코케인 증후군 B (CSB)와 ERCC6 유전자

인간에게는 2만 개 이상의 단백질 코딩 유전자가 존재하며, 각 유전자는 우리의 생물학적 기능에서 고유한 역할을 수행합니다. 유전자 좌위 전반에 걸쳐 발생할 수 있는 다양한 돌연변이와 이러한 요인들의 상호작용을 고려할 때, 유전자 연구는 매우 복잡한 주제가 될 수 있습니다. 관심 유전자 타겟에 대한 정기적인 정보를 필요로 하는 연구자들을 지원하기 위해, 사이아젠은 인간 유전자 연구의 개발 동향과 미래 방향을 소개하는 주간 유전자 시리즈를 개발했습니다. 사이아젠 주간 유전자 시리즈는 널리 연구되는 유전자의 인사이트, 기본 정보, 연구 개요 및 유전자의 응용 배경을 상세히 제공합니다. 이번 주 주제는 콕케인 증후군 B(CSB) 발병과 밀접한 관련이 있는 ERCC6 유전자입니다.

ERCC6 유전자 소개

절제 복구 상보성 그룹 6(ERCC6) 유전자의 돌연변이는 콕케인 증후군 B(CSB)를 비롯한 여러 질환을 유발하는 것으로 알려져 있습니다. 이 유전자는 DNA 스플라이싱 복구 단백질을 코딩하며, ATP에 의해 자극되는 ATPase 활성을 가지고 여러 전사 및 절제 복구 단백질과 상호작용합니다. 또한 DNA 복구 부위에서 복합체 형성을 촉진할 수 있으며, 전사와 연계된 뉴클레오티드 절제 복구(TC-NER)에서 중요한 역할을 수행합니다. ERCC6 유전자는 인간 염색체 10q11에 위치하며 총 길이는 104.7 kb, 총 23개의 엑손, 1493개의 아미노산으로 구성되어 있습니다. ERCC6 유전자의 돌연변이는 콕케인 증후군 B(CSB)와 밀접한 관련이 있습니다.

ERCC6와 콕케인 증후군(CS)

콕케인 증후군(CS)은 드문 상염색체 열성 유전 질환으로, 일본에서는 100만 명당 2.77명, 서유럽에서는 100만 명당 2.70명의 발병률을 보입니다. CS의 임상 특징은 성장 지연, 조로증, 색소성 망막병증, 광과민성, 감각신경성 난청, 소두증 등으로 복잡하고 다양합니다. 임상 표현형은 가장 중증인 뇌-안면-골 증후군(COFS), CS Ⅱ형, CS Ⅰ형, CS Ⅲ형, 자외선 과민 증후군까지 연속적이고 중첩된 스펙트럼을 나타냅니다.

현재 CS 진단에는 크게 3가지 주요 방법이 사용됩니다:

(1) 전형적인 표현형에 기반한 진단으로, 구체적인 진단 기준은 2013년 Laugel이 개정한 버전(그림 1 참조)입니다. 다만 이 방법은 협의의 CS, 즉 CS Ⅰ~Ⅲ형에만 적합하며 COFS와 자외선 과민 증후군에는 적용할 수 없습니다.

(2) CS가 TC-NER 결함을 가지고 있다는 이론에 기반하여 특정 DNA 복구 검사를 수행하는 방법으로, 피부 섬유아세포가 자외선에 노출된 후 RNA 합성 복구 정도를 측정합니다.

(3) 차세대 염기서열 분석 기술을 사용하여 DNA 또는 RNA 염기서열 분석을 통한 유전자 진단을 수행하는 방법입니다 [1].

각각 CSB와 CSA를 유발하는 ERCC6(CSB)와 ERCC8(CSA)의 돌연변이는 CS의 주요 병원성 유전자이며, 이 중 CSB 유전자 돌연변이가 약 2/3를 차지합니다. CSA와 CSB는 TC-NER 경로를 통해 손상된 DNA의 복구에 참여합니다. CSA와 CSB 유전자가 결핍된 세포는 전사 과정에서 발생한 DNA 손상을 복구할 수 없어 RNA 중합효소가 해당 위치에 정체되어 유전자 발현을 방해하고 세포 기능 장애 또는 세포 사멸을 유발하며 최종적으로 CS를 유발합니다. 현재 97종의 CSB 유전자 돌연변이가 콕케인 증후군과 관련이 있는 것으로 보고되었습니다. CSB 순수 돌연변이 외에도 CSB 이형접합 돌연변이도 CS를 유발할 수 있습니다. CSB 단백질의 구조와 병원성 돌연변이의 유형은 그림 1에 나와 있습니다 [2].

그림 1. CSB 단백질과 도메인의 구조 [2]. 산성 영역(A), 핵 국재화 신호(N), 헬리카아제 모티프(I, Ia-VI) 및 유비퀴틴 결합 도메인(UBD). (A) 동형접합 돌연변이: 프레임시프트 및 넌센스 돌연변이는 단백질 위에 표시되고, 결실 및 미스센스 돌연변이는 단백질 아래에 표시됩니다. (B) 이형접합 돌연변이를 나타냅니다.

CS 연구 관련 마우스 모델

Gorgels 등은 인간 CS 환자에서 나타나는 CSB(ERCC6) 유전자의 절단을 모방하여 뉴클레오시드 절제 복구 장애를 가진 CS 마우스 모델을 구축했습니다. 연구 결과 CSB 유전자 특이적 절단 마우스(Csb -/-)는 전사 연계 복구 결함, 자외선에 대한 과민성, 자발성 망막 변성, 자외선 노출 후 RNA 합성을 회복할 수 없는 등 인간 CS와 유사한 일부 특징을 보였습니다. 하지만 CS 환자와 비교했을 때 Csb -/- 마우스는 피부암, 특히 편평세포암에 더 취약했습니다. 이는 인간은 주로 게놈 전체 복구(GG-NER) 경로를 통해 자외선으로 유발된 시클로부탄 피리미딘 이량체를 처리하는 반면, 마우스는 TC-NER 경로를 통해 우선적으로 이를 복구하기 때문입니다. CS 환자와 Csb -/- 마우스의 GG-NER 기능은 영향을 받지 않습니다. 따라서 Csb -/- 마우스는 TC-NER 결함으로 인해 자외선으로 유발된 시클로부탄 피리미딘 이량체를 처리할 수 없어 암에 대한 감수성이 증가하게 됩니다 [3].

그림 2. CSB 결핍 마우스의 피부에서 나타나는 자외선 또는 DMBA 노출 후 급성 및 만성 효과 [3]

(A) CSB -/- 마우스 피부에서 자외선으로 유발된 홍반. 털을 제거한 동물을 4일 연속으로 UV-B(1000 J/m²/일)에 노출시켰습니다(최초 노출 1주 후 촬영한 사진). (위) CSB -/- 수컷 마우스(크기가 작은 점에 주목). (아래) 야생형 수컷 마우스.

(B 및 C) 4일 연속으로 UV-B(200 J/m²/일)에 노출시킨 후 털을 제거한 CSB +/+(B)와 CSB -/-(C) 마우스의 피부 절편. 야생형 피부는 정상으로 나타납니다. CSB 결핍 피부는 과증식(극세포증 및 과각화증)을 보입니다.

(D 및 E) 만성적으로 UV-B에 노출시킨(누적 용량 30 kJ/m²) CSB -/- 마우스의 피부. 육안적 변화로는 발적과 인설(D)이 포함되고, 조직학적 변화로는 극세포증과 부각화증(E)이 포함됩니다.

(F 및 G) 5 μg DMBA로 주 3회 처리한 후 털을 제거한 CSB +/+(F)와 CSB -/-(G) 마우스의 피부 절편. 야생형 피부는 정상 형태를 보입니다. CSB 결핍 피부는 강한 과증식(극세포증)을 나타냅니다.

콕케인 증후군의 치료

현재 CS에 대해서는 주로 대증 치료가 적용되고 있으며, 물리치료나 백내장 제거 등 영향을 받은 장기에 대한 소규모 수술 등이 시행됩니다. 자외선 방사에 매우 민감한 환자는 자외선 보호복을 착용하는 것이 권장됩니다.

조로증에 대응하기 위해 베이징 의과대학 제3병원은 14세 조로증 소녀를 대상으로 줄기세포 치료를 시행했으며, 이는 태반 줄기세포를 이용한 세계 최초의 조로증 치료 사례입니다. 베이징 의과대학 제3병원은 시험관 아기 기술을 통해 건강한 남자 아기를 출산시킨 후, 아기의 태반에서 중간엽 줄기세포(MSC)를 분리하여 병든 언니에게 이식했습니다. 임상 검사 결과 환자의 간 기능 등 여러 지표가 개선되었고 질병 증상이 완화된 것으로 확인되었습니다.

또한 Wang 등은 ERCC6 돌연변이를 가진 CS 환자의 섬유아세포를 유도 다능성 줄기세포(iPSC)로 리프로그래밍한 후, 표적 유전자 편집 시스템을 사용하여 유전적으로 교정된 CS-iPSC(GC-iPSC)를 추가로 생성했습니다. CS-iPSC로부터 유도 분화된 중간엽 줄기세포(CS-MSC)와 신경 줄기세포(CS-NSC)에서도 CS 관련 표현형 결함이 나타났으며, 이 두 가지 유형의 세포는 DNA 손상 스트레스에 더 취약했습니다. 하지만 ERCC6 돌연변이 유전자의 표적 교정을 통해 CS-MSC의 조로증 결함을 개선할 수 있었습니다. 따라서 표적 유전자 편집을 이용하여 자가 iPSC의 병원성 유전자 돌연변이를 표적 교정한 후, 병원성 돌연변이가 없는 GC-MSC로 유도 분화하는 방법은 CS에 대한 실행 가능한 개인 맞춤형 치료 계획이 될 수 있으며, CS를 치료하는 줄기세포 치료의 새로운 아이디어를 제시합니다 [4].

요약

ERCC6은 CS의 주요 병원성 유전자입니다. CSB 유전자의 돌연변이는 세포가 전사 과정에서 발생한 DNA 손상을 복구할 수 없게 만들어 RNA 중합효소가 해당 위치에 정체되도록 하고 유전자 발현을 방해하여 최종적으로 CS 질환을 유발합니다. 현재 CS에 적용되는 임상 치료 방법은 CS의 증상을 완화시킬 수만 있을 뿐 질환을 완치할 수는 없습니다. 동생의 건강한 MSC 이식을 사용하여 CS를 치료한 첫 사례가 보고되었지만, 동종 요법에 줄기세포를 장기간 사용하는 안전성은 아직 확인이 필요합니다. 동종 MSC 치료 외에도, 체세포 리프로그래밍 기술을 통해 CS-iPSC를 생산한 후 표적 유전자 편집을 통해 병원성 유전자 돌연변이의 표적 교정을 구현하고 다시 자가 GC-MSC로 표적 분화시키면 CS-MSC의 결함을 개선할 수 있다는 연구 결과도 있습니다. 하지만 이 방법은 아직 임상 시험이 진행되지 않았으며, 적용 전 엄격한 안전성 평가가 필요합니다.

참고문헌:

[1] Li Dongxiao, Yang Yanling. Clinical and genetic research progress of Cockayne syndrome[J]. Chinese Journal of Practical Pediatrics, 2018,33 (9): 714-717. DOI: 10.3760/cma.j.issn.2095- 428X.2018.09.015.

[2] Vessoni AT, Guerra CCC, Kajitani GS, Nascimento LLS, Garcia CCM. Cockayne Syndrome: The many challenges and approaches to understand a multifaceted disease [J]. Genet Mol Biol. 2020 May 20;43(1 suppl. 1) :e20190085. doi: 10.1590/1678-4685-GMB-2019-0085.

[3] van der Horst GT, van Steeg H, Berg RJ, van Gool AJ, de Wit J, Weeda G, Morreau H, Beems RB, van Kreijl CF, de Gruijl FR, Bootsma D, Hoeijmakers JH. Defective transcription-coupled repair in Cockayne syndrome B mice is associated with skin cancer predisposition [J]. Cell. 1997 May 2;89(3):425-35. doi: 10.1016/s0092-8674(00)80223-8.

[4] Wang S, Min Z, Ji Q, Geng L, Su Y, Liu Z, Hu H, Wang L, Zhang W, Suzuiki K, Huang Y, Zhang P, Tang TS, Qu J, Yu Y, Liu GH , Qiao J. Rescue of premature aging defects in Cockayne syndrome stem cells by 타겟 유전자 편집-mediated gene correction [J]. Protein Cell. 2020 Jan;11(1):1-22. doi: 10.1007/s13238-019-0623 -2.