한국생명공학연구원= 충남대- 미국 Augusta University 공동연구진
향후 자폐증의 새로운 분자기전 연구와 치료제 개발의 원천기술로서의 활용이 기대된다.
DYRK1A(Dual Specificity Tyrosine phosphorylation-regulated kinase 1A)는 현재까지 다운증후군에서 발현이 증가되어 있는 핵심 원인유전자 중 하나로서 신경세포 발생 및 뇌의 크기, 인지기능, 섭식기능, 퇴행성 뇌질환 등과 관련이 있는 것으로 알려져 있다.
연구팀은 DYRK1A 유전자의 마지막 exon 5개가 미세결손된 환자를 유전체 분석을 통하여 새롭게 발견하였다.
이 환자는 자라면서 두뇌의 크기가 작았으며 사회성이 결여된 전형적인 ASD 표현형을 나타내었다.
2세대 유전체 편집기술인 TALEN(Transcription activator-like effector nucleases) 기술을 이용해 DYRK1A 유전자에 대한 신규 제브라피쉬 돌연변이체 라인인 dyrk1aakrb1을 제작하였다.
제브라피쉬 돌연변이체 dyrk1aakrb1는 마우스 돌연변이체와 달리 전반적으로 정상적인 발생과정을 거치며 성체까지 자라 세대 유지가 가능하였다.
그러나 외관상으로 정상적으로 보이는 제브라피쉬 돌연변이체 dyrk1aakrb1의 뇌는 정상에 비해 작았으며 발생 중 비정상적 세포사멸을 보였다.
또한 각각 성체 뇌에서의 활성과 스트레스를 감지하는 유전자인 c-fos와 crh의 발현이 정상에 비해 현저히 감소해 있음을 확인하였다.
제브라피쉬 성체를 이용한 사회적 행동 (social behavior) 검증 에세이로서 (1) 같은 종인 다른 제브라피쉬에 강한 친밀감을 보이는 습성을 이용한 social interaction assay (2) 포식자로부터의 개체군 보호, 먹이확보, 짝짓기 등을 위해서 무리를 지어 이동하는 제브라피쉬 성체의 “shoaling” 습성을 이용한 shoaling assay를 신규 개발하고 실험조건을 최적화하였다.
확립한 사회적 행동 검증 에세이를 제브라피쉬 돌연변이체 dyrk1aakrb1에 적용한 결과 정상개체에 비교하여 타 개체에 무관심한, 사회성의 결여를 보이는 전형적인 ASD의 표현형을 저비용으로 짧은 시간 내에 관찰할 수 있었다.
후보 ASD 위험유전자 중 특히 DYRK1A는 여러 대량염기서열 분석에서 돌연변이가 반복적으로 관찰되는 고위험유전자 중 하나로서 ASD와의 관련성이 매우 높을 것으로 생각되었으나, DYRK1A 돌연변이 마우스의 발생이 배아단계에서 중단되는 등 생체수준에서의 정확한 기능은 아직 분명하지 않았다.
연구팀은 유전자가위기술을 이용해 DYRK1A 유전자에 대한 제브라피쉬 녹아웃 돌연변이체를 제작하고, 사회적 무리를 이루는 어류의 동물습성을 활용하여, ASD 연구의 핵심인 사회성 측정을 위한 간편, 신속한 새로운 검증방법을 개발하였다.
이를 통해 DYRK1A 유전자의 기능 저해 시 개체의 사회성이 현저히 감소하며 이와 관련한 신경계내의 관련 유전자의 발현이 변화됨을 검증하였다.
연구책임자인 김철희 교수와 이정수 박사는 “동 연구성과는 ASD 환자에서 가장 빈번히 발견되는 고위험유전자 중의 하나인 DYRK1A의 자폐증 관련성을 동물모델을 통해 세계 최초로 검증하였으며, 새로운 자폐증 행동분석법의 개발을 통하여 향후 대규모 환자유전체 연구에서 발굴될 새로운 자폐증 후보유전자의 신속한 기능연구에 활용될 것이다”면서, “특히, 개발된 자폐증 동물모델을 활용하여 새로운 ASD 원인유전자와 관련한 신경계의 변화에 대한 구체적인 분자기전의 규명과 함께, 궁극적으로 ASD 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
자폐증, 자폐 스펙트럼 장애 (ASD)는 사회적 소통에 어려움을 겪는 다양한 연속상에 있는 일련의 장애를 통칭하는 말로써, 자폐성 장애, 아스퍼거증후군, 서번트 증후군, 전반적 발달장애 등을 포함한다.
지난 2011년 발표된 전수 역학조사 결과 한국의 ASD의 유병률은 미국의 경우(아동 110명 한 명, 약 1%, CDC 조사결과)에 비해, 한국 7~12세 아동의 2.64%(약 38명 중 한 명)가 ASD를 가지고 있는 것으로 조사되었다.
이는 미국과 유럽의 2배 이상을 뛰어넘고 있으며 그 수는 더욱 증가할 것으로 예상되고 있다.
ASD의 원인은 아직도 분명히 밝혀져 있지 않으나 다양한 유전적 요인과 환경적 요인이 복합적으로 작용할 것으로 생각되고 있다.
유전적 요인을 찾기 위하여 최근, 대규모 환자유전체 빅데이터를 이용한 ASD 원인 유전자들이 속속 발굴되고 있다.
그러나 발굴된 ASD 원인유전자들의 신속한 생물학적인 검증을 위해서는 효율적인 동물모델 및 새로운 분자기전 연구방법의 개발이 필요하다.
한국생명공학연구원 질환표적구조연구센터 이정수 박사팀, 충남대학교 김철희 교수팀, 미국 Augusta University의 김형구 교수팀이 수행한 이번 연구는 생명연의 기관고유사업, 국가과학기술연구회의 융합연구단 사업, 한국연구재단의 중견연구 지원사업 등의 지원을 받아 자폐증 임상연구의 세계적 권위의 전문저널인 분자자폐증(Molecular Autism) 9월 29일자 온라인 판에 게재되었다.
(논문명 : Zebrafish knockout of Down syndrome gene, DYRK1A, shows social impairments relevant to autism)
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