색소소실증(Achromatopsia) 치료를 위한 유전자 치료 접근법: Cyagen의 마우스 모델을 통한 통찰
색맹증(Achromatopsia, ACHM)에 대한 상세 소개
색맹증(Achromatopsia, ACHM) 환자는 세 가지 원색 세포에 해당하는 세 가지 색각 축에서 색 구분 능력이 비정상입니다. 환자의 빨강, 초록, 파랑을 감지하는 세 가지 원색 세포는 완전히 기능하지 못하므로 서로 다른 색을 구분할 수 없습니다. 이 외에도 시력 저하가 동반되며, 평균 시력은 20/200 수준이며, 주로 고도근시와 같은 굴절 이상을 동반합니다.
빛에 대한 과민 반응으로 인해 색맹증 환자는 광공포증 증상을 보이며, 이는 유아기부터 명확히 나타납니다. 또한 나이가 들수록 안정화되는 펜듈럼 니스타그무스 현상이 동반됩니다. 대부분의 환자의 안저는 일반적으로 정상이며, 전기망막도 검사에서 원색 세포의 반응은 소멸된 것으로 확인되지만, 막대세포의 반응은 기본적으로 정상입니다. OCT 검사에서는 환자의 시야에서 망막 중심부의 부피 감소와 중심성 시각소실이 관찰됩니다.
임상적으로 색맹증은 청색 원색 단색증, 진행성 원색 위축증, 적록색약, 대뇌성 실명과 같은 망막 질환과의 구별이 필요합니다. 여러 유전자가 색맹증을 유발할 수 있으며, 사이클릭 뉴클레오티드-개방 채널 α3(CNGA3), 사이클릭 뉴클레오티드-개방 채널 β3(CNGB3), 그리고 구아닐산 결합 단백질 알파 전도 활성 펩타이드 2(GNAT2)가 포함됩니다. 이 세 유전자가 코드하는 단백질은 원색 매개 광전달 경로에서 중요한 역할을 합니다. CNG 채널은 일반적으로 광수용체의 외세포막에 위치하며, 광전달 경로의 말단에 있으며 빛 자극에 의해 이온 전류를 생성합니다. GNAT2 단백질은 로돕신에 의해 활성화될 수 있습니다. 이 외에도 인산디에스터라제 6C(PDE6C) 및 인산디에스터라제 6H(PDE6H)의 변이는 색맹증을 유발할 수 있습니다. 이 두 단백질은 cGMP를 5'-GMP로 전환하며, 원색 세포의 시각 전달에 중요한 역할을 합니다. 광전달 경로에서 광신호는 먼저 시각 색소 분자를 활성화하고, 활성화된 시각 색소 분자는 G 단백질과 결합하며, GNAT2의 결합은 GDP에서 GTP로의 전환을 촉진합니다. 이로 인해 억제성 β/γ 서브유닛이 결합 복합체에서 방출됩니다. 활성화된 GTP 전달 단백질은 원색 인산디에스터라제(PDE6C 및 PDE6H)를 활성화하고, 활성화된 인산디에스터라제는 cGMP를 효과적으로 수해하여 세포 내 cGMP 농도를 감소시킵니다. cGMP 결합 부위의 점유율이 각 이질사함자 서브유닛에 의해 채널 형성 여부가 조절되므로, 이로 인해 세포체의 cGMP-개방 칼슘 채널(CNGA3/CNGB3 서브유닛)이 닫히게 되어 세포막의 과분극이 발생합니다.
질병 유발 유전자 및 변이
색맹증을 유발하는 대부분의 변이는 G 단백질 신호전달(GNAT2)을 방해하거나 cGMP 개방 칼슘 채널 기능(CNGB3 및 CNGA3)을 손상시키지만, 원색 인산디에스터라제(PDE6C 및 PDE6H)의 변이는 상대적으로 덜 중요한 역할을 합니다.
1. CNGB3 유전자
이 유전자는 인간 염색체 8에 위치하며, 18개의 엑손으로 구성되어 있으며 809개의 아미노산을 인코딩합니다. 대부분의 CNGB3 변이는 단백질의 단절을 초래합니다. 무의미 변이와 일부 프레임시프트 변이는 단백질 번역의 조기 종료를 유도하여 이온 채널 기능 상실을 초래합니다. 연구에 따르면 약 50%의 색맹증 환자는 이러한 무의미 변이 유전자에 의해 발생하며, 더 흔한 CNGB3 변이로는 c.1148delC가 있으며, 중국 남성 환자 중 약 70%의 변이를 차지합니다. 반면 T383fsX 변이를 가진 색맹증 환자는 더 나은 시력을 보입니다. CNGB3 유전자의 대부분의 변이는 무의미 변이이며, CNGB3 및 CNGA3 유전자 변이가 색맹증 환자에서 약 70%의 유전자 변이를 차지합니다.
2. CNGA3 유전자
이 유전자는 인간 염색체 2에 위치하며, 8개의 엑손으로 구성되어 있으며 694개의 아미노산을 인코딩합니다. 이 유전자는 광전달 경로의 결정 요소이며, 여러 기능적으로 보존된 도메인을 포함하며, 후각 감각 세포, 대뇌 피질, 송과선, 신장, 폐, 대장, 심장과 같은 비신경 조직에서도 발현됩니다.
CNGA3 유전자는 현재 4개의 주요 연구 대상 변이점(p.R277C, p.R283W, p.R435W, p.F547L)을 보유하고 있으며, 이는 전체 변이의 약 40%를 차지합니다. 연구에 따르면 CNGA3 유전자 변이는 색맹증뿐 아니라 불완전한 색맹증 및 중증 진행성 원색 위축증의 발병에도 기여합니다. 이 단백질의 변이는 cGMP가 이온 유입을 활성화하지 못하게 하며, 전체 길이의 단백질이 내질망에 갇히게 되어 채널 기능 상실을 초래합니다. 일부 변이는 단백질의 잘못된 접힘과 cAMP에 대한 결합 친화도 변화를 유도할 수 있습니다. 순환 뉴클레오티드-개방(CNG) 이온 채널에 비해 CNGA3의 정상 기능은 더욱 중요합니다. CNGA3 단백질은 단독으로 기능하는 채널을 형성할 수 있지만, 채널 기능에 일부 변화가 있을 수 있습니다.
3. GNAT2 유전자
이 유전자는 인간 염색체 1에 위치하며, 8개의 엑손으로 구성되어 있으며 354개의 아미노산을 인코딩합니다. 대부분의 변이는 번역의 조기 종료와 단백질 단절을 유도합니다. 카복시 터미널에는 막대세포 시각 색소와 상호작용하는 다수의 위치가 있습니다. 그러나 이 유전자 변이는 색맹증 환자의 2% 미만에서만 발생하며, 그 중 하나는 c.461+24G>A 변이로, 정확한 전사체 비율 감소를 유도합니다.
4. PDE6C 유전자
5. PDE6H 유전자
이 유전자는 인간 염색체 12에 위치하며, 4개의 엑손으로 구성되어 있으며 83개의 아미노산을 인코딩합니다. 이 유전자 변이(S12X 등)는 불완전한 색맹증을 유발할 수 있습니다.
마우스 모델(구축 방법)
Cpfl5 마우스는 잭슨 랩(Jackson Lab)에서 발견한 색맹증 마우스 모델로, 인간 색맹증 2형(유전자형 2형)의 자가우성 열성 유전과 유사하며, CNGA3 유전자의 엑손 5에서 발생한 Thr164Ala 변이에 의해 유발됩니다.
Cnga3 동형접합 녹아웃 마우스에서는 원색 세포의 기능이 완전히 상실되었으며, 원색 세포 수가 감소하고 남아 있는 원색 세포의 형태는 무질서해졌습니다.
Cngb3 녹아웃 마우스는 CNG 기능 상실과 원색 매개 빛 반응의 선택적 소실을 보였으며, 원색 세포의 점진적 퇴화 및 사멸이 동반됩니다. 또한, 해당 유전자 변이를 타겟으로 한 연구를 위해 Gnat2 및 Pde6c 유전자 녹아웃 마우스 모델도 존재합니다.
유전자 치료 방법
현재 AGTC는 색맹증 치료를 위한 두 가지 약물을 개발하였습니다. 초기 결과에 따르면, 이 두 약물(AGTC-401 및 AGTC-402)은 색맹증 환자에서 안전하고 잘 견딜 수 있음을 보였습니다. 약물은 재조합 아데노-연관 바이러스(AAV) 벡터를 사용하여 인간 CNGB3 및 CNGA3 유전자를 포장하고 망막 아래에 주사합니다. 일부 환자에서 부작용이 발생하였습니다. 고용량군에서는 일부 환자에서 광민감도 및 어두운 환경 적응 능력이 향상되었습니다.
MeiraGTx 또한 CNGB3 및 CNGA3 유전자 변이에 의해 유발되는 색맹증을 위한 유전자 치료법을 개발하였으며, 현재 1/2상 임상시험 중입니다. AAV 매개 치료법은 FDA 및 EMA로부터 희귀 약물 지정 및 희귀 소아질환 지정을 획득하였습니다.
일부 연구에서는 3주령의 Cpfl5 마우스에 망막하 공간에 바이러스 매개 유전자 치료를 투여한 후, 후속 전기망막도 검사에서 환자가 전류 반응을 보였습니다. 유전자가 상대적으로 작기 때문에 바이러스에 직접 포장될 수 있었습니다.
일부 연구진은 Easi-타겟 유전자 편집 시스템 또는 ES 타겟팅을 사용하여 엑손 5와 엑손 6 사이의 인트론에 미니-STOP 요소를 삽입하였으며, 일부 단절된 단백질도 마우스 표현형을 회복시킬 수 있었습니다.
2020년 독일 연구팀은 JAMA 안과학 저널(NCT02610582)에 색맹증 2형 환자를 대상으로 한 유전자 치료 임상시험 결과를 보고하였으며, 긍정적인 실험 데이터를 확보하였습니다. 연구진은 AAV8을 사용하여 인간 유래 기능성 CNGA3 유전자를 포장하고 망막하 주사를 통해 원색 세포가 기능성 CNGA3 유전자를 발현하도록 하여 CNGA3 단백질 손실로 인한 원색 세포 기능 이상을 보완하였습니다. 실험 결과, 유전자 치료는 심각한 안전성 문제를 거의 관찰하지 못하였으며, 치료된 9개의 눈에서 일부 개선이 나타났으며, 평균 시력 개선은 2.9자 수준이었습니다.
Cyagen 안과 유전자 치료 솔루션
안과 유전자 치료에서 장기적인 난제를 해결하기 위해, Cyagen은 고급 정밀 소동물 안과 장비와 고도 전문 인력을 갖춘 안과 유전자 치료 플랫폼을 구축하였습니다. 저희 플랫폼은 동물 안과 유전자 편집 모델, 안과 주사 투여, 샘플 채취, 검사 및 분석 등 일련의 전임상 표준화 연구 서비스를 제공함으로써 안과 유전자 치료 연구 과정에서의 다양한 고통점을 해결할 수 있습니다.
모든 당사자의 노력으로 더 많은 유전자 치료법이 임상시험에 진입하여 선천성 안과 질환 및 실명 환자들이 조속히 희망의 빛을 볼 수 있기를 진심으로 기대합니다. 전화로 문의하시려면 800-921-8930 또는 이메일로 [email protected]로 연락하시거나 온라인 상담을 요청해 주세요. 종합 전임상 안과 연구 솔루션을 통해 Cyagen의 안과 유전자 치료 솔루션에 대해 더 자세히 알아보시기 바랍니다.
참고문헌 및 이미지 출처:
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