눈 질환의 유전적 요인: 망막색소변성증(Retinitis Pigmentosa, RP) 및 RHO 유전자
유전자는 어린이와 성인에서 매우 흔한 안과 질환의 발병에 중요한 역할을 합니다. 어린이 실명의 60% 이상은 유전적 요인에 의해 발생하며, 선천성 녹내장, 안구 기형, 시신경 위축, 망막색소변성증 등이 포함됩니다. 성인에서도 유전적 요인이 심각한 안과 질환과 관련이 있으며, 녹내장과 황반변성 등이 대표적입니다.
지난 15년간 Cyagen이 실험용 쥐 모델 개발에 축적한 경험을 바탕으로, 인간 안과 질환과 관련된 흔한 유전자 변이에 대한 여러 마우스 모델을 개발해 왔습니다. 예를 들어, 망막색소변성증 연구를 위해 Rho 녹아웃(KO) 쥐를 개발하였습니다. 또한 Cyagen은 유전적 안과 질환 연구에 점점 더 유용한 인간화 마우스 모델을 지속적으로 개발하고 있습니다. 아래 내용에서는 안과 및 안과학 연구에 가장 관련성이 높은 인간화 마우스 모델 몇 가지를 소개하겠습니다.
망막색소변성증(RP)이란 무엇인가요?
망막색소변성증(RP)은 임상적 및 유전적으로 다양한 특성을 지닌 실명성 망막 질환으로, 유전성 망막 퇴행성 질환의 큰 그룹에 속합니다. 현재까지 54개의 망막 유전자가 돌연변이가 확인된 바 있습니다[1]. RP는 막대세포 광수용체 질환으로 인한 점진적인 야맹증으로 시작되며, 주변 시야의 점진적 소실을 동반하고, 이후 원추세포 광수용체 퇴행으로 인해 완전한 실명에 이릅니다.
그림 1. 망막색소변성증이란 무엇인가요? (출처: Fleetwood Family Eye Care)
전 세계적으로 망막색소변성증의 유병률은 1만 3500명당 1명이며, 자손 우성(adRP), 자손 열성(arRP), X 염색체 연관(XlRP), 이유성[2] 형태로 유전될 수 있습니다. 현재까지 적어도 20개의 유전자가 adRP를 유발하는 것으로 확인되었으며, 그 단백질 제품은 망막 광수용체 구조 및 대사의 다양한 중요한 측면에 관여하고 있습니다. 예를 들어 외막 세그먼트 형성, 광전달 및 비타민 A 사이클, 유전자 발현, 전사, mRNA 처리 등이 포함됩니다[3].
| 형태 | 지도된 위치(미확인) | 지도 및 확인된 유전자 |
|---|---|---|
| 자손 우성 망막색소변성증(adRP) | RP63 | ADIPOR1, ARL3, BEST1, CA4, CRX, FSCN2, GUCA1B, HK1, IMPDH1, IMPG1, KIF3B, KLHL7, NR2E3, NRL, PRPF3, PRPF4, PRPF6, PRPF8, PRPF31, PRPH2, RDH12, RHO, ROM1, RP1, RP9, RPE65, SAG, SEMA4A, SNRNP200, SPP2, TOPORS |
| 자손 열성 망막색소변성증(arRP) | RP22, RP29 | ABCA4, AGBL5, AHR, ARHGEF18, ARL6, ARL2BP, BBS1, BBS2, BEST1, C8orf37, CERKL, CLCC1, CLRN1, CNGA1, CNGB1, CRB1, CWC27, CYP4V2, DHDDS, DHX38, EMC1, ENSA, EYS, FAM161A, GPR125, HGSNAT, IDH3B, IFT140, IFT172, IMPG2, KIAA1549, KIZ, LRAT, MAK, MERTK, MVK, NEK2, NEUROD1, NR2E3, NRL, PCARE, PDE6A, PDE6B, PDE6G, POMGNT1, PRCD, PROM1, PROS1, RBP3, REEP6, RGR, RHO, RLBP1, RP1, RP1L1, RPE65, SAG, SAMD11, SLC7A14, SPATA7, TRNT1, TTC8, TULP1, USH2A, ZNF408, ZNF513 |
| X 염색체 연관 망막색소변성증(XlRP) | RP6, RP24, RP34 | OFD1, RP2, RPGR |
표 1. 망막색소변성증(RP)과 관련된 지도 및 확인된 유전자 [1]
(출처: RetNet, 망막 정보 네트워크)
Haim 등이 수행한 연구에 따르면, 비특이적 RP 사례 중 adRP의 유병률은 8.4%, arRP는 19%, X 연관은 14.3%로 나타났습니다[4] [5]. adRP를 유발하는 가장 흔한 단일 유전자는 로돕신(RHO; MIM# 180380)으로, 현재까지 130개 이상의 돌연변이가 확인되었으며, 전체 사례의 8%에서 10%를 차지합니다[6] [7].
표 2. 망막색소변성증(RP)에서 유전적 그룹의 분포 [4]
RHO 유전자 개요
RHO (로돕신)는 단백질 코딩 유전자입니다. RHO 유전자에서 인코딩되는 로돕신 단백질은 눈 뒷부분의 막대세포에 존재하며, 저조도 조건에서 시각에 필수적입니다. 눈 뒷부분에 위치한 광감지 조직인 망막의 일부로, 막대세포는 저조도에서의 시각을 제공합니다. 망막에 존재하는 다른 광수용체 세포인 원추세포는 밝은 조건에서의 시각을 담당합니다. 로돕신 단백질(RHO)은 비타민 A의 일종인 11-시스 레티날이라는 분자에 결합되어 있습니다. 빛이 이 분자(11-시스 레티날)에 닿으면 로돕신이 활성화되고, 전기 신호를 생성하는 일련의 화학 반응이 시작됩니다. 이 신호는 뇌로 전달되어 시각으로 인식됩니다.
그림 2. RHO 유전자의 정보 및 서열 동질성 정렬 [8]
출처: 희귀질환 데이터 센터(RDDC)
자손 우성 망막색소변성증(ADRP) 및 RHO 유전자
망막색소변성증(RP) 환자에서 150개 이상의 RHO 유전자 돌연변이가 확인되었습니다. RHO 유전자 돌연변이는 자손 우성 RP의 전체 사례의 20~30%를 차지하며, 이는 질환의 가장 흔한 형태로 여겨집니다. 드물게 RHO 유전자 돌연변이는 자손 열성 RP와 관련이 있지만, 이 형태의 질환은 일반적으로 다른 유전자에서의 돌연변이에 의해 발생합니다.
RHO 유전자 돌연변이 중 대부분은 로돕신 단백질의 접힘 또는 운반에 영향을 미칩니다. 일부 돌연변이는 빛에 반응하는 대신 로돕신을 지속적으로 활성화시킵니다. 연구 결과에 따르면, 변형된 로돕신은 세포의 필수 기능을 방해하여 막대세포가 자멸(아폽토시스)하게 만든다고 합니다. 막대세포는 저조도 조건에서 시각에 필수적이므로, 이 세포의 손실은 RP 환자에서 점진적인 야맹증을 초래합니다.
망막색소변성증은 또한 일반적으로 밝은 조건에서 시각을 담당하는 원추세포의 점진적 손실과 관련이 있습니다. 원추세포의 사멸은 터널 시야를 유발하고, 많은 환자에서 결국 실명에 이릅니다. RHO 유전자 돌연변이가 원추세포의 기능과 생존에 어떻게 영향을 미치는지는 아직 명확하지 않습니다[9].
인간화된 RHO 마우스 모델
ADRP를 유발하는 RHO 돌연변이는 100개 이상 존재하며, 북미 지역에서 가장 흔한 RHO 돌연변이는 P23H(프로린-23이 히스티딘으로 치환됨)입니다. 이는 처음으로 확인된 RP 돌연변이이며, 체외 및 동물 모델에서 광범위하게 연구되었습니다. 최근 일부 RHO 인간화 마우스 모델(예: T17M, P23H)이 개발되었으며, 인간에게 위험을 주지 않고 생체 내 시스템에서 타겟 유전자 편집 기술(Targeted Gene Editing-Pro)의 치료 효과를 사전 임상적으로 평가할 수 있게 되었습니다. 알려진 RHO 돌연변이 수에 비해 인간화 마우스 모델의 수는 적지만, 각 돌연변이에 대해 인간화 마우스를 구축하는 것은 시간과 비용이 많이 소요됩니다.
일례로, Xiaozhen Liu 등은 동질성 유도 복구 전략과 타겟 유전자 편집 기술-Pro를 결합하여, 시작 코돈 이후의 마우스 엑손1(mE1)부터 종결 코돈 이전의 mE5까지 인간의 RHO 유전자 조각을 도입하고, 모든 인트론을 인간의 대응 구조로 교체하였습니다. 인간 로돕신은 내재된 마우스 프로모터에 의해 생체 내에서 전사 및 번역적으로 발현될 수 있었습니다. 인간화 마우스 라인에서 돌연변이 없는 인간 로돕신은 형태적 및 기능적으로 마우스 로돕신을 대체할 수 있었습니다. 그러나 T17M, G51D, G114R, R135W, P171R 돌연변이를 동시에 포함한 인간 로돕신을 지닌 돌연변이 인간화(Mut-Rhowt/hum 및 Mut-Rhohum/hum) 마우스 라인에서는 망막 퇴행이 발생하였습니다[10].
그림 3. 인간화된 RHO 마우스 생성 전략 [10]
Mut-Rhohum/hum 마우스는 3개월령 시 막대세포 외막 형성 이상으로 인해 심각한 망막 퇴행을 겪었으며, 전기망막도(ERG) 결과가 기록 불가능하였습니다. Mut-Rhowt/hum 마우스는 광수용체 손실 속도가 느렸습니다. 7개월령 Mut-Rhowt/hum 마우스에서는 연령에 맞는 WT 마우스와 비교하여 통계적으로 감소된 스코토픽 ERG 반응이 관찰되었으며, 3개월령부터 외막 길이 단축 및 외핵층 얇아짐이 확인되었습니다. 7개월에서 9개월 사이에는 통계적으로 비정상적인 스코토픽 ERG 반응이 나타났으며, 9개월령 Mut-Rhowt/hum 마우스에서는 광수용체 손실이 명확하게 관찰되었습니다. 12개월령 Mut-Rhowt/hum 마우스에서는 통계적으로 감소된 스코토픽 및 포토픽 ERG 반응과 망막 전반의 퇴행이 확인되었습니다.
설명된 돌연변이 인간화 이형접합체 전략은 타겟 유전자 편집 기술-Pro를 통해 이 5개의 돌연변이에 대한 유전자 편집 치료법을 사전 임상 연구에서 시간과 비용을 절약하며 효과적으로 탐색할 수 있는 기회를 제공합니다.
Cyagen이 할 수 있는 일은 무엇인가요?
지난 1년간 Cyagen은 안과 유전자 치료 모델 개발 플랫폼 구축에 집중해 왔습니다. 우리는 사전 임상 안과 질환 연구를 위한 통합 솔루션을 제공하고자 하며, 안과 질환 모델 생성부터 AAV 주입, 그리고 in vitro 및 in vivo 약물 동태 평가에 이르기까지 종합적인 지원을 제공하고자 합니다.
Cyagen 녹아웃 카탈로그 모델
Cyagen 녹아웃 카탈로그 모델은 수천 개의 유전자 녹아웃(KO) 마우스 및 조건부 녹아웃(cKO) 마우스를 보유하고 있습니다. 우리는 준비된 Rho 녹아웃 마우스를 제공하거나, 맞춤형 모델을 개발해 드릴 수 있습니다. 다음 연구를 위한 연구 모델 전략을 개발하는 데 도움을 줄 전문가의 지원을 받고 싶으시면 문의해 주십시오.
참고문헌:
[1] RetNet. Available at: http://www.sph.uth.tmc.edu/Retnet. Accessed October 2015.
[2] Rivolta C, Sharon D, DeAngelis MM, Dryja TP. Retinitis pigmentosa and allied diseases: numerous diseases, genes, and inheritance patterns. Hum Mol Genet. 2002 May 15;11(10):1219-27. doi: 10.1093/hmg/11.10.1219. Erratum in: Hum Mol Genet. 2003 Mar 1;12(5):583-4. PMID: 12015282.
[3] Hims MM, Diager SP, Inglehearn CF. Retinitis pigmentosa: genes, proteins and prospects. Dev Ophthalmol. 2003;37:109-25. doi: 10.1159/000072042. PMID: 12876833.
[4] Haim M. x. 2002;(233):1-34. doi: 10.1046/j.1395-3907.2002.00001.x. PMID: 11921605.
[5] Wright AF, Chakarova CF, Abd El-Aziz MM, Bhattacharya SS. Photoreceptor degeneration: genetic and mechanistic dissection of a complex trait. Nat Rev Genet. 2010 Apr;11(4):273-84. doi: 10.1038/nrg2717. PMID: 20212494.
[6] Briscoe AD, Gaur C, Kumar S. The spectrum of human rhodopsin disease mutations through the lens of interspecific variation. Gene. 2004 May 12;332:107-18. doi: 10.1016/j.gene.2004.02.037. PMID: 15145060.
[7] HGDB-Cardiff. Available at: http://www.hgmd.org. Accessed October 2015.
[8] RDDC. Available at: https://rddc.tsinghua-gd.org/details/gene?gene=xnEBPG.
[9] GeneCards. Available at: https://www.genecards.org
[10] Xiaozhen Liu, Ruixuan Jia, Xiang Meng, Ying Li, Liping Yang,
Retinal degeneration in humanized mice expressing mutant rhodopsin under the control of the endogenous murine promoter, Experimental Eye Research, Volume 215, 2022, 108893, ISSN 0014-4835, https://doi.org/10.1016/j.exer.2021.108893.
