Mila 이야기와 Antisense oligonucleotides 치료제

Mila 이야기와 Milasen 약물에 대해서는 언젠가 한번 정리하고 싶었던 내용이었는데, 때마침 최근에 개최되었던 2021년 미국 인간유전학회 (ASHG)에서는 Mila 이야기에 관한 최신 업데이트 내용이 발표되었습니다. 이에 관련 내용에 대한 포스팅을 작성하려고 합니다. 제가 현재 속해 있는 보스턴 어린이 병원 (Boston Children’s Hospital) 의 연구진들은 Mila라는 희귀 질환 환우를 위한 맞춤 치료 (Personalized therapy) 를 제공하기 위해 치료제를 개발하게 되는데, 이 과정이 Mila의 이야기, 그리고 치료제는 ASO 약물인 Milasen이 됩니다.

Mila 이야기와 Milasen

보스턴 어린이 병원 (Boston Children’s Hospital) 소속 Timothy Yu 박사와 소아 희귀 질환인 Batten Disease 환아인 Mila, 그리고 Mila의 엄마

Mila는 전장 유전체 시퀀싱 (Whole-genome sequencing) 을 통한 유전자 검사를 통해, MFSD8 (CLN7) 유전자의 문제로 발생하는 희귀 질환인 Batten 병을 진단 받게 됩니다. 이에 연구진들을 Antisense oligonucleotides (ASO) 라는 물질을 이용하여, Mila의 유전병이 발생하는 원인을 차단하여 증상을 개선시키는 Mila만을 위한 치료제를 개발하는데 착수하였습니다. 이는 Mila가 가지고 있는 특정 돌연변이를 타겟으로 하는 환자 맞춤 치료 약물 (Personalized drug) 이기에, 약물의 이름도 Mila의 이름을 따서 Milasen이라고 붙여지게 됩니다. 이에 따라 이 약물의 임상 시험도 “n of 1 clinical trial” (다수의 환자 중 단 한명을 위한 임상 시험)이라고 부르게 됩니다. (참고로 본 연구는 현재 KAIST에 계시는 김진국 교수님께서 1저자로 참여하여 진행되었습니다.)

Mila는 2016년 위와 같이 해당 질병을 진단받고, 질병의 발생 메커니즘을 이해하고, 이를 치료하기 위한 기전에 맞는 약물을 개발하여, 임상 시험에 들기까지 연구진의 많은 노력 끝에 Milasen이라는 약물이 탄생하게 됩니다. 그러나 Mila는 맞춤 치료제에도 불구하고, 최근 안타깝게도 사망하였다고 합니다.

2021년 미국 인간유전학회 (ASHG)에서 Yu 박사의 발표에 따르면, 이러한 희귀 질환은 더 이른 시기에 빠른 진단을 통해서 치료가 빨리 이뤄져야하기에, 이러한 안타까운 결과가 나오지 않았는가 생각된다 합니다. Mila의 이야기는 비록 해피 엔딩으로 끝나지는 못했지만, 다수의 많은 희귀 질환 (Rare disease) 환자들에게 새로운 희망을 줄 수 있는 개별 맞춤 치료제에 대해 많은 부분들을 시사해줍니다. 이러한 교훈을 바탕으로, 최근에는 더 많은 환자들에게 해당 치료제를 개발하고 안전하게 적용할 수 있는 많은 임상시험들이 진행되고 있습니다.

Mila에 이어, ASO 약물 치료를 시작하게된 많은 희귀 질환 환자 중 한명인 Kuzu. 위 환아는 신경계 이상 질환인 Ataxia-telangiectasia를 3세에 진단받고, Mila보다 조금 더 이른 시기에 치료를 시작하였고, 현재까지 해당 질환의 많은 이상 증상들이 나타나지 않고 있다고 합니다. 연구진에 의하면 아직까지 약물 치료제가 완벽한 성공을 거두었다고 말하기에는 이르지만, 기대가 되는 결과 임에는 분명합니다.

Antisense Oligonucleotides 약물의 작용 기전

Antisense Oligonucletides (ASO)는 위와 같은 기전을 통해, 유전자의 발현을 교정함으로써 이루어지게 됩니다. 돌연변이를 가지고 있는 환자의 이중 나선 DNA에 달라붙는 ASO를 디자인하여, 문제가 있는 유전자의 발현을 교정하는 것이지요. 이상이 있는 단백질이 많이 발현하는 경우에는, 1) 이상 단백의 발현이 일어나지 않게 ASO와 결합하여 분해를 유도 (RNAse H cleavage, RNA interference) 하거나, 2) 이상 단백의 발현을 구조적으로 방해 (Steric hindrance) 하게 됩니다. 반대로, 기능이 망가진 단백질이 발현하는 경우에는 정상 단백질의 발현을 유도하기 위해, 3) 유전자 발현 과정 중 Splicing 위치를 교정 (Splice modulation) 함으로써, 이상 단백질의 발현을 정상화 시킵니다. 위에서 언급한 Mila의 경우에는, 위 그림 중 splicing의 이상이 발생한 경우로 Milasen을 2b)의 기전을 통해 Splice modulation을 함으로써 치료제로 작용하게 됩니다.

다만, 위와 같은 치료제는 어떻게 환자의 이상이 발생하는 부위만 특이적으로 타겟할 것인가? 어떻게 효율적으로 환자의 이상이 있는 부위에 전달하는가?와 같은 기술적 문제를 포함하게 됩니다. 특히 ASO의 경우, 외부 물질로 인식이 되기에 면역 반응을 유도할 수 있고, 주사 부위 염증 반응 등의 부작용을 흔하게 발생시키게 됩니다. (Mila의 경우에는 척수강 내에 주입하여, 치료제를 전달하였다고 합니다.)

Milasen의 치료제 개발 및 검증을 위한 전략 및 과정을 보여주는 그림

관련 포스팅 보기

앞으로는 유전자 검사가 점점 보편화 되면서, 희귀 질환 환자의 유전 질환의 진단률이 점점 높아질 것으로 보입니다. 이와 더불어 해당 질환의 진단을 통해, 질환의 발생 메커니즘을 이해하게 되면, 이를 통해 환자에게 점점 맞는 맞춤 치료법들도 함께 개발될 수 있을 것으로 기대됩니다. 다만, 이러한 치료제들이 개발되기에는 많은 현실적 장벽들이 남아 있으며, 특히 Mila의 이야기는 환우회, 지역사회 등이 재단을 설립하고, 병원 및 연구소 등이 협력하여 치료제를 개발함으로써 앞으로의 희귀 질환 치료가 나아가야할 방향을 제시해주고 있다는 점에서 많은 시사점을 던져주고 있습니다.

References

관련 기사: https://www.science.org/content/article/personalized-rna-drugs-may-soon-be-available-more-rare-genetic-diseases

Mila 재단 홈페이지: https://www.milasmiracle.org/

Kim, Jinkuk, et al. “Patient-customized oligonucleotide therapy for a rare genetic disease.” New England Journal of Medicine 381.17 (2019): 1644-1652.

Dhuri, Karishma, et al. “Antisense oligonucleotides: an emerging area in drug discovery and development.” Journal of Clinical Medicine 9.6 (2020): 2004.

DNA 손상 복구 기전과 타겟 치료 항암제

지난번 포스팅에서는 de novo mutation의 발생과 의의에 대해서 정리하였습니다. 관련 연구를 진행하다보니, 조금 더 근본적으로 de novo mutation을 발생시키는 DNA의 손상과 복구 기전에 대한 깊은 이해가 필요함을 느꼈습니다. (공부는 끝이 없습니다.) 사실 DNA 복구 기전의 문제는 많은 질환과 관련이 있는데, 대표적으로 암은 이러한 DNA 복구에 문제가 있는 것으로 잘 알려진 질환입니다. 그래서 DNA 손상과 복구에 대한 대부분의 연구는 암을 중심으로 이루어져 왔습니다. 그렇지만 암 이외에도 많은 유전 질환 또한 DNA 복구 문제와 연관성이 보고되고 있습니다. 그래서 이번 포스팅은 DNA가 손상되었을 때 이를 복구하는 여러가지 방법과 관련 단백을 정리하고, 암종의 맞춤 치료에 대한 의의에 대해 정리해보고자 합니다.

 

DNA 손상의 종류

DNA damage

생명체의 중요한 유전 정보를 지니고 있는 DNA는 이중 가닥으로 이루어져 있기 때문에, 손상의 종류에 따라서 복구되는 기전도 차이가 나게 됩니다. DNA의 손상은 DNA 복제 과정의 에러와 같은 세포의 내인적 요인과 외부의 환경적 요인에 노출되면서 발생하는 다양한 손상 (Environmental mutagen) 등이 복합적으로 작용하여 일어나게 됩니다. 이때, 가닥의 한쪽만 손상 (Single-strand break; SSB)이 이루어진 경우는 상보적인 반대쪽 가닥의 정보를 이용하여 복구를 할 수 있지만, 양쪽 가닥이 모두 손상 (Double-strand break; DSB)된 경우는 인접한 상동 염색체의 정보를 이용하여야 복구가 가능해집니다. 이외에도 이전에 정리했던 Chromothripsis나 Kataegis와 같은 event가 발생하면, 훨씬 더 복잡한 패턴의 대규모의 손상이 발생할 수 있습니다.

 

DNA 복구 기전과 관련된 주요 분자

아래 그림은 DNA의 손상을 복구하는 여러 기전과 관련 분자들을 정리하여 보여주고 있습니다. 암 유전학에서 재미있는 것은 이러한 손상 복구 기전과 연관된 분자들 중 어떠한 것에 문제가 있는가에 따라서 질환의 경과나 치료제의 반응 정도 등에 차이가 난다는 점입니다. 사실 암과 관련된 맞춤 치료 및 표적 치료제 (Targeted agent)도 이러한 개념에 근거하여, 관련 암종의 분자 프로파일 (molecular profile)을 작성하고 최적의 치료 옵션을 찾는데에 있습니다.

  • Base excision repair: DNA의 산화적 손상 (ROS)을 복구하는 가장 기본적인 기전으로, 손상된 염기를 잘라내고 다시 복구합니다.
  • Nucleotide excision repair (NER): 여러 개의 base로 이루어진 조금 더 큰 nucleotide 단위의 손상을 복구하는 기전으로, UV, Tobacco, ROS, Radiation과 같은 다양한 환경적인 mutagen에 대응하는 복구 기전입니다.
  • Mismatch mediated repair (MMR): DNA 복제 과정에서 필연적으로 발생하는 replication error에 대한 복구 기전으로, 잘못 복제된 DNA를 교정해줍니다. 이러한 기전에 문제가 있는 경우, Lynch syndrome 또는 HNPCC (Hereditary nonpolyposis colorectal cancer)라고 하는 가족성 암 증후군을 일으키는 것으로 잘 알려져 있습니다.
  • DNA double-strand break repair: 이중 가닥 손상에 대해서는 다양한 복구 기전이 존재하는데, 크게 NHEJ (Non-homologous end joining)HDR (Homology directed repair) 기전이 존재합니다. 간단히 정리하면 NHEJ는 손상된 부분을 그냥 연결해주는 방식이고, 그렇기 때문에 INDEL이 발생하게 됩니다. 유전자 가위인 CRISPR-Cas9 이 이러한 방식으로 INDEL을 유도하게 됩니다. 반대로, HDR은 인접한 상동 염색체의 동일 부분의 유전 정보를 활용하여 복구하는 기전으로, BRCA1/2 또는 FANC family가 주요한 역할을 하는데, 안젤리나 졸리의 예방적 유방 절제술로 유명해진 유전성 유방 난소암 증후군 (Hereditary Breast Ovarian Cancer; HBOC)이나 판코니 빈혈 (Fanconi Anemia)이 이러한 분자의 문제로 발생하는 것이 잘 알려져 있습니다.

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DNA 복구 기전 문제와 암종의 타겟 맞춤 치료

DNA 손상을 제대로 복구하지 못하여 발생한 암은 문제가 있는 기전에 따라서, 타겟 치료제에 대한 반응성도 달라지게 됩니다. 아래 그림은 이러한 기전과 타겟 치료제의 관계를 보여주고 있습니다. 가장 대표적으로 Homolgy directed repair (HDR)에 문제가 있어서 발생한 암종들은 Platinum 계열의 항암제PARP inhibitor에 잘 듣는 것으로 알려져 있고, Mismatch repair (MMR)에 문제가 있는 암종들은 면역 항암제 (Immune Checkpoint Inhibitor)에 대한 반응성이 좋은 것으로 보고 되고 있습니다. 이러한 분자 기전과 연관된 분자에 따라서, 환자의 반응성을 예측하고 치료 옵션을 수립하는 것이 환자별 맞춤 치료와 정밀 의료의 방향성으로 제시되고 있습니다.

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관련 포스팅 보기>

[유전학 중요개념 정리] De novo mutation의 발생 기전과 질병 발생학적 의의

[유전학 중요개념 정리] Complex DNA rearrangement: Chromothripsis, Chromoanasynthesis, and Chromoplexy

닥터 프리즈너 속 헌팅턴병의 유전학: 삼염기 반복 질환과 Anticipation

면역 항암제, Immune checkpoint inhibitor의 원리 및 종류

 

[References]

Jalal, Shadia, Jennifer N. Earley, and John J. Turchi. “DNA repair: from genome maintenance to biomarker and therapeutic target.” Clinical cancer research 17.22 (2011): 6973-6984.

Morgan, Meredith A., and Theodore S. Lawrence. “Molecular pathways: overcoming radiation resistance by targeting DNA damage response pathways.” Clinical Cancer Research 21.13 (2015): 2898-2904.

Corcoran, Niall M., et al. “Molecular pathways: Targeting DNA repair pathway defects enriched in metastasis.” Clinical Cancer Research 22.13 (2016): 3132-3137.