RNA 비표적 효과를 줄인 미토콘드리아 염기 교정 효소 및 동물 유전질환 모델 개발

의학과 정밀의학교실 및 메타바이오헬스학과 이성현 교수는 세계 최초로 미토콘드리아 DNA의 특정 서열에서 아데닌 염기를 구아닌으로 변형한 생쥐를 제작하는 데 성공했다. 해당 연구는 연세대학교 의과대학, KIST 뇌과학연구소, 고려대학교 의과대학 및 주식회사 엣진과의 공동 연구를 통해 이루어졌다. 세포 내에 존재하는 에너지 공급원, 미토콘드리아는 그 내부에 에너지대사에 필수역할을 하는 단백질의 유전정보를 가진 미토콘드리아 DNA를 가지고 있다. 이 DNA의 결함은 미토콘드리아의 고장으로 이어지게 되며, 뇌, 신경, 근육에서 다양한 병증으로 나타나게 된다. 또한 부모 중 모계 유전으로만 전달되는 미토콘드리아의 특성상 엄마의 미토콘드리아 결함이 자녀에게 유전되어 미토콘드리아 질환으로 나타날 수 있다. 현재 크리스퍼 유전자 가위 (CRISPR-Cas9) 기술이 DNA 교정 기술로 활용되지만, 특정 DNA 서열을 인식하는 것에 사용하는 가이드 RNA가 미토콘드리아 내부로 수송되지 못하기 때문에 미토콘드리아 DNA 교정에는 사용하지 못한다는 한계점이 존재한다. 이에 대해 현재까지 개발된 미토콘드리아 DNA 교정 기술로는 DNA 염기 서열 4종류 A, G, T, C 중 C를 T로 교정 가능한 DdCBE(Nature, 2020)와 A를 G로 교정 가능한 TALED(Cell, 2022)가 있다. 이 중 DdCBE를 활용하여 미토콘드리아 C-to-T 유전자 교정을 일으킨 생쥐를 제작한 연구 사례는 있지만, 미토콘드리아 A-to-G 유전자 교정을 동물실험에서 성공한 사례는 아직까지 보고되지 않았다. 연구진은 기존에 개발된 미토콘드리아 DNA 교정 기술 TALED가 세포 내에서 의도하지 않은 무작위적 DNA 및 RNA 변형을 일으킨다는 것을 확인했으며, 이로 인해 TALED가 생쥐의 수정란에 주입될 경우 배아 발달이 정상적으로 이루어지지 못함을 발견했다. 또한 TALED 구성 단백질 중 DNA 변형을 매개하는 단백질이 더욱 정밀한 활성을 나타낼 수 있게 개량한 TALED(V28R-TALED)를 개발했으며, 이를 통해 TALED의 부작용인 세포 내 무작위적 DNA 및 RNA 변형이 크게 감소된 것을 확인했다. 나아가 개량된 TALED를 생쥐의 수정란에 미세주입해 미토콘드리아 질환 중 리 증후군(Leigh syndrome)의 돌연변이를 보유, 병증을 나타내는 생쥐를 제작하는 것에 성공했다. 이번 연구는 세계적 국제학술지인 셀<Cell>(IF=66.85)>에 2024년 1월 4일 (한국시간)에 게재되었다. 논문명: Engineering TALE-linked deaminases to facilitate precision adenine base editing in mitochondrial DNA DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.035 저자: 이성현 (교신저자, 성균관대학교 의학과 및 메타바이오헬스학과 조교수) 그림 개선 된 TALED의 모식도 및 작용 방식

신선초에서 항생제 내성 문제를 해결할 수 있는 신개념 항독성 물질 발굴

항생제 내성은 인류의 생존을 위협하는 10가지 위험 (스웨덴 GCF 2018년 보고서) 중 하나로써 시급한 해결책 마련이 반드시 필요하다. 2016년 발행된 영국 의회보고서에는 항생제 내성에 대한 해결책이 마련되지 않는다면 2050년에 1000만 명 이상이 내성균에 의해 목숨을 잃을 수 있다는 사실을 경고한 바 있다. 따라서 항생제내성 문제는 인류의 생존을 위해 반드시 풀어야할 숙제 중에 하나이다. 항생제 내성은 균을 직접 사멸시키는 항생제에 대해서 균이 변이를 통하여 적응해 가면서 필연적으로 발생하게 되는 자연적 과정이므로, 현재 사용 중인 항생제와 같이 균을 직접 죽이는 기전을 갖는 항생제에 의한 내성 발생은 피할 수 없는 현상이다. 따라서, 내성균의 발생을 피하기 위해서는 완전히 새로운 기전의 항생 물질이 필요하다. 연구팀은 신선초에서 만들어지는 잔소안제롤이라는 물질이 대표적인 내성균 중 하나인 황색포도상구균의 병독성인자 합성을 저해함으로써, 감염을 일으킨 균이 병을 일으키지 못하고 인체 면역작용에 의해 사멸된다는 사실을 발견하였다. 또한 이 물질을 유기화학적으로 합성하는 방법을 찾고 여러 가지 유도체를 합성하여, 잔소안제롤보다 더욱 우수한 성질의 항독성 물질인 PM-56을 확보하였다. 항독성활성을 갖는 PM-56은 균을 죽이지 않고 독성 만을 제거하기 때문에, 세균에 내성 발생 압력을 가하지 않아 항독성 물질에 대한 내성균 발생을 근원적으로 차단할 수 있다. 즉 제균 활성이 아닌 항독성활성을 갖는 새로운 개념의 항생제로 작용하는 것이다. 명일엽이라고도 불리는 신선초는 먹으면 신선이 될 수 있다는 속설처럼 다양한 약효를 갖고 있어서 건강식품으로 각광 받고 있다. 학명 (Angelica utilis) 역시 ‘천사가 준 선물’이라는 의미가 담겨있을 정도로 매우 유용한 식물로 알려져 있다. 그 이름에 따르듯, 신선초가 항세균독성에 의한 항생 효과를 가질 수 있음이 본 연구로 증명되었다. 김경규 교수는“독성을 저해하는 새로운 기전 항생제의 성공 가능성을 검증함으로써 향후 내성발생 없는 새로운 감염치료제 개발을 기대할 수 있게 되었다.”라고 언급하였다. 본 연구는 의과대학 “항균내성 및 치료제 연구소 (https://shb.skku.edu/iamrt/)”의 연구로 진행되었고 의약화학분야의 세계적인 학술지인 Medicinal Chemistry를 통해 발표 되었다 (2018년 11월). 또한 YTN science와 동아일보에 기획기사로 소개되었다. YTN 기사보기 https://youtu.be/Ax_Rd8-85IM 동아일보 기사보기 http://news.donga.com/3/all/20181202/93122384/1 (그림1) 황색포도상구균 독성인자 저해제 PM-56의 작용 기전 PM-56은 황색포도상구균의 독성인자 합성을 조절하는 신호전달체계 SaeRS의 한 구성요소인 히스티딘 카이네이즈 SaeS의 인산염 전달 활성을 막는다. SaeS의 인산염 전달 기능이 저해됨으로서 후속 활성인 독성인자 생합성이 가로막히게 된다. (그림2) 약효 확인을 위한 모델 실험 내성균을 감염시킨 꿀벌부채명나방 유충의 생존율은 72시간 후에 20%밖에 안되는 반면 잔소안제롤 B의 유도체인 PM-56을 처리한 경우 생존율이 증가하여, 최종적으로 4.262 mg/kg 의 농도를 처리한 경우 생존율이 100%에 이른다. 이 결과는 PM-56을 처리함으로써 황색포도상구균에 의한 감염을 치료할 수 있다는 것을 의미한다.