우연히 보게 된 논문인데 희귀질환과 개인화된 치료법에 대한 논문이라 흥미롭게 보게 되어 리뷰를 남기고자 합니다.
2023년 7월 12일 Nature에 게재된 "A framework for individualized splice-switching oligonucleotide therapy"라는 논문입니다 (https://www.nature.com/articles/s41586-023-06277-0). 이 논문은 KAIST에서 진행한 연구인데요. 그럼 리뷰를 시작해보겠습니다.
먼저 이 연구의 주요 내용을 간략하게 말씀드리겠습니다.
이 연구는 유전 질환, 그 중 아타시아-텔랑기오타시아(ataxia-telangiectasia; A-T)를 대상으로 personalized oligonucleotide (ASO) 치료법을 개발하는 데 중점을 두고 있습니다. 이 연구의 주요 내용은
1. Whole-Genome Sequencing: A-T 환자 235명에 대한 광범위한 유전체 분석을 통해 종합적인 분자 진단을 수립합니다.
2. Taxonomy Development: 개별 유전 변이가 splice-switching ASO 치료에 적합한지 평가하기 위한 분류 체계를 개발합니다.
3. ASO 개발 및 테스트: 두 가지 특정 A-T 변이에 대한 ASO를 개발하고, 환자 유래 섬유아세포(fibroblasts)에서의 잘못된 스플라이싱을 교정하였습니다.
4. 임상 연구: 한 ASO에 대한 파일럿 임상 연구를 실시하여, 3년 동안 심각한 부작용 없이 좋은 내성을 보여주었습니다.
5. Framework for Personalized Therapy: 유전 질환의 스플라이스 전환 치료법을 식별하고 개발하기 위한 체계적인 접근법을 제공하며, ASO가 개인화된 의학에서 가질 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.
그렇다면 좀 더 자세히 들어가서 Antisense Oligonucleotides(ASO) 그 중에서도 splice-switching ASO가 무엇일까요?
Splice-switching antisense oligonucleotides (ASOs)는 유전자 발현을 조절하는데 사용되는 짧은 합성 핵산 서열입니다. 이들은 유전자의 '스플라이싱' 과정을 수정하도록 설계되어, 특정 유전자의 기능을 조절하거나 변형시키는데 중요한 역할을 합니다. 스플라이싱은 유전자가 RNA로 전사된 후, RNA 분자에서 불필요한 부분(인트론)을 제거하고 필요한 부분(엑손)을 연결하는 과정입니다. 이 과정은 최종적으로 단백질을 만드는 데 필요한 정보를 담고 있는 '성숙한' mRNA를 생성합니다. ASO는 이 스플라이싱 과정을 조절하여, 다른 형태의 mRNA가 만들어지게 하고, 그 결과로 다양한 단백질이 생산될 수 있도록 합니다.
ASO의 작동 원리를 알아보겠습니다.
1. 타깃 RNA 결합: ASO는 특정 RNA 분자의 서열과 상보적인 서열을 가지고 있어, 목표로 하는 RNA에 결합할 수 있습니다. 이는 RNA의 스플라이싱 패턴을 변경할 수 있습니다.
2. splicing site 변경: ASO가 RNA에 결합하면, RNA 스플라이싱에 필요한 효소나 단백질의 RNA 접근을 방해합니다. 이로 인해 RNA 분자의 스플라이싱이 변경되어, 다른 엑손들이 포함되거나 제외되는 '대체 스플라이싱'이 일어날 수 있습니다.
3. 대체 mRNA의 생성: 변경된 스플라이싱 패턴은 최종적으로 다른 형태의 mRNA를 생성합니다. 이 mRNA는 원래의 mRNA와는 다른 단백질을 만들어내거나, 특정 유전질환에서 문제가 되는 비정상적인 단백질의 생산을 막을 수 있습니다.
4. 질병 치료에의 응용: 어떤 유전 질환에서는 특정 단백질이 부족하거나 결함이 있을 때 발생합니다. ASO를 사용하여 이러한 단백질의 정상적인 버전을 생성하도록 하는 대체 스플라이싱을 유도할 수 있습니다.
예시로는 듀센 근이영양증 치료와 척수성 근위축증(SMA) 치료가 있습니다. 듀센 근이영양증은 근육 단백질인 디스트로핀의 결함으로 발생합니다. ASO는 디스트로핀 유전자의 RNA 스플라이싱을 조절하여, 결함이 있는 부분을 스킵하고 (엑손 스킵), 결함이 없는 단백질의 생산을 유도할 수 있습니다. 척수성 근위축증은 SMN1 유전자의 결함으로 인해 발생합니다. ASO는 SMN2 유전자의 RNA 스플라이싱을 조절하여 SMN 단백질의 생산을 증가시키는 방법으로 사용됩니다. 이는 SMN1 유전자 결함으로 인한 단백질 결핍을 보완합니다.
이러한 방식으로 ASO는 유전적 결함이나 특정 유전자의 이상으로 인해 발생하는 질병의 치료에 사용될 수 있습니다. 이 기술은 유전자의 DNA 자체를 변경하지 않고, RNA 수준에서 유전 정보의 처리 방식을 조절함으로써 작동합니다. 이는 맞춤형 유전자 치료의 강력한 도구로, 특히 희귀질환 및 기타 유전적 장애의 치료에 큰 가능성을 가지고 있습니다.
그러면 여기서 잠깐, ASO는 CRISPR과 어떤 차이가 있을까요?
ASO (Antisense Oligonucleotides)와 CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)는 유전자 조작 및 유전자 치료 분야에서 사용되는 두 가지 다른 기술입니다. 각각의 작동 원리와 목적에는 중요한 차이점이 있습니다.
ASO (Antisense Oligonucleotides)
- 정의: ASO는 짧은, 합성된 DNA나 RNA 조각으로, 특정 RNA 메시지와 결합하여 그 RNA의 기능을 변경하는 데 사용됩니다.
- 작동 원리: ASO는 목표 RNA에 결합하여 그 RNA의 스플라이싱을 변경하거나, RNA의 안정성을 감소시켜서 분해를 촉진하거나, 번역을 방해합니다.
- 용도: 주로 유전 질환에서 발견되는 특정 RNA의 기능을 조절하는 데 사용됩니다. 이는 RNA 수준에서 유전 정보의 처리 방식을 변경하는 것을 목표로 합니다.
CRISPR-Cas9
- 정의: CRISPR-Cas9은 유전자 편집 기술로, DNA의 특정 부분을 정확하게 절단하고 수정할 수 있습니다.
- 작동 원리: 가이드 RNA (gRNA)를 사용하여 특정 DNA 서열을 찾고, Cas9 단백질이 그 위치에서 DNA 이중 가닥을 절단합니다. 이후 세포의 자체 복구 메커니즘을 통해 DNA 서열의 추가, 삭제 또는 교체가 발생할 수 있습니다.
- 용도: 유전자 조작, 유전 질환 치료, 기능적 유전체학 연구 등에 널리 사용됩니다. 이는 DNA 수준에서 유전 정보를 직접 변경하는 것을 목표로 합니다.
차이점
1. 작용 수준: ASO는 RNA 수준에서 작동하여 유전자의 발현을 조절합니다. 반면, CRISPR-Cas9은 DNA 수준에서 작동하여 유전자 자체를 수정합니다.
2. 기술의 목적: ASO는 주로 유전자의 발현을 조절하거나 억제하는 데 사용되는 반면, CRISPR-Cas9는 유전자의 기능을 변경하거나, 특정 유전자의 활성을 완전히 제거하기 위해 사용됩니다.
3. 정밀도 및 영구성: CRISPR-Cas9은 더 정밀하고 영구적인 유전자 변화를 유도할 수 있으나, 이는 off-target 효과(비표적 부위에서의 DNA 절단)와 같은 위험을 수반할 수 있습니다. ASO는 일반적으로 덜 영구적이며, 투여를 중단하면 효과가 사라질 수 있습니다.
다시 논문으로 들어와 이 연구에서 제안한 framework 중 주요 부분에 대해 설명하겠습니다.
아타시아-텔랑기오타시아(A-T) 환자들을 대상으로 한 분류 체계를 개발하여, 특정 유전 변이들이 스플라이스 전환 ASO 개입에 적합한지 평가했습니다. 이 분류 체계는 두 가지 주요 질문에 기반합니다
1. 유전 변이가 코딩 기능이나 스플라이스 부위에 직접적인 피해를 주는가?
- 변이가 기능에 거의 또는 전혀 영향을 주지 않는 경우, 중간 정도의 영향을 주는 경우, 그리고 심각한 영향을 주는 경우로 분류됩니다.
- 코딩 기능에 대한 피해는 REVEL과 같은 인실리코 예측 도구와 문헌의 실험적 증거를 사용하여 평가되었습니다.
- 정규 스플라이싱 기능에 대한 피해는 SpliceAI, MaxEntScan 등의 도구를 사용하여 평가되었습니다.
2. 유전 변이가 ASO에 의해 교정될 수 있는 유형의 잘못된 스플라이싱을 유발하는가?
잘못된 스플라이싱이 발생할 경우, 스플라이스 부위의 획득, 엑손의 스킵 또는 인트론의 유지 등이 발생할 수 있습니다. 이 단계에서는 SpliceAI, MaxEntScan, LaBranchoR, REVEL과 같은 도구를 사용하여 각 변이의 잠재적인 잘못된 스플라이싱 영향을 평가합니다.
이러한 평가를 통해, 각 변이는 ASO 치료에 'Probably amenable', 'Possibly amenable', 또는 'Unlikely amenable'으로 분류됩니다. 예를 들어, 동의어 변이(synonymous)나 benign missense는 'Probably amenable'으로, 그리고 deep intronic나 near intronic insertion은 'Possibly amenable', 또는 'Unlikely amenable'으로 분류됩니다.
이 분류 체계를 통해, 연구팀은 35명의 환자에게서 36건의 'probably' 또는 'possibly' ASO 적합 변이 사건을 확인했습니다. 이 중 가장 흔한 변이는 c.5763-1050A>G였으며, 연구에서는 이러한 변이들에 대한 실험적인 minigene 스플라이싱 분석을 수행하고 ASO 스크린을 통해 잘못된 스플라이싱을 교정할 수 있는 ASO를 성공적으로 식별했습니다.
이후 ASO 개발과 테스트를 위해 아타시아-텔랑기오타시아(A-T)의 두 주요 변이, c.5763-1050A>G와 c.7865C>T를 선정했습니다. 이 변이들은 ASO 치료에 적합하고 빈번하게 발생했습니다.
선정된 변이들을 위한 ASO를 개발하고, 환자 유래 섬유아세포에서 이 ASO들의 효능을 테스트했습니다. 이 ASO들은 잘못된 스플라이싱을 성공적으로 교정하고 세포 신호를 복원했습니다.
개인적으로 이러한 연구를 보면 어떻게 하면 인공지능으로 좀 더 빠르게, 좀 더 많은 질병과 개인화된 치료를 할 수 있도록 할 수 있을까 고민하게 되네요.
이상으로 간단한 논문 리뷰를 마치겠습니다.
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