안과 질환의 유전적 요인: 망막색소변성증(RP)과 RHO 유전자

유전자는 안질환의 발병 기전에서 중요한 역할을 하며, 일부 안질환은 소아와 성인에게 매우 높은 유병률을 보입니다. 소아 실명 사례의 60% 이상이 선천 녹내장, 안구 기형, 시신경 위축, 망막 색소 변성 등 유전적 요인에 의해 발생합니다. 성인의 경우에도 유전적 요인은 녹내장, 황반 변성 등 심각한 안질환과 관련될 수 있습니다.

지난 15년간 설치류 모델 개발 경험을 바탕으로 Cyagen은 인간 안질환과 흔히 관련되는 유전자 변이에 대한 다수의 마우스 모델을 개발했습니다. 예를 들어 망막 색소 변성 연구를 위해 Rho 녹아웃(KO) 마우스를 개발했습니다. 또한 Cyagen은 유전성 안질환 연구를 포함하여 질병 연구에 점점 더 유용하게 활용되는 인간화 마우스 모델을 지속적으로 개발하고 있습니다. 이하에서는 안질환 및 안과 연구에 가장 관련성이 높은 인간화 마우스 모델 몇 가지를 소개하겠습니다.

망막 색소 변성(RP)이란?

망막 색소 변성(RP)은 임상적·유전적으로 이질적인 실명을 유발하는 망막 질환으로, 유전성 망막 변성의 큰 그룹에 속하며 현재까지 54개의 망막 유전자에서 돌연변이가 발견되었습니다^[1]. RP는 간상 세포 광수용체 손상으로 인한 진행성 야맹증으로 시작되어 점진적인 주변 시야 상실을 동반하며, 이후 원추 세포 광수용체 변성으로 완전한 실명에 이르게 됩니다.

그림 1. 망막 색소 변성이란? (출처: Fleetwood Family Eye Care)

전 세계적으로 망막 색소 변성의 유병률은 3,500명당 1명이며, 상염색체 우성(adRP), 상염색체 열성(arRP), X연관(XlRP) 또는 이유전자 형질로 유전될 수 있습니다^[2]. 현재까지 adRP를 유발하는 것으로 최소 20개의 유전자가 확인되었으며, 이들 단백질 산물은 외절 디스크 형성, 광전달 및 레티노이드 주기, 유전자 발현, 전사, mRNA 처리 등 망막 광수용체 구조와 대사의 다양한 핵심 측면과 관련이 있습니다^[3].

표 1. 망막 색소 변성(RP)의 매핑 및 확인된 유전자^[1]
(출처: 망막 정보 네트워크 RetNet)

Haim 등의 연구에 따르면 adRP 형태는 모든 비정형 RP 사례의 8.4%, arRP는 19%, X연관은 14.3%의 유병률을 보입니다^{[4] [5]}. adRP를 유발하는 가장 흔한 단일 유전자는 로돕신(RHO; MIM# 180380)으로, 전체 사례의 8~10%를 차지하며 현재까지 130개 이상의 돌연변이가 확인되었습니다^{[6] [7]}.

표 2. 망막 색소 변성(RP)의 유전 그룹 분포^[4]

RHO 유전자 개요

RHO(Rhodopsin)은 단백질 코딩 유전자입니다. RHO 유전자가 암호화하는 로돕신 단백질은 눈 뒤쪽의 간상 세포에 존재하며, 저조도 환경에서의 시각에 필수적입니다. 망막(눈 뒤쪽의 광민감 조직)의 일부인 간상 세포는 저조도에서의 시각을 담당하며, 망막에 존재하는 다른 광수용체 세포인 원추 세포는 밝은 빛에서의 시각을 담당합니다. 로돕신 단백질(RHO)은 비타민 A의 한 형태인 11-시스 레티날 분자와 결합되어 있습니다. 빛이 이 11-시스 레티날 분자에 닿으면 로돕신이 활성화되고 일련의 화학 반응이 시작되어 전기 신호가 생성됩니다. 이 신호는 뇌로 전달되어 시각으로 해석됩니다.

그림 2. RHO 유전자 정보 및 서열 상동성 정렬^[8]
출처: 희귀질환 데이터 센터(RDDC)

상염색체 우성 망막 색소 변성(ADRP)과 RHO 유전자

망막 색소 변성(RP) 환자에서 RHO 유전자의 150개 이상의 돌연변이가 확인되었습니다. RHO 유전자 돌연변이는 상염색체 우성 RP 전체 사례의 20~30%를 차지하며, 이는 해당 질환의 가장 흔한 형태로 알려져 있습니다. 드물게 RHO 유전자 돌연변이가 상염색체 열성 RP와 관련되기도 하지만, 이러한 형태의 질환은 대개 다른 유전자의 돌연변이로 인해 발생합니다.

망막 색소 변성(RP)의 원인이 되는 대부분의 RHO 유전자 돌연변이는 로돕신 단백질의 접힘 또는 수송을 변화시킵니다. 일부 돌연변이는 로돕신이 빛에 반응하여 활성화되는 대신 구성적으로 활성화되도록 만듭니다. 연구에 따르면 변형된 로돕신은 필수적인 세포 기능을 방해하여 간상 세포가 자가 파괴(세포자멸사)되도록 유발합니다. 간상 세포는 저조도 환경에서의 시각에 필수적이므로, 이러한 세포의 손실은 RP 환자의 진행성 야맹증을 유발합니다.

망막 색소 변성은 또한 정상적으로 밝은 빛에서의 시각을 제공하는 원추 세포의 점진적인 손실과도 관련이 있습니다. 원추 세포의 사멸은 터널 시야를 유발하고 결국 많은 환자에서 실명에 이르게 합니다. RHO 유전자의 돌연변이가 원추 세포의 기능과 생존에 어떻게 영향을 미치는지는 아직 명확하지 않습니다^[9].

RHO 유전자 인간화 마우스 모델

ADRP를 유발하는 RHO 돌연변이는 100개 이상이며, 북미에서 가장 유행하는 RHO 돌연변이는 P23H(프롤린-23이 히스티딘으로 치환)입니다. 이는 최초로 확인된 RP 돌연변이이며, 시험관 내와 동물 모델에서 광범위하게 연구되었습니다. 최근 T17M, P23H 등 일부 RHO 인간화 마우스 모델 균주가 개발되었으며, 이를 통해 인간에게 위험을 가하지 않고 생체 내 시스템에서 표적 유전자 편집의 치료 효과에 대한 전임상 시험을 수행할 수 있습니다. 알려진 RHO 돌연변이 수에 비해 이용 가능한 인간화 마우스 모델은 적으며, 각 돌연변이에 대한 인간화 마우스를 구축하는 것은 시간과 비용이 많이 소요됩니다.

Xiaozhen Liu 등의 연구에서는 상동성 지시 수선 전략과 표적 유전자 편집을 결합하여, 시작 코돈 이후 마우스 엑손1(mE1)부터 정지 코돈 이전 mE5까지를 대체하고 모든 인트론을 인간 상동 서열로 대체한 인간 RHO 게놈 단편을 도입했습니다. 인간 로돕신은 생체 내에서 내인성 마우스 프로모터의 제어 하에 전사 및 번역 수준에서 발현될 수 있었습니다. 인간화 마우스 계통에서 돌연변이가 없는 인간 로돕신은 형태학적 및 기능적으로 마우스 로돕신을 대체할 수 있었습니다. 그러나 돌연변이 인간화(Mut-Rho^wt/hum 및 Mut-Rho^hum/hum) 마우스 계통에서 T17M, G51D, G114R, R135W, P171R 돌연변이를 동시에 포함하는 인간 로돕신은 망막 변성을 유발했습니다^[10].

그림 3. RHO 인간화 마우스 생성 전략^[10]

Mut-Rho^hum/hum 마우스는 간상 세포 외절 형성 결함으로 인한 심각한 망막 변성을 겪었으며, 3개월에 측정 불가능한 망막전위도(ERG) 결과를 보였습니다. Mut-Rho^wt/hum 마우스는 광수용체 손실 속도가 더 느렸습니다. 7개월령 Mut-Rho^wt/hum 마우스에서는 연령이 일치하는 WT 마우스와 비교하여 암순응 ERG 반응이 통계적으로 유의하게 감소한 것을 확인할 수 있었으나, 3개월부터 외절 단축과 외핵층 두께 감소가 관찰될 수 있었습니다. 7개월에서 9개월 사이에는 암순응 ERG 반응이 현저하게 비정상적으로 나타났으며, 9개월령 Mut-Rho^wt/hum 마우스에서는 광수용체 손실도 명확했습니다. 12개월령 Mut-Rho^wt/hum 마우스에서는 암순응 및 명순응 ERG 반응이 통계적으로 유의하게 감소하고 망막 전체에 걸쳐 망막 변성이 관찰되었습니다.

설명된 돌연변이 인간화 이형접합체 전략은 시간과 비용을 절감하는 방식으로 전임상 연구에서 이 5가지 돌연변이에 대한 표적 유전자 편집을 통한 유전자 교정 치료법을 탐색할 수 있는 기회를 제공합니다.

Cyagen의 연구 지원 솔루션

지난 1년간 Cyagen은 안과 유전자 치료 모델 개발 플랫폼 구축에 집중했습니다. 우리는 안질환 모델 생성부터 AAV 주입, 시험관 내 및 생체 내 약력학 평가까지 전임상 안질환 연구를 위한 원스톱 솔루션을 제공하는 것을 목표로 합니다.

Cyagen 녹아웃 카탈로그 모델

Cyagen 녹아웃 카탈로그 모델은 수천 개의 유전자 녹아웃(KO) 마우스와 조건부 녹아웃(cKO) 마우스를 제공합니다. 즉시 사용 가능한 Rho 녹아웃(KO) 마우스를 제공하거나 맞춤형 모델을 생성할 수 있습니다. 문의하기를 통해 당사 전문가가 귀하의 다음 연구를 위해 개발할 수 있는 연구 모델 전략을 확인해 보십시오.

참고 문헌

[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.