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작은 크기의 후성유전체 편집기, CHARM

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 24-53

■ DNA 서열 변화 없이 유전자 발현을 제어할 수 있어 보다 안전하게 활용할 수 있는 후성유전체 편집(epigenome editing) 기술이 빠르게 발전하는 추세

○ 최근 Science지에는 CHARM(coupled histone tail for autoinhibition release of methyltransferase)이라는 새로운 후성유전체 편집기(epigenetic editor)에 관한 연구결과*가 소개

     * Harvard 브로드연구소의 David Liu 교수와 함께 4세대 유전체 편집기술인 프라임 에디팅(prime editing) 기술을 개발한 MIT 화이트헤드연구소의 Jonathan Weissman 교수가 교신저자로 참여

   * 관련 논문 : Science, Brainwide silencing of prion protein by AAV-mediated delivery of an engineered compact epigenetic editor, 2024.6.28

  - CRISPR/Cas 시스템으로 대표되는 유전체 편집기술(genome editing)은 유전자 변이로 인한 질병의 치료 가능성을 높이고 난치질환을 해결할 수 있는 미래의 유전자치료 기술로 기대

  - 그러나 Cas 단백질로 DNA를 절단하고 복구하는 과정에서 예상치 못한 유전적 변이를 초래할 수 있어서, CRISPR/Cas 시스템의 부작용을 줄이고 안전성을 높이는 연구가 매우 중요

○ 이에 DNA 서열을 바꾸거나 손상시키지 않고도 DNA 메틸화나 히스톤 단백질의 변형을 통해 유전자 발현을 지속적이고 정확하게 제어할 수 있는 후성유전체 편집기술을 주목

  - 후성유전체 편집기술은 Cas 단백질의 DNA 절단 기능을 없앤 dCas 단백질과 후성유전 조절인자를 융합하여 유전자 발현을 선택적으로 제어함으로써 생물학적 기전을 연구할 수 있으며,

  - 이를 기반으로 다양한 질환을 치료하거나 유용물질을 생산하는 등에 이용할 수 있는 기술로 평가

  - 단일 유전자질환 뿐 아니라 유전체 편집이 불가능했던 신경질환, 노화, 암 등 여러 유전자를 포함한 복잡한 질환을 해결할 수 있는 대안으로 기대

■ 이번 연구는 CHARM이라는 후성유전체 편집 시스템을 통해 신경퇴행성 질환을 치료할 수 있는 새로운 접근법을 제공

○ CHARM 시스템은 작은 크기가 장점으로, 마우스의 뇌까지 잘 전달되어 프리온 질환(prion disease)*의 원인 단백질(PrP)을 생성하지 못하도록 관련 유전자 발현을 억제한다는 연구결과를 확보

     * 비정상적으로 접힌 프리온 단백질(prion protein, PrP)이 신경 조직에 축적되어 신경계에 심각한 영향을 미치는 치명적인 질환으로, 현재로서는 효과적인 치료제가 없는 상황. 질병의 원인으로 유전적 변이, 감염에 의한 노출 등이 알려짐

< CHARM 시스템의 구성 요소 및 작동 방식 >

  - CHARM은 Prp 유전자(Prnp) 내 특정 서열에 결합하여 과메틸화*를 유도하여 유전자가 잘 발현되지 못하게 하는 방식

     * 과메틸화는 일반적으로 유전자의 프로모터 영역에서 발생하며, 전사 인자가 해당 프로모터에 결합하는 것을 물리적으로 방해하여 유전자 발현을 억제

○ CHARM은 표적 DNA와 결합하는 Zinc Finger(ZFs), DNA 메틸화 효소(DNA methyltransferase 3A, DNMT3A)를 모집하는 D3L과 모집된 DNMT3A를 활성화시키는 H3 꼬리(histone H3 tail)로 구성

  - Zinc Finger(ZFs)는 표적 유전자 부위로 편집기를 가이드하는 역할을 하며, ZF 기반의 DNA 결합 모티프는 CRISPR 기반의 Cas 단백질 보다 훨씬 작음

  - CHARM은 효소가 필요 없는 소형 후성유전체 편집기로, 세포 내 이미 존재하는 DNA 메틸화 효소인 DNMT3A를 활용하도록 설계

  - 컴팩트한 구조인 H3 꼬리는 특정 염기서열을 타겟팅하여 DNMT3A의 활성을 촉진하며, DNA 구조를 더 조밀하게 만들어 전사 인자의 접근을 제한

■ CHARM은 효소가 없는 소형 후성유전체 편집기로, AAV 벡터를 통해 마우스의 뇌까지 효율적으로 전달할 수 있었고 독성 또한 감소한 것으로 조사

○ 기존의 후성유전체 편집 도구, 특히 CRISPR-Cas9 시스템은 크기가 매우 커서 AAV 벡터에 탑재하기 어려움

   ※ 보통 AAV 벡터는 약 4.7kb의 패키징 용량을 가지고 있는데, Cas9 단백질과 gRNA를 함께 탑재하려면 용량을 초과하게 되어 전달이 불가능

  - CRISPR-Cas9과 같은 박테리아 유래 단백질은 인체 내에서 면역 반응을 유발할 수 있어 장기적인 발현이나 반복적인 투여가 필요한 경우 문제를 초래

○ 이에 반해 CHARM 시스템은 비효소성 DNMT3L와 ZFs 도메인, H3 꼬리를 사용하여 전체 크기를 줄여 AAV 벡터에 쉽게 탑재할 수 있음

  - CHARM은 박테리아 유래 단백질이 없어 면역 반응을 잘 유발하지 않으나, CHARM 자신을 발현하는 프로모터에도 ZFs 결합 부위를 두어 메틸화를 유도함으로써 자가 침묵화 메커니즘도 도입

  - ZFs 결합 부위를 여러 버전으로 변형*하여 자가 침묵화의 강도와 지속 시간을 조절하였으며, 이를 통해 면역 반응을 최소화하고, 장기적인 안전성을 보장

   ※ 이러한 조절 메커니즘은 CHARM 시스템이 유전자 발현을 보다 정교하게 조절할 수 있도록 하며, 뇌·신경질환 치료에 있어 중요한 도구가 될 수 있다는 가능성을 제시

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