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영어

Monogenic diseases are resulted from modifications in a single gene of human cells. Because their treatment with pharmacological medicine have a temporary effect, continuous nursing care and retreatment are required. Gene therapy, gene targeting and induced pluripotent stem cell (iPSC) are considered permanent treatment methods of them. In gene therapy, however, retroviral vectors that have potential toxicity caused by random insertion of harmful virus are used as vehicles for transferring genetic materials. On the other hand, gene targeting could replace and remove the modified gene though homologous recombination (HR) induced by site-specific endonucleases. This short reviewprovides a brief overview on the recently tailored endonucleses with high selectivity for HR.

한국어

유전자의 돌연변이에 의해 발생하는 여러 가지 질병 중, 하나의 유전자 변형으로 나타나는 질환을 monogenic disease 라 한다. Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) database (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim)에 2010년 1월 까지 축적된 자료에 의하면, 특정 유전자와 연결된 질병이 2500개 이상이 존재하며, cystic fibrosis, cuchenne muscular dystrophy, fabry disease, huntington’s disease 및 X-linked serve combined immunodeficiency (X-SCID)등과 같은 질병 이 이에 속한다 [1]. 실제로는 하나의 변형된 유전자와 관련 된 질환의 종류가 10,000종이 넘는다고 알려져 있다. 이러한 질병 중, 관련된 유전자가 특정 효소를 암호화하고 있는 경 우, 효소치환 치료 (enzyme replacement therapy)의 적용이 일반적이나 대부분이 한시적인 치료법으로 일생 동안 반복 적인 투여를 해야 하는 경우가 많다. 지난 20년 동안 이러한 monogenic disease의 치료 방법으로, 특정한 세포 및 조직에 치료 효과를 지닌 유전인자의 삽입을 위한 gene therapy [2], 변이가 유발된 유전자의 정상 유전자로의 영구적 치환을 위한 homologous recombination (HR) 기반의 gene targeting [3], 그리고 최근 이슈가 되는 iPSC (induced pluripotent stem cell) 기술에 많은 연구가 진행되고 있다. 앞서 언급한 여러 monogenic disease들 중 SCID의 경우, B 또는 T 림프구의 결함에 의해 발생한다. 특히 X-SCID (인터루킨 수용체의 subunit을 암호화 하는 ILR2G의 돌연 변이)와 ADA-SCID (adenosine deaminase gene의 돌연변이) 경우, gene therapy 기법 적용을 위한 이상적인 monogenic disease model로서 retroviral vector를 이용한 성공적인 치료 사례가 존재한다 [4,5]. 그러나, retroviral vector의 random 또는 semi-random integration에 의해 target 유전자 주변 염기서열의 변화가 유발되면 gene silencing, endogenous gene의 파괴 및 up-/downstream 영역의 변화로 유전자의 transcriptional activation 등을 유도해 세포 독성을 유발할 수 있다. 실제로 불명확한 원인으로 인하여 유전자 치료를 받 던 환자가 사망한 사례 또한 존재한다 [6]. 이러한 문제점 들을 해결하기 위하여 non-viral vector나 non-integrative vector의 개발이 시도되고 있다. Monogenic disease 치료를 위한 다른 대안으로, 최근에 는 gene targeting을 활용하기 위한 시도가 진행되고 있다. Gene targeting 기술은1990년대에 소개된 이후로, mouse 등 의 여러 model animal의 제작에 활용되어 Mario Capecchi와 Oliver Smithies가 physiology and medicine 분야의 Novel상을 수상 (2007년)해 그 가치를 인정받았다 [7,8]. Gene targeting 기술은 retroviral 또는 lentiviral vector 를 활용하는 gene therapy와 달리, 유전자 copy number의 변화 없이 고유의 promoter에 의해 발현이 조절될 뿐 아니라 viral vector의 random integration에 의한 잠재적 위험을 피할 수 있는 장점을 지닌다. 그러나 본질적으로 자연적인 homologous recombination (HR)에 의한 재조합 비율이 매우 낮은 단점 이 존재한다 [9]. 최근 표적 유전자 또는 염기서열의 double strand break (DSB)에 의해 유도되는 HR을 이용하는 gene targeting 효 율 증대를 위한 tailored 또는 artificial nucleases의 개발과 활용이 보고되고 있다. 이러한 효소의 backbone으로homing endonucleases와 zinc finger nuclease가 활용되고 있으며, 근 본적으로는 자연적인 제한효소와 같이 인식영역 (recognition domain)과 절단영역 (cleavage domain)을 지닌 효소들로 개발된다. 본 글에서는 monogenic disease 치료를 위한 gene targeting 기술에 적용하기 위해, 현재 연구되고 있는 artificial endonucleases에 대해 간략히 소개하고자 한다.