Cyagen의 FEVR 관련 유전자 돌연변이에 대한 Knockout(KO) 마우스 모델
가족성 침출성 유리망막증 (FEVR)은 비정상적인 망막 혈관 발달을 특징으로 하는 희귀한 유전성 망막 질환군으로, 외측 망막 혈관 형성의 불완전성과 이후 망막 저산소증을 초래합니다. FEVR에서 혈관이 없는 망막은 저산소 상태를 유발하고 유리체로 확장되는 새로운 혈관의 성장을 촉진하며, 이는 최종적으로 유리망막 인대, 망막 아래의 침출성 병변 및 맥락부 아래의 출혈, 망막 접힘, 인대성 망막 박리 및 맥락부 이동과 같은 후기 합병증을 초래합니다.
FEVR의 임상적 특징은 종종 비대칭성을 보이며, 동일한 가족 내에서 영향을 받은 구성원 간에 크게 다를 수 있습니다. 경미한 경우는 무증상일 수 있으나, 심한 경우는 심각한 시력 저하를 보일 수 있습니다. 현재 FEVR를 치료할 수 있는 특이적인 약물은 없으나, 레이저 치료 및 유리체 절제 수술과 같은 치료법은 증상을 완화하고 시력을 보존하는 데 도움이 될 수 있습니다 [1].
가족성 침출성 유리망막증 (FEVR): 유전자 변이 및 연구용 마우스 모델
혈관 발달은 다양한 신호 전달 경로에 의해 정교하게 조절되며, 그 중 Wnt 신호 전달 경로는 핵심 조절 시스템 중 하나입니다. Norrin/β-Catenin 신호 전달 경로는 Wnt 신호 전달 경로의 중요한 분지로, 눈과 귀의 혈관 발달에 핵심적인 역할을 합니다 [3]. 이 경로에서 주로 Norrin과 그 수용체(FZD4, LRP5, TSPAN12) 간의 복합체 형성에 의해 조절이 이루어지며, 이는 망막 혈관 형성의 촉진을 가능하게 합니다. 현재까지 최소 9개의 유전자가 가족성 침출성 유리망막증 (FEVR)을 유발하는 것으로 알려져 있으며, 이는 NDP, FZD4, LRP5, TSPAN12, ZNF408, KIF11, RCBTB1, CTNNB1, 그리고 JAG1을 포함합니다. 이 유전자들의 변이는 전 세계 FEVR 환자의 약 50%를 차지하며, Wnt 신호 전달 경로의 정상적인 조절을 방해하여 망막 혈관 발달 이상과 망막 저산소증 등의 증상을 유발합니다 [4].
1. Norrin (NDP)
NDP 유전자는 Norrin 단백질을 인코딩하며, 이는 망막 혈관의 성장과 발달과 관련이 있습니다. Norrin 단백질은 FZD4 단백질과 결합하여 고친화성 리간드-수용체 쌍을 형성합니다. TSPAN12라는 보조 성분과 함께, β-Catenin의 핵 내 유입을 촉진하고 FZD4 및 LRP5에 의존하는 전통적인 Wnt 경로의 활성화를 유도합니다. Wnt 신호 전달 경로는 눈의 성장과 발달에 중요한 역할을 하며, 이 경로의 결함은 이 과정에 영향을 미치고 FEVR 및 Norrie 질환의 병인에 중요한 역할을 합니다 [5].
따라서 NDP 유전자의 변이는 Norrin 단백질의 기능에 영향을 미치고, 이로 인해 Wnt 신호 전달 경로에 이상이 생기며 FEVR의 발생으로 이어질 수 있습니다. 마우스 모델에서는 Ndp 유전자의 녹아웃(KO)이 얕은 망막 혈관 발달 지연, 깊은 망막 혈관 형성 불가 및 미세동맥류와 유사한 병변의 형성을 초래하며, 이는 전형적인 망막 혈관 결함 표현형을 반영합니다 [6].
2. Frizzled-4 (FZD4)
Wnt 신호 전달 경로의 수용체로서, FZD4는 Wnt 단백질과의 상호작용을 통해 Norrin을 매개로 하여 이 경로를 활성화함으로써 정상적인 망막 혈관 발달을 촉진합니다. FZD4 유전자의 변이는 Wnt 단백질과의 정상적인 결합을 방해하여 Wnt 신호 전달 경로의 억제를 초래합니다. 이러한 이상은 정맥 동맥류 형성과 망막 저산소증 증상을 유발할 수 있습니다. 또한 FZD4 유전자의 변이는 TGF-β 및 Notch 경로와 같은 다른 신호 전달 경로의 조절에도 영향을 미칠 수 있으며, 이는 망막 혈관 발달과 유지에 영향을 미칩니다. 이러한 두 가지 메커니즘이 함께 작용하여 FEVR의 발생 또는 악화에 기여할 수 있습니다 [7].
Ndp 녹아웃(KO) 마우스에서 관찰된 표현형과 유사하게, 동형접합 Fzd4 KO 마우스(-/-)는 망막 및 내이의 혈관 발달에 심각한 영향을 받으며 망막 스트레스 표현형을 보입니다. Fzd4의 결핍은 망막 표면 내피세포의 이동 지연, 망막의 2차 및 3차 혈관 분지 소실, 유리체 혈관계의 프로그래밍된 분해 지연, 고막 혈관의 점진적 확장 및 분해, 뇌줄기 혈관의 점진적 손상 등의 다양한 표현형을 초래합니다. 연구에 따르면 Fzd4 결핍은 혈관 외 표현형, 예를 들어 뇌 퇴행 및 청각 장애도 유발할 수 있습니다 [8].
3. 테트라스팬-12 (TSPAN12)
TSPAN12 유전자가 인코딩하는 전이막 단백질인 테트라스팬-12는 Wnt 신호 전달 경로의 중요한 구성 요소입니다. TSPAN12는 FZD4와 상호작용하며 Wnt 신호 전달 경로의 조절에 관여하여 정상적인 망막 혈관 발달을 촉진합니다. TSPAN12 유전자의 변이는 FZD4 유전자의 변이와 유사한 표현형을 유발하며, 모두 정맥 동맥류 형성과 망막 저산소증 증상을 초래합니다. 이러한 변이는 VEGF 및 Notch와 같은 신호 전달 경로에 영향을 미쳐 망막 혈관 발달과 유지에 이상을 초래합니다 [9].
비슷하게, Tspan12 유전자 녹아웃 마우스는 Fzd4 녹아웃 마우스와 유사한 표현형을 보이며, 정맥 동맥류 형성, 비정상적인 망막 혈관 분지 및 혈관 회귀가 포함됩니다. 또한 Tspan12 결핍은 마우스에서 시각 장애, 망막 저산소증, 심장 기형, 간 이상, 골격 변형과 같은 다른 기관 및 조직의 발달 이상을 유발할 수 있습니다 [10].
4. 저밀도 지질단백질 수용체 관련 단백질 5 (LRP5)
LRP5 유전자는 Wnt 신호 전달 경로에 관여하는 LRP5/LRP6/Frizzled 공수용체 그룹의 핵심 구성 요소인 전이막 단백질(저밀도 지질단백질 수용체 관련 단백질 5)을 인코딩합니다. LRP5는 Wnt 단백질과 결합함으로써 Norrin/β-Catenin 신호 전달 경로를 활성화하여 망막 혈관 형성 조절에 관여합니다. LRP5 유전자의 기능 상실 변이는 Wnt 단백질과의 결합을 방해하여 Wnt 신호 전달 경로 이상을 유발하고, 정맥 동맥류 형성과 망막 저산소증 증상이 포함된 비정상적인 망막 혈관 발달을 초래하며 결국 FEVR을 유발합니다. 또한 LRP5는 골밀도 및 콜레스테롤 대사 조절에도 관여합니다. LRP5 유전자의 기능 상실 변이는 골다공증-가짜유리체증후군(OPPG)을 유발할 수 있습니다. 반대로 LRP5 유전자의 기능 증가 변이는 골밀도의 비정상적인 증가를 초래할 수 있습니다 [11]. 따라서 LRP5 유전자 녹아웃(KO) 마우스는 망막 질환 표현형인 망막 혈관 이상 및 망막 발달 저하 외에도 골격 표현형(골격 변형 및 낮은 골밀도), 심혈관계 표현형(콜레스테롤 대사 이상 및 고콜레스테롤혈증)을 나타냅니다 [12-14]. Ndp 및 Fzd4 유전자 KO 마우스와 비교하여 Lrp5-KO 마우스는 망막 병변이 덜 심하고, 골격 변형 및 대사 이상과 같은 비망막 혈관 표현형을 보입니다.
5. β-catenin (CTNNB1)
CTNNB1 유전자는 β-catenin 단백질을 인코딩하며, 이는 세포질 부착 단백질로, 카드헤린과 α-catenin과 함께 접합 복합체를 형성합니다. 이러한 복합체는 세포 성장과 부착을 조절하며 상피세포층의 형성과 유지에 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 CTNNB1 유전자의 손실은 CTNNB1 증후군이라는 심각한 신경발달 장애를 유발합니다. 최근 연구에서는 CTNNB1 유전자의 일부 기능 상실 변이가 신경발달 장애와 함께 시각 이상을 동반하는 질환, 예를 들어 NEDSDV(스파스틱 이형마비 및 시각 이상을 동반한 신경발달 장애) 및 가족성 침출성 유리망막증 (FEVR)과 관련이 있음을 발견했습니다 [15-16].
마우스 연구에 따르면, Ctnnb1 유전자의 전신적(동형접합) 녹아웃(KO)은 배아 사망, 비정상적인 배아 발달, 신경관 결함, 간 발달 이상, 신장 발달 이상 및 심각한 심장 발달 표현형을 초래하지만, 망막 표현형에 대한 보고는 제한적입니다. 최근 연구에서는 내피세포 특이적 Ctnnb1 녹아웃이 Norrin/β-catenin 경로의 활성 감소를 유도하여 망막 혈관 발달에 영향을 미친다는 것이 밝혀졌습니다. 이 마우스 모델에서는 망막 혈관 발달이 억제되어 FEVR 유사 표현형을 보입니다 [17]. 또한 α-catenin을 인코딩하는 Ctnna1 유전자의 내피세포 특이적 삭제도 Ctnnb1 결핍 마우스와 유사한 FEVR 유사 표현형을 보이며, 조직 특이적 모델을 통해 이 유전적 질환을 연구할 수 있는 또 다른 길을 제시합니다 [18].
6. 키네신 가족 멤버 11 (KIF11)
KIF11은 Norrin/β-Catenin 신호 전달 경로와 무관한 FEVR의 또 다른 중요한 원인 유전자입니다. 이 유전자는 세포 분열 및 미세소관 역학과 관련된 다양한 생물학적 과정에 관여하는 모터 단백질(키네신 가족 멤버 11)을 인코딩합니다. KIF11은 망막 조상세포에서도 중요한 요소로, 미세소관 역학을 조절하고 망막 혈관의 성장과 분지에 관여합니다. 인간에서는 KIF11의 비활성화 변이는 다양한 조합의 망막 혈관 저발달(미소두증 포함 또는 미소두증 없이), 림프부종, 망막 채색 이상, 미소두증 및/또는 지적 장애를 특징으로 하는 다기관 증후군과 관련이 있습니다. 일부 FEVR 환자에서 KIF11 변이가 망막 혈관의 발달과 안정성에 영향을 미칠 수 있으나, 정확한 메커니즘은 아직 알려져 있지 않습니다. 따라서 Kif11 유전자 녹아웃 마우스 모델은 KIF11 변이와 FEVR 간의 관계를 조사하는 데 사용되었습니다.
최근 연구에 따르면, 내피세포 특이적 Kif11 녹아웃(KO)은 마우스 망막 혈관계의 심각한 발달 지연과 소뇌 혈관계의 경미한 발달 지연을 유도합니다 [19]. 내피세포 특이적 Kif11-cKO(조건부 KO) 마우스의 표현형은 내피세포 특이적 Ctnnb1-cKO 마우스와 매우 유사하며, KIF11 결핍과 FEVR 간의 밀접한 연결을 더욱 뒷받침합니다.
Cyagen 희귀질환 연구 자원 - 유전자 편집 마우스 모델
유전자 편집 마우스 모델은 희귀질환의 병인 연구 및 약물 효능 평가에 있어 핵심적인 역할을 합니다. Cyagen은 수천 가지 독자적으로 개발된 유전자 편집 마우스 품종을 제공하며, 희귀질환을 위한 다양한 유전자 녹아웃(KO) 및 조건부(예: 조직 특이적) KO 모델을 포함합니다. 예를 들어 NDP, FZD4 및 LRP5 유전자에 대한 모델이 있습니다. 또한 맞춤형 모델 개발 및 CRO 서비스를 통해 귀하의 연구 요구에 맞게 조정 가능하여 연구 프로젝트를 신속히 진행할 수 있도록 지원합니다.
| 질환 | 표적 유전자 | 유형 |
|---|---|---|
| 가족성 침출성 유리망막증 (FEVR) |
Ndp | KO, CKO |
| Fzd4 | KO, CKO | |
| Lrp5 | KO, CKO | |
| Tspan12 | KO, CKO | |
| Ctnna1 | CKO | |
| Ctnnb1 | KO, CKO | |
| Kif11 | KO, CKO |
참고문헌
[1]“가족성 침출성 유리망막증 (FEVR).” EyeWiki. 미국 안과학회, 2023년 7월 6일. https://eyewiki.aao.org/Familial_Exudative_Vitreoretinopathy_(FEVR).
[2]Ranchod TM, Ho LY, Drenser KA, Capone A Jr, Trese MT. 가족성 침출성 유리망막증의 임상적 특징. Ophthalmology. 2011년 10월;118(10):2070-5.
[3]Xiao H, Tong Y, Zhu Y, Peng M. 가족성 침출성 유리망막증 관련 질환 유전자 및 Norrin/β-Catenin 신호 경로: 구조, 기능 및 변이 스펙트럼. J Ophthalmol. 2019년 11월 16일;2019:5782536.
[4]Wang X, Chen J, Xiong H, Yu X. 가족성 침출성 유리망막증에서의 유전자형-표현형 연관성: 3,200명 이상을 대상으로 한 체계적 문헌고찰 및 메타분석. PLoS One. 2022년 7월 13일;17(7):e0271326.
[5]Jia LY, Ma K. 중국 환자에서 가족성 침출성 유리망막증과 관련된 새로운 Norrie 질환 유전자 변이. BMC Ophthalmol. 2021년 2월 15일;21(1):84.
[6]Luhmann UF, Lin J, Acar N, Lammel S, Feil S, Grimm C, Seeliger MW, Hammes HP, Berger W. Norrie 질환 페시오글리오마 유전자의 망막 혈관 발달 중 분지 혈관 형성에 대한 역할. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2005년 9월;46(9):3372-82.
[7]Huang L, Lu J, Zhang L, Zhang Z, Sun L, Li S, Zhang T, Chen L, Cao L, Ding X. FZD4의 전체 유전자 삭제는 가족성 침출성 유리망막증을 유발한다. Genes (Basel). 2021년 6월 27일;12(7):980.
[8]Xu Q, Wang Y, Dabdoub A, Smallwood PM, Williams J, Woods C, Kelley MW, Jiang L, Tasman W, Zhang K, Nathans J. 망막 및 내이의 혈관 발달: Norrin과 Frizzled-4의 고친화성 리간드-수용체 쌍에 의해 조절됨. Cell. 2004년 3월 19일;116(6):883-95.
[9]Lai MB, Zhang C, Shi J, Johnson V, Khandan L, McVey J, Klymkowsky MW, Chen Z, Junge HJ. TSPAN12은 Norrin 공수용체로서 Frizzled4 리간드 선택성과 신호 전달을 증폭시킨다. Cell Rep. 2017년 6월 27일;19(13):2809-2822.
[10]Junge HJ, Yang S, Burton JB, Paes K, Shu X, French DM, Costa M, Rice DS, Ye W. TSPAN12은 Norrin에 의해 유도되는 FZD4/β-catenin 신호 전달을 촉진하지만 Wnt에 의해 유도되는 신호 전달은 촉진하지 않는다. Cell. 2009년 10월 16일;139(2):299-311.
[11]Norwitz NG, Mota AS, Misra M, Ackerman KE. LRP5, 골밀도 및 기계적 스트레스: 사례 보고 및 문헌 리뷰. Front Endocrinol (Lausanne). 2019년 3월 26일;10:184.
[12]Gong Y, Slee RB, Fukai N, Rawadi G, Roman-Roman S, Reginato AM, Wang H, Cundy T, Glorieux FH, Lev D, Zacharin M, Oexle K, Marcelino J, Suwairi W, Heeger S, Sabatakos G, Apte S, Adkins WN, Allgrove J, Arslan-Kirchner M, Batch JA, Beighton P, Black GC, Boles RG, Boon LM, Borrone C, Brunner HG, Carle GF, Dallapiccola B, De Paepe A, Floege B, Halfhide ML, Hall B, Hennekam RC, Hirose T, Jans A, Jüppner H, Kim CA, Keppler-Noreuil K, Kohlschuetter A, LaCombe D, Lambert M, Lemyre E, Letteboer T, Peltonen L, Ramesar RS, Romanengo M, Somer H, Steichen-Gersdorf E, Steinmann B, Sullivan B, Superti-Furga A, Swoboda W, van den Boogaard MJ, Van Hul W, Vikkula M, Votruba M, Zabel B, Garcia T, Baron R, Olsen BR, Warman ML; 골다공증-가짜유리체증후군 협력 그룹. LDL 수용체 관련 단백질 5(LRP5)는 골량 축적 및 눈 발달에 영향을 미친다. Cell. 2001년 11월 16일;107(4):513-23.
[13]Kato M, Patel MS, Levasseur R, Lobov I, Chang BH, Glass DA 2nd, Hartmann C, Li L, Hwang TH, Brayton CF, Lang RA, Karsenty G, Chan L. Cbfa1-독립적 골세포 증식 감소, 골다공증 및 지속적인 배아기 눈 혈관화는 Lrp5 결핍 마우스에서 관찰됨. J Cell Biol. 2002년 4월 15일;157(2):303-14.
[14]Kim SP, Frey JL, Li Z, Goh BC, Riddle RC. 골세포에서 Lrp5 신호 전달 결핍은 남성 마우스의 식이 유도 glucose 대사 이상에 민감하게 만든다. Endocrinology. 2017년 11월 1일;158(11):3805-3816.
[15]Li N, Xu Y, Li G, Yu T, Yao RE, Wang X, Wang J. 외세포 염기서열 분석을 통해 주로 망막 박리, 수정체 및 유리체 혼탁, 미소두증 및 발달 지연을 보인 환자에서 CTNNB1 유전자 de novo 변이를 식별함: 사례 보고 및 문헌 리뷰. Medicine (Baltimore). 2017년 5월;96(20):e6914.
[16]Panagiotou ES, Sanjurjo Soriano C, Poulter JA, Lord EC, Dzulova D, Kondo H, Hiyoshi A, Chung BH, Chu YW, Lai CHY, Tafoya ME, Karjosukarso D, Collin RWJ, Topping J, Downey LM, Ali M, Inglehearn CF, Toomes C. 세포 신호 매개체 β-Catenin 결함은 FEVR라는 망막 혈관 질환을 유발한다. Am J Hum Genet. 2017년 6월 1일;100(6):960-968.
[17]He Y, Yang M, Zhao R, Peng L, Dai E, Huang L, Zhao P, Li S, Yang Z. CTNNB1에서의 새로운 절단 변이가 가족성 침출성 유리망막증을 유발한다. J Med Genet. 2023년 2월;60(2):174-182.
[18]L, Huang Y, Fei P, Yang Y, Zhang S, Xu H, Yuan Y, Zhang X, Zhu X, Ma S, Hao F, Sundaresan P, Zhu W, Yang Z. Catenin α 1 변이가 Norrin/β-catenin 신호 전달을 과도하게 활성화시켜 가족성 침출성 유리망막증을 유발한다. J Clin Invest. 2021년 3월 15일;131(6):e139869.
[19]Wang Y, Smallwood PM, Williams J, Nathans J. 키네신 가족 멤버 11(Kif11) 관련 가족성 침출성 유리망막증을 위한 마우스 모델. Hum Mol Genet. 2020년 5월 8일;29(7):1121-1131.
