이 글은 Nature Reviews Neuroscience에 게재된 Katherine Whalley의 "Neurodevelopmental Disorder: a Targeted Rescue"를 번역 및 정리한 글입니다. 기사 원문은 여기서, 논문은 여기서 찾아보실 수 있습니다.

취약 X 증후군 (Fragile X syndrome; FXS) 은, 마틴-벨 증후군이라고도 하며 주로 정신 지체, 평발, 긴 얼굴, 큰 귀 등의 증상을 가지고 있는 유전병입니다. X 염색체의 끝 부분이 너덜거려 떨어져나갈 것 같이 보여서 붙여진 이 병은, 사실은 X 염색체에 위치한 FMR1 유전자에 CGG 염기 서열이 비정상적으로 반복되어서 나타나는 증상으로, 알려진 치료법은 현재 없습니다. 남자는 대략 4천명 중에 한명, 여자는 8천명 중에 한명 꼴로 나타나는 병입니다.

최근의 연구에 의하면, FXS 의 발병 원인이 FMR1 유전자의 후성유전적인 비활성화 (silencing)에 의한 것을 밝혀내어, 이 비활성화를 제거한다면 FXS와 관련된 정신지체를 치료할 수 있다고 주장하였습니다. MIT 생물학 교수인 Jaenisch 와 그 팀은, 그들의 최신 연구에서 특정한 염기 서열을 비메틸화하게 하는 도구를 사용하여, FMR1 유전자를 재활성화 시키고 FXS 환자에게서 채취한 세포에서 보이는 여러가지 비정상적인 표현형을 되돌릴 수 있다는 것을 보여주었습니다.

Fragile X syndrome에 관한 동영상 설명. 출처: 위키피디아

FXS 환자에서는, FMR1 유전자의 비활성화는 길게 확장되어 과메틸화된 CGG 염기서열의 반복이 5' UTR (untranslated region)에 존재하는 것과 연관되어 있습니다. 이 부분을 DNA 메틸화 편집 타겟으로 하기위해, 연구자들은 FXS 환자로부터 채취한 유도만능줄기세포 (induced pluripotent stem cell; iPSC) 를 두개의 바이러스 벡터로 감염시켰습니다. 하나는 DNA 탈메틸화를 유도하는 methylcytosine dioxygenase TET1 의 활성화된 형태와 nuclease Cas9의 비활성화된 형태로 이루어진 합성 단백질을 발현시키는 벡터이고, 다른 하나는 Cas9 과 확장된 CGG 부분에 정확히 들러붙는 RNA를 발현시키는 벡터입니다.

이 '수정된' iPSC 에서는 FMR1 유전자에 위치한 CGG 확장 부분의 메틸화 레벨이 현저하게 감소하였으며, 원래의 수정되지 않은 세포와 비교하여, 건강한 인간 배아줄기세포의 FMR1 발현 정도의 90% 까지 회복되는 것이 관찰되었습니다. FXS 환자의 iPSC에서 생성된 이미 분화된 뉴런이 이 벡터들에 노출되었을 때에, 그 효과 또한 (다소 적기는 하지만) 비슷하였습니다. 더군다나, 수정된 FXS 환자의 iPSC 에서 생성된 뉴런 전구세포 (precursor cell) 들이 쥐의 뇌에 주입되었을 때에, 그 세포들은 뉴런으로 분화되어 FMR1 활성화가 주사 후 몇달 간이나 지속되었습니다. 이것은 FMR1 재활성이 동물 체내에서 지속될 수 있다는 가능성을 시사하는 것입니다.

FMR1 유전자의 CGG 확장 부분에서 일어나는 과메틸화 (hypermethylation) 는 FMR1 프로모터에서 RNA polymerase 의 비접근성과 후성유전적인 유전자 발현 억제 인자로 특징지어지는, 염색질이 단단히 뭉친 형태인 이상염색질 (heterochromatin) 의 형성을 유발한다고 간주됩니다. 연구자들은 FXS 환자의 수정된 iPSC 에서 발견되는 이 FMR1 프로모터가 발현 억제 인자의 감소와 활성화된 염색질 인자의 존재를 증가시키는 것을 발견하였으며, 이것은 확장된 CGG 반복 영역의 탈메틸화는 FMR1 프로모터가 유전자 발현을 가능하게 하는 활성화된 형태를 가지도록 유도한다는 것을 시사합니다.

신경 기능에서 FMR1 유전자의 CGG 반복 확장 영역의 과메틸화를 되돌리는 것에 대한 효과를 관찰하기 위해, 연구자들은 FXS iPSC의 수정된 유형과 수정되지 않은 유형을 뉴런으로 분화시켜 그 전기생리학적인 성질을 관찰하였습니다. FXS 환자들의 뉴런에서 관찰되는 과잉민감성 (hyperexcitability) 과 동일하게, 수정되지 않은 iPSC 에서 분화된 뉴런은 정상보다 높은 신경 점화율 (firing rate)를 보였습니다. 하지만, 수정된 iPSC 에서 분화된 뉴런은 신경 점화율이 정상 수준으로 회복된 것이 관찰되었습니다. 전기생리학적인 성질은 분화된 후에 탈메틸화가 일어나더라도 정상 수준으로 되돌아 왔습니다.

이 연구는 DNA 메틸 수정 기법이 다양한 질병에 DNA 메틸화가 미치는 영향을 연구하는 도구로 사용될 수 있다는 것을 보여주었으며, DNA 메틸화로 인해 억제된 FMR1 유전자를 되돌려서 FXS 환자의 신경 기능을 치료할 수 있는 가능성을 보여주고 있습니다.

Reference:
Liu et al. (2018) Rescue of fragile X syndrome neurons by DNA methylation editing of the FMR1 gene. Cell. 172(5):979-992.e6

이 글은 사이언스지의 기사인 "New animal study raises concerns about high-does gene therapy"를 번역한 글입니다. 원문은 여기서 찾아보실 수 있습니다.

치명적인 신경 근육 질환을 가지고 태어난 아기에게 극적인 효과를 가져온 최근의 유전자 치료 시험이 비슷한 방법을 이용한 다른 질병의 치료에도 사용될 수 있는 희망을 불러 왔습니다. 그러나 새로운 동물 실험에 따르면, 이러한 치료에 사용되는 유전자를 포함한 바이러스의 고용량 투여가 인간 임상 실험에서 제시된 것처럼 항상 안전하지만은 않을 수도 있다고 합니다.

어제 몇몇 유전자 치료 회사의 주식에 급락을 불러일으킨 이 새로운 연구에서, 연구자들은 보통 해가 없어서 신경 근육 질환을 치료하기 위한 치료 유전자를 세포로 전달해주는 데에 쓰이는 아데노 관련 바이러스 9(adeno-associated virus 9; AAV9)를 어린 원숭이와 돼지에게 주입했습니다. 며칠 내로, 일부의 동물들은 심각한 간과 신경 손상을 일으켰습니다.

이 연구 결과는 10대 소년이 유전자 치료 벡터로 인한 면역 반응으로 사망한 1999년 임상 시험을 주도한 펜실베니아 대학의 유전자 치료 원구원 제임스 윌슨 (James Wilson) 교수의 연구실에서 주도했기 때문에 더욱 주목을 받았습니다. 이러한 최근의 동물 실험 결과를 바탕으로 Wilson은 고용량 AAV9 투여를 이용한 유전자 치료를 계획하고 있는 연구자들에게 비슷한 부작용을 찾아보아야 한다고 경고하고 있습니다.

그러한 경고에도 불구하고, 유전자 치료 분야의 그와 다른 사람들은 이것이 유전자 운반자 (gene carrier)에 대한 진행 중인 임상 실험이 중단되어야 한다는 것을 의미하지 않는다고 말합니다. 지난 1월 29일 새로운 연구를 온라인으로 발표한 ​Human Gene Therapy​의 편집장이자 워체스터 메사추세츠 의과 대학의 유전자 치료 연구자인 테렌스 플롯 (Terence Flotte)는 "이번 연구는 잠재적으로 큰 의미가 있다"고 말하면서, 자신의 논평에서 "지나치게 반응해서는 안된다"라고 썼습니다.

DNA를 전달하기 위해 유전자 치료에 쓰이는 벡터 중에서, AAV9는 신경 조직을 통해 퍼지는 데 특히 탁월한 것으로 입증 되었고, 고용량 투여시 혈액-뇌 장벽을 통과하여 척수 신경 및 뇌에 도달 할 수도 있습니다. 지난 11월에 발표된 AAV9를 이용한 최초의 인체 실험에서, 일반적으로 2세 이전에 사망하는 신경퇴행성 질환인 심각한 형태의 척수성 근 위축증을 앓고 있는 15명의 아기가 그들이 결핍된 유전자인 ​SMN​을 삽입한 바이러스를 주입받았습니다. 대부분의 아기들은 이제 앉을 수 있고, 그 중 두 명은 현재 걸어다닙니다.

그러나 Wilson 교수의 연구에서 SMN​이 삽입된 비슷한 AAV9을 정맥 내로 대용량 주사한 3 마리의 어린 히말라야 원숭이들은 간 독성 징후를 보여, 그 중 하나는 안락사를 받아야 했습니다. 동일한 치료를 받은 3 마리의 새끼 돼지들은 운동 신경에 손상이 있었고, 더 이상 걸을 수가 없어, 또한 안락사를 받아야 했습니다. 이러한 반응들은 이전의 AAV 연구에서 보여진 부작용과는 달리, AAV9의 단백질 외막이나 AAV9가 보유하고 있는 유전자에 대한 면역 반응과는 관련이 없는 것으로 보인다고 Wilson 교수의 그룹이 보고했습니다.

이 연구실은 다른 유전자를 지니는 또다른 AAV9 변종을 한 원숭이에 주입한 결과 비슷한 부작용을 보인다는 것을 발표할 계획으로, 그 결과가 광범위하게 적용 될 것이라고 주장합니다. Wilson 교수와 그 동료 연구팀은 적어도 5개의 계획되어 있는 혹은 진행 중인 임상 시험에서 유전자를 근육이나 신경세포에 전달하기 위해 AAV9 혹은 그 변종의 대용량 투여를 이용한다고 언급했습니다. 동물에서의 이러한 연구를 포함한 다른 안전성 연구들도 "유사한 독성에 대한 주의 깊은 모니터링을 포함시켜야 한다"고 그들은 주장합니다. 그의 발견이 이번달 초에 발표될 즈음에, Wilson 교수는 Duchenne 근이영양증 (Duchenne muscular dystrophy)를 치료하기 위해 정맥주사 AAV9 유전자 치료법을 사용할 계획인 Solid Biosciences 이사회에서 최근 사임하였습니다. (이 치료법에 관한 임상 실험은 미국 식품의약국[FDA]에 의해 정밀 조사 중이며, 현재는 고용량의 AAV9를 사용하는 것을 사실 상 중단하였습니다.)

Flotte는 이 새로운 결과들이 인체 실험에 적용되지 않을 수도 있는 몇 가지 이유에 대해 다음과 같이 설명합니다. Wilson 교수 팀이 주사한 AAV9은 임상 시험에서 사용된 것과 동일한 타입이 아니며, 그 연구는 동물에게 독성을 유발할 지도 모르는 인간 버전의 ​SMN​ 유전자를 사용했습니다. 또한, 연구자들은 치료가 오염되었다는 가능성을 배제하지 않았다고 말했습니다. Flotte와 공동 저자들은 그들의 논평에서 AAV9 유전자 치료 임상 시험이 잠재적으로 생명을 구하기 때문에 계속되어야 한다고 기술하고 있습니다. "이걸 연구해 봅시다, 하지만 그걸 무시하지는 맙시다."라고 Flotte는 덧붙였습니다. FDA 대변인은 이 연구에 대해 진술을 거부했습니다.

Wilson 교수는 또한 "이 시점에서 무엇이든 주제에서 벗어나고 싶지 않다"고 말했습니다. 그는 새로운 실험이 AAV9 안전성에 대한 이전의 연구와 크게 다른 점에 동의했습니다. 또한, 실험실과 벡터 생산 시설은 AAV9 용량을 측정하기 위해 서로 다른 방법을 사용하기 때문에 여러 연구에 걸쳐서 용량을 비교하기가 어렵습니다. Wilson 교수는 "단지 이것이 (새로운 유전자 치료를 개발하는 연구자들에게 제공되는) 유용한 정보가 되기를 희망한다"고 말했습니다.

채플 힐에있는 노스 캐롤라이나 대학 (University of North Carolina)의 유전자 치료 연구원인 Jude Samulski는 AAV9를 이용한 영장류 연구에서 이러한 독성 영향을 한번도 본 적이 없으며 앞으로 많은 실험실에서 Wilson 교수의 벡터를 요청하고 그의 실험을 반복 할 것이라고 예측했습니다. "이것이 진정으로 우려된다면 재현이 가능해야합니다."라고 그는 말합니다.