소뇌성 공격증 유형 3(Spinocerebellar Ataxia Type III, SCA3) 연구 모델—B6-hATXN3 마우스
척수소뇌공격성질환
척수소뇌공격성질환(Spinocerebellar Ataxia, SCA)은 자가우성 유전 방식으로 전파되는 뇌 질환군으로, 점진적이고 퇴행적인 특징을 보입니다. 이 질환은 주로 소뇌가 신체 운동 조절을 담당하는 기능에 영향을 미치며, 때로는 척수에도 영향을 줄 수 있습니다. 현재까지 40개 이상의 하위 유형이 확인되었으며, 각각 특정한 병인 유전자와 연관되어 있습니다.[1] SCA의 주요 증상은 보행 조절 능력의 점진적 저하로, 손의 조정 문제와 말하기 및 눈 움직임의 이상이 동반되는 경우가 많습니다. 특정 증상은 유형에 따라 다르며, 환자 간 개별 차이에 따라 달라집니다. 많은 경우 환자의 인지 능력은 유지되지만, 점진적으로 운동 조절 능력이 상실되어 이동 능력 상실 및 심지어 사망에 이를 수 있습니다.
그림 1: 척수소뇌공격성질환(SCA)의 전 세계 주요 분포 [1]
척수소뇌공격성질환(SCA)의 병태생리
척수소뇌공격성질환(SCA)은 주로 유전자 내 시토신-아데닌-구아닌(CAG) 삼염기 반복의 확장에 의해 유발되며, 폴리글루타민(polyQ) 질환군의 특징을 보입니다. SCA1, SCA2, SCA3 등 대부분의 SCA 사례가 이 범주에 속합니다. 이러한 질환의 기전은 병인적 폴리글루타민 반복 서열의 길이 증가로 인해 번역 과정에서 비정상적인 폴리Q 서열이 생성되며, 이로 인해 단백질이 잘못 접히게 됩니다. 잘못 접힌 폴리Q 단백질은 응집체를 형성하여 세포 내 과정을 방해하고 세포 기능 장애를 초래하며, 결국 세포 독성과 퇴행을 유도합니다. 다른 유전자 변이, 예를 들어 점 돌연변이, 삭제 또는 삽입은 비교적 드물게 발생합니다. 척수소뇌공격성질환 유형 3(SCA3), 즉 마차도-조셉병(Machado-Joseph Disease, MJD)은 전 세계적으로 가장 흔하고 심각한 SCA 하위 유형으로, 전체 SCA 사례의 약 20%에서 50%까지 차지하지만, 치료법은 아직 발견되지 않았습니다.[2]
그림 2: 정상적인 CAG 삼염기 반복의 기능과 비정상적인 CAG 삼염기 반복 확장이 SCA 질환 발생에 미치는 메커니즘 [2]
SCA3의 병기전 기전 및 표적 치료 연구
인간 신체 내 ATXN3 유전자의 CAG 반복 수는 일반적으로 10에서 44 사이입니다. 그러나 SCA3 환자에서는 이 범위가 61에서 87로 확장됩니다. 이 과도한 CAG 반복은 돌연변이된 ATXN3 유전자가 비정상적인 아타신-3 단백질을 생성하게 하며, 이는 정상적인 기능을 수행하지 못하게 됩니다. 특히 아타신-3 단백질은 유비퀴틴-프로테아좀 시스템(Ubiquitin-Proteasome System)이라는 과정에 관여하여 과잉 또는 손상된 단백질을 파괴하는 역할을 합니다. 비정상적인 아타신-3 단백질이 응집되면서 독성 물질이 축적되기 시작하여, 자가포식, 단백질 균형 유지, 전사, 미토콘드리아 기능, 신호 전달 등 다양한 세포 과정이 방해되며, 이는 기능 장애를 초래하고 질환 발생을 나타냅니다. 환자에서 나타나는 증상으로는 소뇌 공격성질환, 안구외전근 마비, 자발적 안진(Gaze-Evoked Nystagmus, GEN), 눈꺼풀 후퇴, 삼킴 장애, 얼굴 및 혀 근육의 경련, 그리고 다양한 정도의 피라미드계 및 비피라미드계 증상, 외주신경병증이 포함됩니다.[3]
그림 3: ATXN3 유전자의 CAG 반복 수 변화가 아타신-3 단백질 기능에 미치는 영향 [3]
현재 전임상 연구 환경에서는 다음과 같은 접근법을 통해 일부 치료 효과가 입증되었습니다: ATXN3 유전자의 발현 억제, 병인적 ATXN3 단백질의 억제, 단백질 응집 방지, 독성 단백질 분해 억제, 그리고 손상된 세포 시스템의 기능 회복.[3] 그러나 SCA3 치료제 중 임상 평가 단계에 진입한 사례는 매우 제한적입니다. 이는 추가적인 연구 및 모델링 도구가 필요함을 시사합니다. 치료 접근법에 따라 각 치료제는 임상 시험에 진입하기 전에 다양한 종류의 동물 모델을 통해 엄격히 평가되어야 합니다. 예를 들어, 작은 핵산 약물 전문 기업인 Ionis Pharmaceuticals는 인간 ATXN3 유전자를 발현하는 다양한 마우스 모델을 활용하여 ATXN3 표적 항의사 올리고뉴클레오티드(ASO) 치료제 개발을 위한 표적 분자 스크리닝 및 약리학적 검증을 수행했습니다.[4-7]
그림 4: ATXN3 mRNA 또는 ATXN3 단백질을 표적으로 삼는 전략 및 기타 SCA3 치료 접근법 [3]
Cyagen은 인간화된 Atxn3 유전자를 갖춘 인간화된 B6-hATXN3 마우스 모델을 성공적으로 개발하였습니다(제품 번호: C001398). 이 모델은 타겟 유전자 편집, 항의사 올리고뉴클레오티드(ASO), 소형 간섭 RNA(siRNA), 미세RNA(miRNA)와 같은 새로운 치료법 연구를 위한 핫스팟 병인 돌연변이를 추가하여 맞춤형으로 개조할 수 있습니다. 아래는 이 모델의 상세 사양입니다.
B6-hATXN3 마우스는 인간 ATXN3 유전자를 성공적으로 발현
일반적인 B6-TG(ATXN3-84Q) 마우스는 인간 ATXN3 유전자와 쥐 Atxn3 유전자를 모두 발현합니다. RT-qPCR 결과에 따르면, B6-hATXN3 마우스에서 인간 ATXN3 유전자의 발현 수준은 B6-TG(ATXN3-84Q) 마우스와 유사합니다. 또한 B6-hATXN3 마우스는 인간 유전자만을 발현하며, 쥐 유전자는 발현하지 않습니다.
그림 5: 생체형 마우스(B6N), B6-hATXN3 마우스, B6-TG(ATXN3-84Q) 마우스에서 유전자 발현 검출
B6-hATXN3 마우스는 뇌에서 인간 ATXN3 단백질을 성공적으로 발현
웨스턴 블롯(Western Blot) 결과에 따르면, 생체형 마우스의 뇌에서는 쥐 ATXN3 단백질(약 42 kDa)만이 발현되는 반면, B6-hATXN3 마우스의 뇌에서는 인간 ATXN3 단백질(약 48 kDa)만이 발현됩니다. B6-TG(ATXN3-84Q) 마우스 모델의 뇌에서는 길어진 폴리Q 구조 돌연변이를 가진 인간 ATXN3-84Q 단백질(약 65 kDa)과 쥐 ATXN3 단백질(약 42 kDa)이 모두 발현되어 두 개의 밴드가 나타납니다.
그림 6: 마우스 뇌 조직에서 인간 ATXN3 단백질 발현에 대한 웨스턴 블롯(WB) 검출
결론
B6-hATXN3 마우스 모델(제품 번호: C001398)은 인간 ATXN3 유전자를 효과적으로 발현하며, 쥐 내재적 Atxn3 유전자는 발현하지 않습니다. 뇌에서 인간 ATXN3 단백질의 발현이 상당히 높습니다. 인간 ATXN3 유전자와 쥐 Atxn3 유전자를 모두 발현하는 일반적인 B6-TG(ATXN3-84Q) 마우스 모델은 연구 발견에서 효과적인 전임상 및 임상 결과로의 전환에 어려움을 초래할 수 있습니다. 따라서 B6-hATXN3 마우스 모델은 척수소뇌공격성질환 유형 3(SCA3)의 연구 및 잠재적 치료제 발견에 활용될 수 있습니다.
또한 Cyagen은 자체 개발한 TurboKnockout 융합 BAC 재조합 기술을 활용하여, 이 생체형 인간화 모델을 기반으로 환자 특이적 또는 핫스팟 돌연변이를 반영한 점 돌연변이 질환 모델을 제공하며, SCA3 질환 연구자들이 약물 스크리닝 및 약리학적 효과 실험을 위해 맞춤형 서비스를 제공합니다.
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참고문헌:
[1] Klockgether T, Mariotti C, Paulson HL. Spinocerebellar ataxia. Nat Rev Dis Primers. 2019 Apr 11;5(1):24.
[2] Sullivan R, Yau WY, O'Connor E, Houlden H. Spinocerebellar ataxia: an update. J Neurol. 2019 Feb;266(2):533-544. doi: 10.1007/s00415-018-9076-4. Epub 2018 Oct 3.
[3] Matos CA, de Almeida LP, Nóbrega C. Machado-Joseph disease/spinocerebellar ataxia type 3: lessons from disease pathogenesis and clues into therapy. J Neurochem. 2019 Jan;148(1):8-28.
[4] Moore LR, Rajpal G, Dillingham IT, Qutob M, Blumenstein KG, Gattis D, Hung G, Kordasiewicz HB, Paulson HL, McLoughlin HS. Evaluation of Antisense Oligonucleotides Targeting ATXN3 in SCA3 Mouse Models. Mol Ther Nucleic Acids. 2017 Jun 16;7:200-210.
[5] Toonen LJA, Rigo F, van Attikum H, van Roon-Mom WMC. Antisense Oligonucleotide-Mediated Removal of the Polyglutamine Repeat in Spinocerebellar Ataxia Type 3 Mice. Mol Ther Nucleic Acids. 2017 Sep 15;8:232-242.
[6] McLoughlin HS, Moore LR, Chopra R, Komlo R, McKenzie M, Blumenstein KG, Zhao H, Kordasiewicz HB, Shakkottai VG, Paulson HL. Oligonucleotide therapy mitigates disease in spinocerebellar ataxia type 3 mice. Ann Neurol. 2018 Jul;84(1):64-77.
[7] McLoughlin HS, Gundry K, Rainwater O, Schuster KH, Wellik IG, Zalon AJ, Benneyworth MA, Eberly LE, Öz G. Antisense Oligonucleotide Silencing Reverses Abnormal Neurochemistry in Spinocerebellar Ataxia 3 Mice. Ann Neurol. 2023 Oct;94(4):658-671.
