Gun들지마의 Bioinformatics 생명정보학

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