Dyskeratosis Congenita (DC)는 telomerase complex에 중요한 기능을 하는 TERT, TERC, DKC1 및 TINF2 유전자의 유전 변이로 발생하는 희귀 유전질환 입니다. 따라서, 상기 유전자들의 유전변이로 염색체의 telomerase 기능에 영향을 주어, 본 유전질환은 일차적으로 telomere shortening을 유발하고, 짧아진 telomere에 기인하여 체내 stem cell compartments에 영향을 주어, bone marrow, skin 및 gastrointestinal organ등 다양한 체내 기관에 질병을 보입니다.

DC 환자의 증상 중 가장 대표적인 증상은 bone marrow disease로 현재의 DC 환자의 치료법 연구 또한 bone marrow disease에 집중되어 있으며, 알려진 치료법 역시 bone marrow transplantation이 유일한 방법입니다. 하지만, bone marrow transplantation은 DC 환자에 대한 생명 연장을 위한 일시적인 치료법 일뿐, 실질적으로 원인을 해결하지 못함으로, 질병의 원인을 해결하거나 다른 체내 기관들의 결함을 치료하지 않은 상태에서는 근본적인 치료법을 제공할 수는 없다고 사료됩니다.

DC 환자의 다양한 증상들 중, 소화계 관련 질환의 경우를 살펴보더라도 Johns Hopkins의 Telomere Syndrome Registry에 등록된 환자들 중 16%의 환자가 심각한 gastrointestinal (GI) disese를 보이고 DC 환자에 대한 GI disease에 관한 많은 수의 clinical reports가 있음에도 불구하고, DC 환자의 GI disease에 관한 연구는 전무한 실정입니다.

이에 본 연구를 진행한 실험실에서는 DC 환자의 GI disease 중 intestinal organ에 집중하여, DC 유전변이로 인한 telomere shortening이 장 세포 분화에 미치는 영향을 human model에서 확인하고, telomere shortening이 장 세포 발달에 결함을 일으키는 mechanism을 발굴하며, 궁극적으로는 DC 환자의 장 발달 결함을 해결할 수 있는 치료제를 제시하기 위하여 연구를 시작하였습니다.

본 연구의 결과를 간략하게 소개 드리면, 우선적으로 human DC model을 in vitro에서 확립하기 위해, DC 환자에서 가장 높은 빈도수로 유전 변이가 발생하는 X-linked gene인 DKC1 유전자에 변이가 발생된 DC 환자 fibroblasts로부터 iPS cells을 확립하였고, 유전자 편집 기술인 CRISPR/Cas9 system을 이용하여, DKC1 mutation이 치료된 iPS cells를 확립하였습니다. 이와 동시에 정상 iPS cells에 DC iPS cells와 동일한 변이를 도입하여, DC iPS, DC corrected iPS, Wildtype iPS, 및 DC introduced iPS의 isogenic iPS cell pairs를 확립하였습니다 (그림1).

이후, 확립된 isogenic DC iPS cell lines를 intestinal organoids로 유도 분화 후, CRISPR/Cas9 system에 의한 DC mutation 치료는 DC iPS cells의 장 세포 분화 능을 회복시키고, telomere 길이도 증가시킴을 확인하였고, 동시에 DC 유전변이를 정상 iPS cells에 도입 했을 시에는 장 세포 분화에 결함이 생기고, telomere 길이 역시 줄어든 것을 확인하였습니다 (그림 2).



뿐만 아니라, isogenic DC iPS cell lines로부터 유도 분화된 intestinal organoids의 분석 결과, DC organoids 및 DC mutation introduced organoids는 mutation이 치료된 organoids 및 wildtype organoids에 비해 intestinal stem cell gene signature가 감소됨을 확인 하였고, 더욱이, WNT signaling target genes의 발현이 감소되어있어, telomere shortening에 기이한 intestinal defects가 WNT signaling과 밀접한 연관이 있음을 확인하였습니다. 이 후, 최종적으로 DC organoids를 실험 동물에 이식 후, 임상적으로 사용되고 있는 WNT agonist인 Lithium salt가 in vivo에서 DC iPS cells의 장 발달을 증진 시킬 수 있음을 확인 (그림 3)하여, DC 환자의 장 발달 결함을 치료하는데 있어 새로운 후보 물질을 제시하였습니다.



본 연구는 DC 환자의 intestinal defect의 개선 효과에 집중되어있지만, 향 후 bone marrow disease를 포함한 DC 환자의 다양한 증상에서의 개선 효과를 검증하기 위해 진행되고 있으며, 본 human DC model을 이용하여, 다양한 WNT agonists들에 대한 DC 증상 완화 효과 검증을 위한 대량 screening 시스템 구축을 위한 계획 중에 있습니다.

본 연구를 진행한 Dr. Lengner의 실험실은 주로 mouse models를 이용하여 소장 (small intestine) 및 대장 (colon) 재생에서의 줄기세포의 역할 규명 연구를 하는 실험실로, 실험실의 역사는 그리 길지 않지만, 최근 몇 년간 장내 줄기세포의 특성 및 재생에서의 역할 규명에 따른 좋은 연구 실적 (Gastroenterology 151:298-310, Cell Reports 15:247-255, Nature Communication 22;7:10739 등) 을 많이 내고 있는 실험실 입니다. 뿐만 아니라, Dr. Lengner는 University of Pennsylvania의 다 수의 줄기세포 및 장 재생 연구 기관들 (Institute for Regenerative Medicine 등)에서 중추적인 역할을 하시는 연구자로 향후 University of Pennsylvania이 줄기세포 및 장 재생 연구를 선도하실 교수님으로써, 매우 비전이 높은 연구기관입니다. (참조, Lengner lab 홈페이지: http://www.vet.upenn.edu/research/research-laboratories/research-laboratory/lengner-laboratory)

저는 2011년 11월부터 약 2년간 Cleveland Clinic에서 Postdoc과정을 보낸 후, Lengner lab에는 2013년 10월부터 합류 하여 3년 간 연구를 진행하였습니다. Lengner lab에서의 주 연구 주제는 CRISPR/Cas9 system을 이용한 각종 줄기세포의 gene targeting 연구를 진행하였으며, 줄기세포와 유전자 편집 기술을 접목하여, transgenic mouse model 확립 및 인간 질병 모델 확립에 관한 연구를 진행하였고, 대표적인 성과로는 본 논문에 소개된 human DC model 확립을 통한 DC 유전병 환자의 장 질환 치료제 후보 물질 제시 입니다. 이 후, 저는 한국으로 돌아와 다국적 줄기세포 회사를 모토로 한 NEXEL Co., Ltd의 연구소장 겸 기술이사로 2016년 9월부터 재직 중에 있습니다.