섬유성 낭포 연구의 진전을 위한 새로운 CFTR*F508del 인간화 질환 모델
낭포성 섬유증(CF)은 여전히 치명적인 유전 질환으로, 전 세계 수만 명의 환자를 대상으로 하며 치료법이 아직 마련되지 않은 상태입니다. 85% 이상의 환자들이 F508del 변이를 지니고 있어, 정밀하고 신뢰할 수 있는 전임상 모델의 필요성이 더욱 커지고 있습니다. Cyagen이 새롭게 개발한 B6-hCFTR*F508del 인간화 마우스 모델은 낭포성 섬유증의 병리학을 정확히 재현함으로써 약물 개발을 가속화하고 치료적 돌파구를 이끌어내는 혁신적인 해결책을 제시하고 있습니다.
이 혁신적인 모델이 낭포성 섬유증 연구를 어떻게 전환할 수 있는지 알아보고, 더 나은 치료법에 더 가까이 다가설 수 있도록 자세히 살펴보세요.
낭포성 섬유증(CF) 개요
낭포성 섬유증(CF)은 진행성이며 유전적으로 전이되는 치명적인 질환으로, 주로 백인 인구에 영향을 미칩니다. 이 질환은 CFTR (낭포성 섬유증 전도성 조절 단백질) 유전자에 발생하는 변이로 인해 비정상적으로 두꺼운 점액이 생성되어 호흡기 및 소화기계에 심각한 손상을 초래합니다. CF는 환자의 삶의 질을 크게 저하시키며, 비정상적으로 두꺼운 점액이 기도와 췌장관을 차단함으로써 호흡 곤란, 반복적인 폐 감염, 췌장 기능 부전 및 영양 부족 등의 증상을 유발합니다.
치료법의 발전으로 환자의 생존 기간이 연장되었지만, CF는 여전히 치료법이 없는 만성 질환으로 장기적인 치료와 관리가 필요합니다. 따라서 CF를 치료할 수 있는 더 효과적인 치료법 개발이 매우 중요합니다. 85% 이상의 CF 환자들이 F508del 변이를 지니고 있습니다, 이는 치료 개발의 핵심 타겟이 되고 있습니다.
그림 1. 낭포성 섬유증(CF)의 주요 질병 증상.[1]
낭포성 섬유증 전도성 조절 단백질: 중요한 이온 채널 단백질
낭포성 섬유증 전도성 조절 단백질(CFTR)은 신체의 다양한 기관, 예를 들어 폐, 췌장 및 땀샘의 상피 조직에서 염소 이온과 탄산수소 이온의 균형을 유지하는 데 중요한 역할을 하는 중요한 세포막 이온 채널 단백질입니다. CFTR의 주요 기능은 염소 이온 채널로서, 상피세포막을 통해 염소 이온과 탄산수소 이온의 이동을 조절함으로써 조직의 체액 균형과 pH를 유지하는 것입니다. 이 과정은 ATP 수해분해에 의존하며, 다른 이온 채널 및 운반체의 활성도 조절할 수 있습니다.[2]
CFTR 유전자에 발생하는 변이, 특히 F508del 변이는 비정상적인 염소 이온 채널 기능을 초래하여 낭포성 섬유증을 포함한 다양한 질환을 유발합니다. 이 질환은 특히 백인 인구에서 흔하며, 출생률 기준 약 1/2,500~1/1,800이며, 전 세계 환자 수는 약 90,000명으로 추정됩니다.[2] CF의 전형적인 임상적 특징으로는 폐에서 비정상적으로 두꺼운 점액, 반복적인 호흡기 감염, 췌장 기능 부전 및 남성 불임(일반적으로 정관 폐쇄와 관련)이 포함됩니다.
그림 2. CFTR 게이트 채널의 구조적 변화는 생리학적 및 약리학적 조절의 핵심입니다.[3]
F508del (ΔF508) 병원성 변이
F508del (c.1521_1523delCTT), 즉 F508del-CFTR는 낭포성 섬유증에서 가장 흔한 병원성 변이로, 85% 이상의 환자들이 최소한 하나의 병변 복합체를 지니며, 약 40%는 동형접합체입니다.[4-5] CFTR 단백질은 생합성 및 접힘 과정에서 복잡한 도메인 조립을 겪으며, F508del 변이는 CFTR 단백질의 첫 번째 핵산 결합 도메인(NBD1)에서 페닐알라닌(F508) 아미노산의 삭제를 초래하여 접힘 오류를 유발합니다. 새로 합성된 CFTR 단백질은 내재적 소포체 관련 분해(ERAD) 경로를 통해 분해 대상으로 분류되며, 유비퀴틴-프로테아좀 시스템(UPS)에 의해 분해됩니다. 이로 인해 염소 이온 채널 기능이 비정상적으로 작동하게 되어 만성 폐 증상이 발생합니다.[6] 결과적으로 F508del은 낭포성 섬유증 치료제 개발의 주요 타겟 중 하나가 되었습니다.
그림 3. 낭포성 섬유증 환자의 85% 이상이 F508del 변이 유전자를 최소한 하나 이상 지닌다.[5]
예를 들어, Vertex Pharma에서 개발한 CFTR 조절제는 F508del-CFTR 변이 단백질의 구조적 안정성을 향상시켜 단백질 분해를 감소시키고 세포 표면 발현 및 기능을 개선하는 데 효과를 보였습니다. 이로 인해 CFTR 단백질 기능이 개선되어 환자의 병태학적 증상이 완화되었습니다.[7-8] 그러나 기존 치료법의 한계를 극복하고 치료를 더욱 정교하게 다듬기 위해 지속적인 연구가 필수적입니다.
그림 4. 원시형 CFTR 단백질과 F508del-CFTR 변이 단백질의 구조 및 CFTR 조절제의 작용 기전.[9]
Cyagen의 새로운 인간화 CFTR 및 인간화 점변이 모델
인간화 점변이 마우스 모델은 CF 타겟 치료제에 대한 전임상 생체 내 평가의 정확도를 크게 향상시킵니다. 낭포성 섬유증 연구를 진전시키기 위해 Cyagen은 B6-hCFTR 및 B6-hCFTR*F508del 인간화 마우스 모델을 개발하였습니다. 이 마우스는 CF 관련 질병 특징을 나타내며, CFTRF508del 변이를 타겟으로 하는 치료법의 기전 연구 및 평가를 위한 견고한 플랫폼을 제공합니다.
주요 특징:
- B6-hCFTR 마우스 모델 (제품 번호: I001132): 마우스 내 원래 Cftr 유전자의 발현 없이 인간 CFTR를 발현합니다.
- B6-hCFTR*F508del 마우스 모델 (제품 번호: I001226): F508del 변이를 지니며, CF 병리학과 일치하는 표현형을 나타냅니다.
인간화 CFTR 유전자 및 단백질 발현 검증
연구 결과, B6-hCFTR 및 B6-hCFTR*F508del 모델 모두 간, 장, 폐 등 주요 조직에서 인간화된 CFTR mRNA를 발현하며, 원래 마우스 Cftr 유전자의 발현은 관찰되지 않았습니다.
그림 5. 인간화된 CFTR 마우스의 생체 내 유전자 발현.
CFTR 단백질 발현 수준
B6-hCFTR 및 B6-hCFTR*F508del 마우스 모두 인간 CFTR 단백질을 성공적으로 발현하였으나, 후자의 발현 수준은 전자보다 현저히 낮았습니다. 특히, B6-hCFTR*F508del 마우스에서의 CFTR 발현 수준이 B6-hCFTR 마우스보다 낮은 것은 F508del 변이가 유발하는 병리학적 효과와 일치합니다.
그림 6. 생체 내 마우스에서의 CFTR 단백질 발현 비교.
장 조직 병리학적 특징 및 표현형 분석
B6-hCFTR*F508del 마우스는 낭포성 섬유증의 주요 병리학적 특징인 점액세포 과다증, 점액 축적 및 장벽 두께 증가를 나타냈습니다. 반면, B6-hCFTR 마우스는 경미한 조직 병리학적 변화만 보였고, 원시형 마우스는 정상적인 조직을 유지하였습니다. 이러한 표현형은 이 모델이 낭포성 섬유증의 기전 및 치료 접근법 연구에 유용함을 입증합니다.
그림 7. 마우스의 장 조직 병리학적 특징 비교.
요약
B6-hCFTR 마우스(제품 번호: I001132)와 B6-hCFTRF508del 마우스(제품 번호: I001226)는 인간 CFTR 유전자 및 단백질을 성공적으로 발현하며, 원래 마우스 Cftr 유전자의 발현은 관찰되지 않았습니다. 이러한 인간화 마우스 모델이 낭포성 섬유증 연구에 제공하는 주요 장점은 다음과 같습니다:
- 발현 패턴: B6-hCFTRF508del 마우스에서 인간 CFTR 발현 수준이 B6-hCFTR 마우스보다 현저히 낮으며, 인간 F508del 변이에 의해 유발되는 발현 특성과 일치합니다.
- 표현형: B6-hCFTRF508del 마우스는 점액세포 과다증, 점액 축적 및 장벽 두께 증가와 같은 중요한 병리학적 특징을 나타냅니다.
이는 B6-hCFTR 및 B6-hCFTRF508del 마우스가 인간 CFTR 유전자 및 단백질 발현 측면에서 중요한 장점을 지니며, 인간 낭포성 섬유증 질환 특성을 효과적으로 모사하고 있음을 시사합니다. 이러한 이상적인 모델은 다음과 같은 연구 응용에 적합합니다:
- CFTR 단백질 기능 연구
- CFTR 타겟 약물의 스크리닝 및 검증
- CF 치료를 위한 전임상 연구 진전
Cyagen은 신경학, 대사, 희귀질환 등 다양한 연구 분야의 과학자들의 다양한 요구를 충족시키기 위해 완전 인간화 및 인간화 점변이 질환 모델을 개발하였습니다.
참고문헌
[1]Endres TM, Konstan MW. What Is Cystic Fibrosis? JAMA. 2022;327(2):191.
[2]Grasemann H, Ratjen F. Cystic Fibrosis. N Engl J Med. 2023 Nov 2;389(18):1693-1707.
[3]Levring J, Terry DS, Kilic Z, Fitzgerald G, Blanchard SC, Chen J. CFTR function, pathology and pharmacology at single-molecule resolution. Nature. 2023 Apr;616(7957):606-614.
[4]Ong T, Ramsey BW. Cystic Fibrosis: A Review. JAMA. 2023 Jun 6;329(21):1859-1871.
[5]Cystic Fibrosis Foundation. (2021). 2021 Patient Registry Annual Data Report. Retrieved December 12, 2024, from https://www.cff.org/sites/default/files/2021-11/Patient-Registry-Annual-Data-Report.pdf
[6]McDonald EF, Woods H, Smith ST, Kim M, Schoeder CT, Plate L, Meiler J. Structural Comparative Modeling of Multi-Domain F508del CFTR. Biomolecules. 2022 Mar 18;12(3):471.
[7]Carnovale V, Scialò F, Gelzo M, Iacotucci P, Amato F, Zarrilli F, Celardo A, Castaldo G, Corso G. Cystic Fibrosis Patients with F508del/Minimal Function Genotype: Laboratory and Nutritional Evaluations after One Year of Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor Treatment. J Clin Med. 2022 Nov 22;11(23):6900.
[8]Riepe C, Wąchalska M, Deol KK, Amaya AK, Porteus MH, Olzmann JA, Kopito RR. Small-molecule correctors divert CFTR-F508del from ERAD by stabilizing sequential folding states. Mol Biol Cell. 2024 Feb 1;35(2):ar15.
[9]Mall MA, Burgel PR, Castellani C, Davies JC, Salathe M, Taylor-Cousar JL. Cystic fibrosis. Nat Rev Dis Primers. 2024 Aug 8;10(1):53.
