리뷰 논문

신경발달장애에서 질병 기전 규명을 위한 방법

DOI:

10.3791/70127

⸱

2026년 2월 6일

 , 
1Department of Neurology, University of Maryland School of Medicine

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

신경발달장애를 가진 개인을 위한 질병 수정 치료 옵션은 제한적이며, 완치법도 없습니다. 이를 해결하기 위해서는 질병 기전과 새로운 치료 표적을 정의하는 노력이 필요합니다. 이 리뷰에서는 이러한 노력을 선도하는 여러 기법들을 자세히 소개합니다.

초록

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신경발달장애(NDD)는 전 세계적으로 3억 1,700만 명의 아동과 청소년에게 영향을 미칩니다. NDD는 여러 장기 시스템에 영향을 미치는 다양한 장애군이지만, 간질, 자폐 스펙트럼 장애(ASD), 그리고/또는 지적 장애(ID)가 흔한 결과입니다. 안타깝게도 NDD에 대한 질병 조절 치료법은 거의 없고 완치법도 없습니다. 하지만 최근에는 유전자 편집, 세포/분자 분석, 줄기세포 모델이 NDD의 근본 원인을 깊이 이해하고 유전 변이를 분류하며 인간 질병 과정을 보다 정밀하게 모델링하는 유망한 기술로 부상하고 있습니다. 또한, 특히 유전자 편집 등 여러 기법이 이미 임상적으로 성공을 거두었습니다. 본 리뷰에서는 유전 변이를 기능적으로 검증하는 여러 새로운 방법, 신경다양성 줄기세포 모델, 그리고 새로운 유전자 편집 접근법을 자세히 소개합니다. 이러한 방법들을 이해하고 적용하는 것은 NDDs의 새로운 질병 기전과 치료 표적을 밝혀내는 것뿐만 아니라, 실험에서 임상 진출로 기술적 접근을 발전시키는 데 매우 중요합니다.

서론

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신경발달장애(NDD)는 전 세계적으로 3억 1,700만 명의 아동과 청소년에게 영향을 미칩니다. 이러한 질환에는 뇌성마비, 취약성 X 증후군, 앤젤만 증후군, 결절성 경화증 복합체 등이 포함될 수 있습니다. NDD는 여러 장기계에 영향을 미치는 다양한 장애군이지만, 간질, 자폐 스펙트럼 장애(ASD), 그리고/또는 지적 장애(ID)는 흔한 결과입니다. 실제로 한 연구에서는 케냐에서 간질과 인지, 시각, 청각, 운동 장애를 가진 아이들이 비 NDD 그룹1군에 비해 3배에서 4배 높은 비율로 사망했다고 보고했습니다.

2003년 인간 게놈 프로젝트의 완료로 NDD 연구에 패러다임 전환이 일어났습니다. 또한 GWAS를 통한 다유전자 위험 점수 정의와 DSM-5에 따른 "신경발달장애"의 특성화가 추가로 이루어졌습니다. NDD의 유전적 원인에 대한 이해에는 의미 있는 진전이 있지만, 특정 NDD에 대한 표적 치료는 거의 없으며, ASD 및/또는 ID와 관련된 질환 조절 치료법도 없습니다.

이 리뷰에서 설명한 유전자 편집, 전기생리학, 세포/분자 검사와 방법들은 NDD 연구의 최전선에 있습니다. 모든 검사법을 완전히 다루지는 않았지만, 이 방법들은 질병 조절 치료법을 식별하는 최첨단 접근법을 대표합니다. 예를 들어, Deubiquityating 효소(DUBs)는 단백질에서 유비퀴틴을 제거하는 효소 그룹입니다. DUB 내 돌연변이는 NDD와 연관되어 있기 때문에, 그 변형을 표적으로 삼는 것이 NDDs에 대한 잠재적 치료법이 될 수 있습니다 5,6. 더 나아가, GABAA 수용체 소단위와 같은 회로 수준 경로 및 기타 채널병증을 통해 간질, ASD, ID7과 관련된 질병 기전을 규명하기 위해 조사되고 있습니다. 또 다른 중요한 방법인 CRISPR/Cas 게놈 편집(그림 1)은 유전체를 직접 변형하여 새로운 실험 모델을 만들고 최근에는 희귀 유전 질환 8,9,10 치료에 사용되는 강력한 도구입니다. CRISPR 툴킷은 계속 확장되고 있으며, CRISPRi(CRISPR 간섭/억제), CRISPRa(CRISPR 활성화), 프라임 편집, 기본 편집 등 네 가지 접근법이 영향력 있는 연구와 임상 혁신으로 등장했습니다. 마지막으로, 이 글에서는 유도 다능성 줄기세포(iPSCs)의 사용에 대한 진전을 자세히 다룹니다. iPSC와 그 세포 유도 덕분에 연구자들은 환자 유래 세포 9,11,12를 사용하여 많은 NDD를 보다 정확하게 모델링할 수 있게 되었습니다. 특히, iPSCs에서 오르가노이드가 개발되면서 많은 NDDs의 발달 과정을 설치류 모델보다 인간 질병과 훨씬 더 관련성 있게 연구할 수 있게 되었다는 점이다 13,14.

이 간략한 리뷰에서는 위에서 소개한 기법들을 자세히 설명하고 확장합니다. 또한, 이러한 기법을 활용해 NDD, 현재 문헌의 공백, 미래 방향에 대한 더 깊은 통찰을 얻은 여러 최근 연구들도 논의됩니다.

리뷰 및 관점

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유도 다능성 줄기세포와 관련 실험 패러다임

유도 다능성 줄기세포는 NDD를 모델링하는 강력한 시스템으로 부상했습니다. 실제로 많은 발달 과정은 인간 뇌 발달 중에 관찰되는 것과 유사하며, 설치류 뇌 발달 중에는 일어나지 않는 iPSC 모델에서 일어납니다15. 따라서 연구자들은 2D 배양, 오가노이드, 어셈블로이드 등 줄기세포 모델을 다른 실험 방법과 결합하여NDDs 11, 13, 14, 16의 질병 메커니즘을 더 잘 이해하고 있습니다.

최근에는 다운증후군(DS)의 주요 특징인 태아 발달 중 신경 발생 장애를 모델링하는 데 어셈블로이드가 사용되었습니다16. DS hiPSC와 등유전자 유배체 hiPSC를 모두 사용하여 신경 발생이 유도되었고, 이후 뉴런으로 분화되었습니다. 85일 후에는 면역세포화학과 영상 촬영을 통해 세포 주기를 관찰하였습니다. 그들은 DS 신경 전구세포가 세포 주기를 벗어나지 않고 성숙한 신경세포로 분화하지 못했으며, 세포 주기 결함이 신경 발생기를 변화시켜 DS16에서 신경 발생을 저해한다는 사실을 발견했습니다.

많은 줄기세포 모델이 뉴런에 초점을 맞추고 있지만, 교세포를 포함한 다른 세포 유형도 NDD 병리학에서 중요한 역할을 합니다17. 최근 보고서는 교세포형성과 성상교세포가 취약한 X 증후군(FXS)에서 어떤 역할을 하는지에 초점을 맞췄습니다. hiPSCs를 이용해 성상교세포 전구세포를 배양하여 연약한 X 메신저 리보핵 단백질이 없는 전뇌 특이적 성상교세포로 분화했다11. 그들은 이 성상교세포들이 당분해 및 미토콘드리아 대사를 조절하지 못하고 있음을 관찰했습니다. 같은 연구팀의 이전 연구에서도 FXS11,18 환자에서 유래한 뉴런에서 활동 전위 발화를 조절하기 위해 적절한 미토콘드리아 기능이 필요하다는 점도 입증되었습니다. FXS에서 성상교세포 대사와 뉴런 발화가 어떻게 변화하는지에 대한 기전을 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하지만, 이 연구들은 성상교세포가 질병 병리를 유발할 수 있고 치료 표적이 될 수 있음을 보여줍니다.

게놈 편집

프란시스코 모히카는 1990년대 초 원핵생물의 적응 면역 체계인 CRISPR(클러스터드 규칙 간격 짧은 회문 반복)를 발견하며 유전체 편집의 기초를 마련했다. 이를 바탕으로 Jennifer Doudna와 Emmanuelle Charpentier는 CRISPR/Cas9라는 방법을 개척했는데, 이는 CRISPR와 Cas9 엔도뉴클레아제를 결합해 유전자를 선택적으로 분리하고 변화시키는 방법이다. 초기 CRISPR/Cas9 유전자 편집 연구가 발표된 직후, 연구자들은 CRISPR/Cas 시스템을 조작하여 새로운 유전체 정보를 밝히거나 유전자를 독특하게 편집하기 시작했습니다. 새로운 방법 중 하나는 CRISPRi로, 관심 있는 유전자를 침묵시키는 방법입니다21,22. 촉매적으로 비활성화된 Cas9 뉴클레아제를 cr-RNA와 tracr-RNA와 함께 사용함으로써, RNA 중합효소가 프로모터에 접근하는 것을 차단하여 특정 유전자 또는 유전자 집합에 대한 유전자 발현을 차단합니다22,23. CRISPRi 스크리닝은 NDD의 여러 위험 유전자를 식별하고, 해당 유전자의 기능 상실과 관련된 기능 변화를 확인하는 데 사용되었습니다. 예를 들어, 최근 iPSC 유래 조립체에서 425개의 NDD 유전자를 인터뉴런 발달에 미치는 영향을 분석한 CRISPRi 스크리닝에서 여러 후보 유전자의 상실이 세포골격 및 소포체 구조에 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌습니다24. 더 나아가 CRISPRi 스크리닝에서 ASD 위험 유전자인 ADNP의 상실이 시냅스의 미세아교세포 전치기 변화를 초래한다는 사실이 밝혀졌습니다25. 따라서 CRISPRi 스크리닝은 NDD에서 여러 수렴 및 발달 질환 기전을 밝혀냈습니다.

CRISPRi와 상호보완적으로 사용되는 도구는 유전자 발현을 증가시키는 데 사용됩니다. 이 기술은 촉매적으로 비활성화된 Cas9를 전사 활성화제와 결합시키며, 가이드 RNA에 의해 표적이 됩니다. CRISPRa는 ASD와 NDD 위험 유전자의 활성화가 질병 표현형을 어떻게 변화시킬 수 있는지 이해하는 데에도 활용되고 있습니다. NDD 표현형을 구하기 위해 CRISPRa를 사용한 연구는 드물지만, CRISPRa는 큰 치료 잠재력을 지닐 수 있습니다. 예를 들어, 최근 연구에서는 ITGB3 (ASD와 관련된 반수불부족성)의 활성화가 설치류의 네트워크 기능과 ASD 표현형을 구하는 것으로 나타났다23. 실제로 많은 NDD 유전자 변이체는 반수불부족으로 인해 질병을 유발하므로, CRISPRa가 영향을 받지 않은 대립유전자의 발현을 질병 변형 방식으로 증가시키는 데 사용될 가능성을 제기합니다.

염기 편집과 프라임 편집은 CRISPR 도구 상자 내에서 유전체 내 특정 뉴클레오타이드를 편집하는 정밀한 방법입니다. 두 사람 모두 CRISPR/Cas910,26과 같은 이중 가닥 절단(DSB) 대신 단일 가닥 DNA 절단을 수행합니다. 기본 편집은 표준 CRISPR/Cas9 편집보다 더 구체적이지만, 적응력이 떨어져 프라임 편집보다 번역 관련성이 낮습니다. 염기 편집의 효율성은 시토신을 티민 대신 또는 아데닌을 과닌으로 대체하여 점 돌연변이를 교정할 수 있다는 데 있습니다. 이 때문에 기본 편집은 가능한 돌연변이 유형에 제한이 있습니다. 따라서 유용하긴 하지만, 삽입이나 결실은 수행되지 않고 전이 돌연변이만 실행할 수있습니다. 하지만 프라임 편집은 다양한 응용 가능성을 가진 매우 유연한 유전체 편집 형태입니다. 프라임 편집은 프라임 편집 가이드 RNA(페그RNA)와 Cas9 니카아제를 역전사효소와 결합하여 단일 염기류의 삽입, 결실 또는 변화를 촉진합니다10. 안타깝게도 프라임 편집은 기술적으로 더 복잡하고 더 큰 유전자 변형을 수행할 수 있기 때문에, 기본 편집보다 효율이 떨어질 수 있습니다. 따라서 두 가지 모두 상호 보완적인 도구로 사용될 수 있으며, 신경발달장애의 유전체 편집에 유용합니다. 프라임 편집은 이미 희귀 유전 질환 환자 치료에 활용되었으며27, 아동 교대 편마비 설치류 모델에서 질병 표현형 회복에 가능성을 보였다28.

세포 및 분자 분석

NDD는 세포 기능에 다양한 방식으로 영향을 미치는 유전적 변이에 의해 발생합니다 29,30,31. NDD를 연구하는 이들이 직면한 주요 과제는 특정 환자 변이가 세포에 해로운 기능 변화를 일으키는지 여부를 어떻게 판단할 것인가 하는 점입니다. 따라서 특정 유전 변이가 질병을 유발하는지 양성인지 신속하고 정확하게 판단할 수 있는 검사법이 매우 필요합니다. 유망한 새로운 분석법으로는 유비퀴틴 절단 분석법 32가 있습니다. 탈유비퀴티화 효소(DUB)는 단백질에서 유비퀴틴을 제거하여 분해를 방지하는 효소군입니다. DUB는 NDD의 잠재적 치료법이자 원인입니다. 지금까지 12개의 DUBs에서 돌연변이가 NDD와 인과적으로 연관된 것으로 확인되었으며, 여기에는 하오-파운틴 증후군, 가짜 토치 증후군, 소두증-모세혈관 기형 증후군 등이포함됩니다. 특정 환자 변이가 질병을 유발하는지 여부를 판단하기 위해, 시험관 내 유비퀴틴 절단 분석은 DUB 효소 활성을 측정하여 돌연변이를 기능적으로 검증하는 금본위가 되었습니다. 이 방법은 유전자 변이가 DUBs에 미치는 영향을 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 최근 연구는 X-연관 지적 장애 105, DUB 유비퀴틴 특이적 프로테아제 27(USP27X)에서 돌연변이된 DUB에 초점을 맞췄습니다. 연구진은 재조합 USP27X의 발현 및 정제 방법과 시험관 내 유비퀴틴 사슬 절단 분석법을 성공적으로 입증했습니다. 이 접근법은 뉴런 내 단백질 교체를 조절하는 효소 활동을 규명할 수 있게 하여, 변화된 시냅스 가지치기, 신경발달 임계기,단백질 기능 등의 기전을 이해하는 데 중요할 수 있습니다. 흥미롭게도, DUB와 그 질병 내 역할에 관한 논문이 매우 부족해 이 검사의 적용 범위는 아직 검증되지 않았으며 추가 조사가 열려 있습니다.

많은 확산성 질환이 희귀 질환으로 분류되기 때문에, 임상 유전학적 변이 확인 시 해당 변이들에 대한 사전 임상 또는 기능 연구가 없어 유전자 변화를 '미지의 의미 변이'(VUS)로 자주 식별합니다. 따라서 VUS가 병원성인지 신속히 판단하는 검사는 NDD의 유전적 원인을 규명하는 데 매우 중요합니다. 한 예로는 GABAA 수용체의 변이가 있습니다. GABAA 수용체의 유전적 변이는 유전성 간질의 주요 원인이며, 많은 발작 유형과 발달성 간질성 뇌병증과 관련이 있습니다 7,35. 최근 연구에서는 GABAA 수용체 소단위를 조사하고 다중양식 접근법을 사용하여 변이들이 세포 내 기능 변화를 유발하는지 여부를 확인하려 시도했습니다. 실리코 검사를 통해 VUS를 확인하고 병원성 γ2 GABAA 소단위 변이를 예측하였습니다. 이후 변이체의 분자적 결과가 정의되었으며, 구조적, 물리화학적, 생물물리학적 마커가 포함되었습니다7. 각 영역은 문헌 분석, 실리코 모델링, 패치 클램프 전기생리학을 통해 정의되었습니다. 기준 영역이 선정된 후, 피라미드 신경 모델링을 사용해 GABAA 수용체 매개 억제의 효과를 검증하였습니다. 그들은 두 가지 ß3 소단위체 돌연변이(ß3N110D 및 ß3T288N)와 두 가지 γ2 소단위 돌연변이가 GABA 억제 7을 저해한다는 것을 관찰했다. 이 프로토콜은 다중 모달 접근법이 VUS의 병원성 판단에 종종 유용함을 보여줍니다. 고처리량은 아니지만, 이 접근법은 기능적으로 변이를 검증할 특정 검사가 없는 다른 NDD 관련 VUS(예: DUBs)에도 유용할 수 있습니다. 특히 전기생리학적 변화와 관련된 경우에는 더욱 그렇습니다.

새로운 접근법은 아니지만, 패치클램프 전기생리학은 뉴런의 전기적 특성을 이해하는 데 여전히 금본위로 자리 잡고 있으며, 따라서 유전적 변화가 뉴런의 기본 특성에 미치는 영향을 이해할 수 있습니다. NDD와 관련된 것은 채널 병변36. 채널병증에는 여러 유형이 있지만, SCN1A 변이체는 잘 연구되어 왔으며, 특히 파괴적인 발달성 간질성 뇌병증인 드라벳 증후군의 주요 원인입니다36. SCN1A 변종의 기능 검증은 자동 패치 클램프와 인실리코 시뮬레이션의 조합적 접근법을 통해 이루어졌습니다. 이 접근법을 활용해 연구자들은 여러 VU를 해명하고 뉴런의 기능적 변화를 바탕으로 유전자형-표현형 상관관계를 도출할 수 있었습니다37. 유사한 접근법을 사용한 별도의 연구에서는 iPSC 모델을 자동 패치클램프 전기생리학과 실리코 모델에서 사용하여 T형 칼슘 채널의 유전자 변이를 분류하였습니다38. Cav3.1을 다양한 뉴런에서 암호화하는 유전자인 CACNA1G에 초점을 맞추어, CACNA1G 18개의 Cav3.1 변이체를 만들어 일시적으로 뉴런으로 전환되었습니다. 이후 자동 패치클램프 녹음이 이루어졌고, 이어서 수동 패치클램프와 계산 접근법이 이어졌습니다. 그들은 자동 패치클램프와 수동 패치클램프가 유사한 결과를 낳았으며, 계산적 접근법이 특정 유전 변이에 의해 유발되는 기능 변화를 확인할 수 있음을 관찰했다38. 계산 모델은 유전자 변이의 기능적 결과를 비교적 빠르게 예측하는 방법을 제공하지만, 전기생리학적 접근법은 여전히 시간이 많이 소요되고 고도로 전문화된 기술이 필요해 다수의 변이를 검증할 때 이러한 접근법의 유용성이 제한됩니다.

다중 전극 배열(MEA)은 소규모 그룹 주변이나 대규모 세포 네트워크 전반의 전기 활동을 측정하는 데 사용됩니다. 이 방법은 다세포 모델에 중점을 둔 반면, 패치클램프는 단일 채널 또는 세포39,40에 초점을 맞춘다는 점에서 패치클램프 전기생리학과 다릅니다. 이로 인해 MEA는 서로 다른 뇌 영역이 어떻게 상호작용하는지에 대한 통찰을 제공하며, 네트워크 규모에서 질병을 연구하는 데 활용될 수 있습니다. 많은 연구들이 간질과 ASD의 실험 모델을 조사하기 위해 MEA를 사용해 왔습니다14,39. MEA의 핵심 특징 중 하나는 다양한 유형의 신경세포(예: 글루타마이트성 뉴런, GABA성 중간뉴런, 전구세포, 교세포)가 상호작용하는 방식을 규명할 수 있다는 점입니다14. 이로 인해 MEA는 뇌 집합체를 연구하는 데 매우 적합한 방법입니다. Pan 등이 수행한 한 연구에서는 이 방법을 이용해 신경망 발달을 연구했습니다. 저자들은 포피 섬유아세포에서 추출한 인간 다능성 줄기세포(hPSC)를사용했으며, 이 세포는 먼저 바이러스로 표지한 후 배양하여 조립체를 생성했습니다. 그 후 조립체들은 MEA 판에 부착되어14개를 기록했습니다. 중요한 점은, 어셈블로이드를 안정화, 기록, 약 50일간 약리학적 실험에 적용할 수 있기 때문에, 이 패러다임은 NDD와 관련된 간질 치료제를 분석하는 데 활용될 수 있다는 것입니다. 실제로 이 접근법은 신경세포의 네트워크 특성 변화가 알려져 있거나 의심되는 모든 NDD를 분석하는 데 사용할 수 있습니다14.

결론

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신경성 장애는 파괴적인 장애가 될 수 있으며, 표적화된 치료법이 거의 없으며 완치법도 없습니다. 실제로 대부분의 치료법은 질병 증상 관리(예: 간질 항경련제)를 목표로 합니다. 그러나 최근 기술의 발전으로 인해 새로운 유전자 편집 기법, 검사법, 모델 시스템이 등장하여 과학자들이 자연 질환의  근본 원인을 조사할 수 있게 되었습니다(그림 1). 이 리뷰는 NDD 및 관련 병리에 대한 새로운 치료법을 찾기 위한 노력의 선두에 있는 일부 접근법을 상세히 다루었습니다. 유전자 편집 기술은 연구자들이 돌연변이를 직접 표적으로 삼아 질병 기전을 더 잘 이해하고 정밀 유전자 치료로 환자를 치료할 수 있게 할 것입니다. 새로운 분석법은 유전 변이의 신속한 기능 분류를 가능하게 하며, 줄기세포 모델은 과학자들이 NDD를 유발하는 초기 발달 메커니즘을 이해하고 새로운 치료법을 시험할 수 있게 할 것입니다. 이 리뷰에서 다룬 기법들은 NDD 기전을 더 깊이 이해하고 이를 치료하기 위한 새로운 임상 접근법을 개발하는 데 있어 향후 연구의 기초가 됩니다. 이 분야가 계속 발전함에 따라, 향후 연구들은 산전 검사, 태아 치료, 고함량 영상, 약물유전체학 기법과 같은 기법을 이 리뷰에서 자세히 설명한 기법들과 통합되어야 합니다.

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그림 1: 기술적 접근법의 주요 강점과 약점 요약. 기사에서 자세히 설명하고 동반 방법 모음집에 소개된 방법들을 요약하여 요약합니다. 각 기술마다 주요 강점과 약점이 상세히 나와 있습니다. 각 기법에 대한 주요 참고문헌은 메서드 열에 제공되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

공개 사항

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저자들은 이해 상충을 선언할 필요가 없습니다.

감사의 글

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자금은 NIH NINDS가 PHI에 RO1NS131223 제공했습니다. 그림 1은 BioRender를 사용해 작성되었습니다.

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