경 손상으로 이어지며, 그 과정에는 유전자 스위칭 방해, 신경세포 내 단백질 축적, 염증 및 독성 RNA의 조합이 포함될 가능성이 높다.
헌팅턴병에서 신경 손상을 유발하는 데 이 과정들 중 어떤 것이 가장 중요한지 알아내기 위해서는 아직 할 일이 많다. 그리고 좋은 소식은 – 약물이 개발되고 있다! 반복 서열 확장을 표적으로 하는 새로운 치료법들이 올해 임상 시험에 진입할 것으로 예상되며, 양 팀의 새로운 쥐 모델 연구는 이러한 해로운 과정들이 신경 손상이 발생하기 전에 멈추는 데 효과적일 것이라는 희망을 준다.
