커지는 심장! 내가 막아주마.

커지는 심장! 내가 막아주마.

요몇일 잡생각에 연구도 집중이 안되었는데.. 오늘은 유난히 일이 손에 잡히질 않았습니다. 동기부여를 위해 2016년을 시작하면서 꼭 해내리라!!  다짐한 여러가지 목표를 생각해 보았습니다.  그중에서 가장 어려워 보이는.. 목표인 “진행중인 프로젝트와 전혀 관련 없는 최신 논문 읽기. (2-3 papers/week)” 라는 목표가 있더군요.. 역시나 2016년 한달이 지난 지금..흐엉..  더 분발해야겠다능..

그래서 오늘 논문을 살펴보았습니다. 읽다보니 진행하고 있는 프로젝트와 전혀 연관성이 없는 것은 아니었습니다. 접근법도 다르고 결과도 다르지만, 그래도 결국 비슷한 심장질환에 관련된 논문이었습니다.

Peoples

지난번에 Eric N. Olson 그룹에서 나온 science 논문을 review 했었는데, 오늘은 Harvard Medical School (Departments of Genetics)에 계시는 Christine E. Seidman 그룹에서 나온 science 논문입니다.

Christine Seidman, M.D. Professor/P.I. (cseidman@genetics.med.harvard.edu)

Seidman님은 Hypertrophic cardiomyopathy (HCM, 비후성 심근변증), Dilated cardiomyopathy (DCM, 확장성 심근병증)이라고 조금만 구글링만 하다보면 금방 찾을 수 있는 대가이십니다. 특히 TBX5, NKX2.5라는 Transcription factor 에서 돌연변이가 생기면 선천성 심장 결손 (congenital heart defects (CHD))이 생긴다는 것을 발견하신.. 정말 ㅎㄷㄷ하신 분이셨습니다. 연구실 홈페이지에 들어가보면 Jonathan Seidman 교수님도 같이 나오시는데.. 부부 이신 것 같음.

Jonathan Seidman, Ph.D. Professor/P.I. (seidman@genetics.med.harvard.edu)

Seidman Lab의 연구분야는,

  • 심장질환의 genetic etiologies를 찾고, myocyte의 생물학적 매커니즘을 파서!!!!! 새로운 치료법을 찾고자.. 노력하시는 대가이십니다. HCM와 DCM에 관련된 많은 논문들을 내셨더군요.

Diseases

이번주 science에 발표된 논문은 HCM에 관련된 내용인데, HCM는 고혈압이나 대동맥협착과 같은 factor 없이 심장의 좌심실벽이 두꺼워지는 유전질환으로, 보통 성인 500명당 1명에서 발견된다고 합니다. 정상보다 비대해진 심장은 결국 “hyperdynamic한 수축과 비정상적인 relaxation”을 주게 되고, 결국 stroke, heart failure 등으로 인해 사망에 이르게 하는.. 무서운 질병입니다.

Hypertrophic cardiomyopathy from Mayo Clinic

그리고 논문 서두에 보면 현재까지는, HCM을 치료하고자 하는 drug들은  beta-adrenergic receptor 나  calcium channel을 non-specific하게 target 한다고 합니다. 비록 비정상적으로 activation 되어있는 heart에 잠깐의 relief 효과를 줄수는 있지만, 전체적인 disease progression을 막을 수는 없다고 합니다. 이런말을 하는 것을 보면 자신들이 발견한 것은 가능하다는 것을…보여주기 위함?!

현재까지 HCM과 연관되어 가장 많이 알려진 유전자는 아래 2개로 알려져 있습니다.

  • MYH7 (beta-cardiac myosin heavy chain): 대부분의 missense 돌연변이가 MYH7 단백질의 globular motor domain, head-rod junction region, rod domain에 위치하고 있다고 합니다.
  • MYBPC3 (myosin-binding protein C): MYH7과는 다르게 MYBPC3의 돌연변이는 보통 truncated protein을 만드는 nonsense 돌연변이가 많다고 합니다.

Introduction: 마우스 모델과 중요한 단서들.

  1. HCM mouse 모델
    • mouse model에서는 alpha-cardiac myosin heavy chain gene 에 돌연변이가 있는 TG를 사용하였습니다. 앞서 말씀드린, Human에서 많이 발견되는 beta 형태와는 다르기는 하지만, 92% 정도 동일한 단백질이고 adult mouse의 좌심실에서 predominant하게 발현된다고 합니다.
    • 무엇보다 R403Q, R453C, R719W의 3가지 돌연변이를 가진 mouse는 사람의 HCM heart와 morphologic, functional feature가 동일하다고 합니다.
  2. 중요한 단서
    • 이전의 여러 연구에서 HCM mouse 모델 샘플, 사람의 HCM 샘플과 in vitro level에서 돌연변이를 발현시켜 보면,
      1. ATPase activity 증가.
      2. tension development 증가.
      3. unloaded actin-filament sliding velocities 증가.
    • 아마도 이것은 앞서 말씀드린 hyperdynamic하게 나타나는 HCM 환자의 심장 모습을 분자적으로 설명해주는 단서이겠죠.
    • 이외에도,
      1. profibrotic 유전자의 발현 증가.
      2. extracellular matrix 단백질 증가.
      3. 돌연변이 근절의 hyperdynamic biochemical properties 증가.
    • 전체적으로 hyperdynamic한 모습을 보이는데, 어떤 몇몇의 환자에게서는 아마 다른 돌연변이를 가진 위의 여러가지 분자적인 phenotype이 오히려 감소하기도 한다고 합니다. 결국 돌연변이별로 phenotype이 다르게 나타내는 것.
  3. 중요한 질문: ” HCM 환자에게서 발견되는 돌연변이가 분자적으로 sarcomere power output을 일으키는가?”
    • 이 질문에 답하기 위해 시도한 것이 “discovery small molecule” 이었습니다.
    • 즉, HCM이 발병하는 primary defect가 과도한 sacomere power에서 오는 것이라면, 그 power를 특이적으로 억제시켜줄 무언가 (small molecule)를 찾는다면 커져버리는 심장, 세포적인 불균형, myocardial fibrosis등을 회복시킬수 있지 않을까? 라는 가설을 세운 것입니다. 대단해..
  4. 이러한 sarcomere의 power output은 어디서 오는 것인가?
    • Myosin heads along with Actin filaments

    • sacomere의 전체적인 power output은 작은 myosin head (녹색)가 actin filament(보라색)를 따라 움직이는 속도에 따라 만들어지는 힘이 합쳐져서 나타나게 되는데, 어떤 “무언가”가 이러한 ensemble force의 생성을 억제하여 주기를 기대하였습니다. 그리고 여기서 중요한 역할을 하는 것이 그림에는 보이지 않지만, ATP >> ADP 작업을 수행해주는 “ATPase”입니다.
  5. Chemical screening과 그 “무엇”.
    • 앞서 말씀드린 myosin ATPase의 total cycle time이 늘어나면 전체적인 power가 줄어드는 현상을 이용하여 in vitro level에서 myosin ATPase의 maximal total cycle time을 늘려줄 그 “무언가”를 찾고자 하였습니다.
    • 바로 “무엇”은 MYK-461라는 chemical 이었습니다.
    • MYK-461을 구글링을 해보니, MyoKardia라는 심혈관 질환 전문 제약회사에서 만든 agent였습니다. 이미 2015년 3월에 clinical trial phase1을 시작한다고 발표했었네요 (관련기사).
    • MyoKardia 라는 제약회사의 founder를 찾아보니 역시나 Seidman 교수님을 비롯 네분이 계셨습니다. 그중에서 Seidman 교수님의 남편 교수님도..ㅎㅎ 어딜가나 항상 같이 나오심.

자, 이제 MYK-461 좀 써볼까?

여기서 부터는 아주 명확해 집니다. 결국 모든 내용이 hypertrophic한 심장을 MYK-461이 잘 고쳐주더라.. 라는 내용입니다.

  1. In vitro level test:
    • Mouse 심장 myofibrils를 떼어내어 MYK-461을 쳐봤더니 ATPase rate가 최고 90% 정도까지 떨어져서 ATPase의 cycle time을 조절할 수 있음을 확인하였고.
    • Adult rat 심장의 muscle fibers를 떼어내어 MYK-461을 쳐봤더니 근육의 tension level도 70%정도 까지 떨어졌습니다.
  2. In vivo level test:
    • mouse age 6-15 weeks :
      • 정상쥐와 각각의 R403Q, R453C, R719W 돌연변이를 가진 HCM 모델 쥐에 MYK-461을 하루에 2.5mg/kg 정도로 물에 타서 먹여보고, 2-4주 간격으로 심실 크기, 작아지는 크기 등을 살펴보았습니다.
      • 정상쥐와 HCM 모델 쥐 모두 심장 근육이 작아지는 모습을 보였습니다.
      • 논문을 읽으면서 들었던 생각이 “MYK-461이 skeletal 근육세포 말고 심장 근육에만 특이적으로 작용하는가?” 였습니다. 역시나 적은 affinity로 skeletal 근육세포에도 영향을 주긴 했지만,  grip strength, voluntary exercise capacity 에는 문제가 없었다고 하니 부작용도 그렇게 커보이진 않습니다.
    • mouse age 8-15 weeks :
      • 좀더 나이가 든 pre-hypertrophic HCM 모델 mouse를 사용하여 확인해 보니, LVWT (Left Ventricle Wall Thickness; 좌심실 두께)가 줄어든 것을 확인했습니다.
    • mouse age 30-35 weeks:
      • 이제 진짜 pathologic model 에서도 MYK-461이 회복을 시켜줄지.. 테스트하는 중요한 실험인데 심장이 확실히 예전 모습으로 돌아가는 것을 보여주었습니다. Figure를 보면 MYK-461을 친것은 방향성을 가지고 정렬된 모습을 보이지만, 약을 치지 않은 샘플에서는 어지럽게 깨져있는 모습을 보였습니다.
      • 이런 저런 실험중에 중요한 실험이 있었는데, ‘Hypertrophic한 증상이 나타난 후에 MYK-461을 주면 fibrosis가 그렇게 줄어들지 않았다는 것’입니다. 이건 아무래도 당연한 듯 하지만 hypertrophy 증상이 시작되기 전에 약을 투여한다는 것을 의미하는 것 같다고 논문에서 이야기합니다.

MYK-461, 누구랑 같이 움직임?

이제 MYK-461 어느정도 hypertrophic phenotype을 줄여주는 것을 이렇게 저렇게 확인을 했는데.. “어떤 유전자의 발현을 조절해서 이렇게 대단한거니? ” 이 질문에 답하기 위해 개인적인 생각으로 왜 RNA-seq을 안했을까..? 라는 생각이 들지만. R403Q, R453C 돌연변이를 가지고 있는 mouse와 WT에서 expression이 중요하게 차이가 나는 200개 유전자만 보았다고 합니다. 근데 뭐. 그렇게 꼭 집어서 뭐가 중요하다고 이야기 하지는 않는 것 같습니다. 사실 자세히 안읽어 봄.ㅎㅎ

Final summary

  1. 이미 우리는 clinical trial phaseI 을 진행하고 있는 MYC-461이라는 것을 개발했어.
  2. 그리고 돌연변이로 인해서 cardiac hypertrophy를 가진 mouse 모델에서 잘 적용되는 것을 확인했어.
  3. 좀만 기달려. 이제 금방 HCM을 정복할 수 있을거야.

최근에 Stanford에서 강연을 하신 Seidman 교수님의 영상이 Youtube에도 올라와 있습니다. 이번 science에 발표한 논문 내용도 마지막에 잘 정리해줍니다.ㅎ

A small-molecule inhibitor of sarcomere contractility suppresses hypertrophic cardiomyopathy in mice. Science  05 Feb 2016: Vol. 351, Issue 6273, pp. 617-621 DOI: 10.1126/science.aad3456 [link]
Advertisements