KR102217261B1 - Composition for preventing or treating spinal muscular atrophy - Google Patents
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Abstract
본 발명은 척수성 근위축증 예방 또는 치료용 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SMN2의 스플라이싱 결함을 교정하여 SMN 단백질의 발현을 증가시켜 척수성 근위축증 예방 또는 치료 효과를 나타내는 화합물의 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 화학식 1로 표현되는 리고세르팁은 SMN2 pre-mRNA의 스플라이싱 결함을 교정하는 효과를 나타내어 SMN 단백질의 발현을 증가시키며, 질병과 관련된 비정상적인 병변을 개선하는 효과를 나타내어 척수성 근위축증을 비롯한 신경근육질환 치료제 개발에 매우 유용하게 활용될 수 있다. The present invention relates to a composition for preventing or treating spinal muscular dystrophy, and more particularly, to a use of a compound showing an effect of preventing or treating spinal muscular atrophy by increasing the expression of SMN protein by correcting the splicing defect of SMN2. .
According to the present invention, Rigosertip represented by Chemical Formula 1 exhibits an effect of correcting splicing defects of SMN2 pre-mRNA, thereby increasing the expression of SMN protein, and exhibiting the effect of improving abnormal lesions related to disease It can be very usefully used in the development of therapeutic agents for neuromuscular diseases including muscular dystrophy.
Description
본 발명은 척수성 근위축증 예방 또는 치료용 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SMN2의 스플라이싱 결함을 교정하여 SMN 단백질의 발현을 증가시켜 척수성 근위축증 예방 또는 치료 효과를 나타내는 화합물의 용도에 관한 것이다. The present invention relates to a composition for preventing or treating spinal muscular dystrophy, and more particularly, to a use of a compound showing an effect of preventing or treating spinal muscular atrophy by increasing the expression of SMN protein by correcting the splicing defect of SMN2. .
척수성 근위축증(Spinal Muscular Atrophy, SMA)은 대표적인 신경근육질환으로서 희귀병으로 분류되지만, 신생아 6,000명에 1명꼴로 발병하여 그 발병빈도가 높고 유전병에 의한 영유아 사망률 1위를 보이는 치명적인 유전질환이다. 비슷한 신경근육질환 중에 일반인에게 좀 더 익숙한 루게릭병(Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS)이 있는데, 루게릭병이 주로 성인에게 증상이 나타나기 시작하는 것과는 달리, 척수성 근위축증은 영유아부터 증상을 보여서 더 심각한 질병으로 간주된다. Spinal Muscular Atrophy (SMA) is a typical neuromuscular disease and is classified as a rare disease, but it is a fatal genetic disease that has a high incidence and the
SMA 환자는 척수에 있는 motor neuron을 서서히 잃게 되면서 운동근육으로 정상적인 신호가 전달되지 못하고, 결국 근육이 점차 위축되고 퇴화되는 증상을 보인다. 증상 정도에 따라 크게 4단계(I, II, III, IV)로 분류되고, 가장 심한 SMA type I의 경우 보통 태어난지 6개월 이내에 발병하고, 생후 2년내에 사망한다.SMA patients gradually lose the motor neuron in the spinal cord, so that normal signals cannot be transmitted to the motor muscles, and eventually the muscles gradually atrophy and degenerate. It is classified into 4 stages (I, II, III, IV) depending on the severity of symptoms, and the most severe SMA type I usually develops within 6 months of birth and dies within 2 years of birth.
인간에게는 특이하게 2개의 SMN(Survival of Motor Neuron) 유전자인 SMN1과 SMN2가 존재하는데, 대부분의 SMA 환자는(96%) SMN1이 결손되어 있고 SMN2를 통해서만 단백질이 발현된다. 그러나, SMN2 유전자에서 전사되는 80% 이상의 대부분의 mRNA는 splicing의 결함으로 인해서 exon 7이 결핍된 형태로 만들어지고, 그 산물인 단백질은 정상적인 SMN과는 달리 C-말단이 짧아진 SMNΔ 7의 형태를 가지는데 대단히 불안정해서 세포 내에서 쉽게 분해되고, 결국 SMA 환자에서는 SMN2 유전자로부터 발현되는 소량의(정상인의 20%) 정상적인 full-length SMN (전장 SMN, FL-SMN) 단백질만이 존재하게 된다. In humans, there are two SMN (Survival of Motor Neuron) genes, SMN1 and SMN2. Most SMA patients (96%) lack SMN1, and proteins are expressed only through SMN2. However, most of the mRNAs over 80% transcribed from the SMN2 gene are made in a form deficient in
SMN 단백질의 양과 SMA 질병의 증상 사이에는 뚜렷한 역상관관계가 존재한다. 실제로 SMA 환자는 각자가 다른 SMN2의 사본수(copy number)를 가지는데, SMN2의 사본수가 증가함에 따라 SMN의 발현양이 증가되면서 증상이 완화되므로, 가장 확실한 SMA 치료접근법은 환자세포에 남아있는 backup 유전자인 SMN2에서 발현되는 SMN 단백질의 양을 증가시키는 것이다.There is a clear inverse correlation between the amount of SMN protein and the symptoms of SMA disease. In fact, each SMA patient has a different copy number of SMN2, and as the number of copies of SMN2 increases, the amount of SMN expression increases and symptoms are alleviated. Therefore, the most reliable SMA treatment approach is the backup remaining in patient cells. It increases the amount of SMN protein expressed in the gene SMN2.
따라서, SMA 환자의 SMN2 유전자로부터 발현되는 단백질의 양을 증가시키기 위하여 SMN2 유전자의 전사활성 증가, SMN2의 splicing 결함(exon7 skipping) 교정, 단백질 분해 억제 등 다양한 치료적 접근이 있을 수 있지만 스플라이싱 결함이 단백질 감소의 직접적인 원인이라는 점에서 주 표적이 되고 있다. Therefore, in order to increase the amount of protein expressed from the SMN2 gene of SMA patients, there may be various therapeutic approaches such as increasing the transcriptional activity of the SMN2 gene, correcting the splicing defect (exon7 skipping) of SMN2, and inhibiting proteolysis, but splicing defects. It is a major target in that it is a direct cause of this protein decline.
그동안 Biogen, Norvatis, Roche, Trophos를 비롯한 많은 다국적 제약사들이 척수성 근위축증의 치료제를 개발하기 위해 다양한 접근법의 노력을 해왔고, 최근 2016년 말 Biogen이 개발한 올리고뉴클레오티드 방식의 SMN2 스플라이싱 개선약물 SPINRAZA가 최초의 신약으로 미국 FDA 승인을 받아 현재 환자들에게 투약되고 있다. 하지만 SPINRAZA는 임상 효능이 극히 제한적이고, 생후 6개월도 안된 영유아에 척수강주사라는 매우 침습적인 방식으로 약물을 투여하고, 최초 1년에 6차례를 투약하는데, 1회 약가가 1억 5천만원에 육박해 환자에게 매우 비현실적인 치료제라는 한계점이 있다. 이에 임상 효능이 개선되고, 투여방식이 비침습적이면서, 약가가 보다 현실적인 대체 약물의 개발이 시급한 상황이고, 저분자 약물이 가장 적절한 대안으로 관심을 받고 있다.Many multinational pharmaceutical companies, including Biogen, Norvatis, Roche, and Trophos, have tried various approaches to develop a treatment for spinal muscular dystrophy, and SPINRAZA, an oligonucleotide-based SMN2 splicing improvement drug, recently developed by Biogen at the end of 2016. As the first new drug, it was approved by the US FDA and is currently being administered to patients. However, SPINRAZA has very limited clinical efficacy, and is administered to infants under 6 months of age in a very invasive manner called spinal cord injection, and is administered 6 times a year, and the drug price is close to 150 million won. There is a limitation of being a very unrealistic treatment for patients. Accordingly, there is an urgent need to develop alternative drugs with improved clinical efficacy, non-invasive administration, and more realistic drug prices, and low-molecular drugs are drawing attention as the most appropriate alternative.
이에, 본 발명자들은 SMN2 pre-mRNA의 선택적 스플라이싱 조절을 통하여 척수성 근위축증을 예방 또는 치료할 수 있는 신규 물질을 개발하고자 예의 연구를 거듭한 결과, 화학식 1로 표시되는 리고세르팁(rigosertib)이 SMN2 pre-mRNA의 선택적 스플라이싱 시 엑손 7 포함 형의 mRNA 생성 및 SMN 단백질의 발현을 현저히 증가시킴을 확인하여 척수성 근위축증의 병변을 완화할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the inventors of the present invention have conducted extensive research to develop a novel substance capable of preventing or treating spinal muscular dystrophy through selective splicing control of SMN2 pre-mRNA. As a result, Rigosertib represented by
따라서, 본 발명의 목적은 하기 화학식 1의 화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 유효성분으로 포함하는 신경근육질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a pharmaceutical composition for the prevention or treatment of neuromuscular diseases comprising the compound of Formula 1 or a pharmaceutically acceptable salt thereof as an active ingredient.
[화학식 1][Formula 1]
본 발명의 다른 목적은 하기 화학식 1의 화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 유효성분으로 포함하는 신경근육질환의 예방 또는 개선용 식품 조성물을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a food composition for preventing or improving neuromuscular diseases comprising the compound of Formula 1 or a pharmaceutically acceptable salt thereof as an active ingredient.
[화학식 1][Formula 1]
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하기 화학식 1의 화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 유효성분으로 포함하는 신경근육질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object of the present invention, the present invention provides a pharmaceutical composition for the prevention or treatment of neuromuscular diseases comprising the compound of Formula 1 or a pharmaceutically acceptable salt thereof as an active ingredient.
[화학식 1][Formula 1]
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하기 화학식 1의 화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 유효성분으로 포함하는 신경근육질환의 예방 또는 개선용 식품 조성물을 제공한다. In order to achieve another object of the present invention, the present invention provides a food composition for preventing or improving neuromuscular diseases comprising the compound of Formula 1 or a pharmaceutically acceptable salt thereof as an active ingredient.
[화학식 1][Formula 1]
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 하기 화학식 1의 화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 유효성분으로 포함하는 신경근육질환의 예방 또는 치료용 약학적 조성물을 제공한다.The present invention provides a pharmaceutical composition for the prevention or treatment of neuromuscular diseases comprising the compound of Formula 1 or a pharmaceutically acceptable salt thereof as an active ingredient.
[화학식 1][Formula 1]
척수성 근위축증(SMA)은 SMN1 유전자의 결실이나 돌연변이에 의해서 기능성 SMN 단백질의 생성이 부족함으로써 발생하는 유전 질환으로 알려져 있다. 인간에게는 특이하게 2개의 SMN(Survival of Motor Neuron) 유전자인 SMN1과 SMN2가 존재하는데, 대부분의 SMA 환자는(96%) SMN1이 결손되어 있고 SMN2를 통해서만 단백질이 발현된다. 그러나, SMN2 유전자에서 전사되는 80% 이상의 대부분의 mRNA는 splicing의 결함으로 인해서 exon 7이 결핍된 형태로 만들어지고, 그 산물인 단백질은 정상적인 SMN과는 달리 C-말단이 짧아진 SMNΔ 7의 형태를 가지는데 대단히 불안정해서 세포 내에서 쉽게 분해되고, 결국 SMA 환자에서는 SMN2 유전자로부터 발현되는 소량의(정상인의 20%) 정상적인 SMN 단백질만이 존재하게 된다. Spinal muscular dystrophy (SMA) is known as a genetic disease caused by insufficient production of functional SMN proteins due to deletion or mutation of the SMN1 gene. In humans, there are two SMN (Survival of Motor Neuron) genes, SMN1 and SMN2. Most SMA patients (96%) lack SMN1, and proteins are expressed only through SMN2. However, most of the mRNAs over 80% transcribed from the SMN2 gene are made in a form deficient in
이에, 본 발명자들은 SMN2 pre-mRNA의 선택적 스플라이싱 조절을 통하여 신경근육질환의 예방 또는 치료효과를 나타내는 물질을 탐색하고자 수십 종의 저분자 화합물을 스크리닝하였다. 그 결과, 상기 화학식 1의 구조로 표시되는 리고세르팁(rigsertib)이 SMN2 pre-mRNA의 선택적 스플라이싱 시 엑손 7 포함 형의 mRNA 생성을 증가시켜 기능성 SMN 단백질의 발현을 증가시키는 것으로 확인되었다. Accordingly, the present inventors screened dozens of low-molecular compounds in order to search for substances exhibiting the effect of preventing or treating neuromuscular diseases through selective splicing control of SMN2 pre-mRNA. As a result, it was confirmed that rigsertib represented by the structure of Formula 1 increased the expression of the functional SMN protein by increasing the production of exon 7-containing mRNA when selectively splicing SMN2 pre-mRNA.
특히, 상기 화학식 1의 화합물이 나타내는 SMN2 스플라이싱 조절자로서의 역할은 기존에 잘 알려진 리고세르팁의 PLK 저해 효능과는 상관없이 일어난다. 또한 상기 화학식 1의 화합물은 SMN2 스플라이싱 외에 SMN2의 전사 또는 SMN 단백질의 안정성에 전혀 작용하지 않는 것이 확인된 바 있다. In particular, the role of the compound of Formula 1 as an SMN2 splicing modulator occurs regardless of the PLK inhibitory efficacy of igosertip, which is well known. In addition, it has been confirmed that the compound of Formula 1 does not act at all on the transcription of SMN2 or the stability of the SMN protein other than SMN2 splicing.
본 발명에서 사용된 용어, "엑손 7 포함 형의 mRNA"는 SMN1 또는 SMN2 유전자로부터 전사된 pre-mRNA에서 스플라이싱을 거쳐 형성된 엑손 1부터 엑손 8까지 포함하고 있는 mRNA를 의미한다. 상기 엑손 7 포함 형 mRNA는 기능성 SMN 단백질을 코딩하고 있다. The term "exon 7-containing mRNA" as used herein refers to an
한편, 본 발명에 따르면, 상기 화학식 1의 화합물은 SMN2 pre-mRNA의 선택적 스플라이싱 시 엑손 7 포함 형의 mRNA 형성을 증가시켜 엑손 7을 포함하는 기능성 SMN 단백질을 대량으로 생성시킴으로써, 엑손 7이 누락된 형태의 비기능성 SMN 단백질이 대량으로 생성됨에 따라 발생하는 척수성 근위축증을 예방 및 치료할 수 있다.Meanwhile, according to the present invention, the compound of Formula 1 increases the formation of exon 7-containing mRNA when selective splicing of SMN2 pre-mRNA, thereby generating a large amount of functional SMN
본 발명에서 상기 신경근육질환은 척수성 근위축증(Spinal Muscular Atrophy, SMA), 루게릭병(Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS), 뒤센 근이영양증(Duchenne Muscular Dystrophy), 또는 근긴장성 이영양증(Mytonic Dystrophy)일 수 있으나, 바람직하게는 척수성 근위축증일 수 있다. In the present invention, the neuromuscular disease may be Spinal Muscular Atrophy (SMA), Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), Duchenne Muscular Dystrophy, or Mytonic Dystrophy, but preferably The lower extremity may be spinal muscular atrophy.
본 발명에서 상기 화학식 1로 표시되는 리고세르팁은 Ras 이펙터 단백질의 활성화를 차단하는 저분자 화합물로서, 암 치료제로 개발이 진행중이나 SMN2의 스플라이싱 조절자로서 신경근육질환 치료 용도에 대해서는 보고된 바가 없다. In the present invention, Rigosertip represented by Formula 1 is a low-molecular compound that blocks the activation of Ras effector protein, and is being developed as a cancer treatment, but it has been reported for its use in the treatment of neuromuscular diseases as a splicing modulator of SMN2. none.
본 발명에 따른 상기 조성물에는 화학식 1의 화합물이 그 자체 또는 약학적으로 허용 가능한 염의 형태로 사용될 수 있다. 상기에서 '약학적으로 허용되는'이란 생리학적으로 허용되고 인간에게 부여될 때, 통상적으로 알레르기 반응 또는 이와 유사한 반응을 일으키지 않는 비독성의 조성물을 말하여, 상기 염으로는 약학적으로 허용 가능한 유리산 (free acid)에 의하여 형성된 산 부가염이 바람직하다. 상기 유리산은 유기산과 무기산을 사용할 수 있다. 상기 유기산은 이에 제한되는 것은 아니나, 구연산, 초산, 젖산, 주석산, 말레인산, 푸마르산, 포름산, 프로피온산, 옥살산, 트리플로오로아세트산, 벤조산, 글루콘산, 메타술폰산, 글리콜산, 숙신산, 4-톨루엔술폰산, 글루탐산 및 아스파르트산을 포함한다. 또한, 상기 무기산은 이에 제한되는 것은 아니나 염산, 브롬산, 황산 및 인산을 포함한다.In the composition according to the present invention, the compound of Formula 1 may be used by itself or in the form of a pharmaceutically acceptable salt. In the above,'pharmaceutically acceptable' refers to a non-toxic composition that is physiologically acceptable and does not usually cause an allergic reaction or a similar reaction when given to humans, and the salt is a pharmaceutically acceptable glass Acid addition salts formed by acid (free acid) are preferred. Organic acids and inorganic acids may be used as the free acid. The organic acid is not limited thereto, but citric acid, acetic acid, lactic acid, tartaric acid, maleic acid, fumaric acid, formic acid, propionic acid, oxalic acid, trifluoroacetic acid, benzoic acid, gluconic acid, metasulfonic acid, glycolic acid, succinic acid, 4-toluenesulfonic acid, Includes glutamic acid and aspartic acid. In addition, the inorganic acids include, but are not limited to, hydrochloric acid, bromic acid, sulfuric acid, and phosphoric acid.
본 발명에 따른 약학적 조성물은 상기 화학식 1의 화합물을 단독으로 함유하거나 약학적으로 허용되는 담체와 함께 적합한 형태로 제형화 될 수 있으며, 부형제 또는 희석제를 추가로 함유할 수 있다. 상기 담체로는 모든 종류의 용매, 분산매질, 수중유 또는 유중수 에멀젼, 수성 조성물, 리포좀, 마이크로비드 및 마이크로좀이 포함된다.The pharmaceutical composition according to the present invention may contain the compound of Formula 1 alone or may be formulated in a suitable form with a pharmaceutically acceptable carrier, and may further contain an excipient or diluent. The carrier includes all kinds of solvents, dispersion media, oil-in-water or water-in-oil emulsions, aqueous compositions, liposomes, microbeads and microsomes.
약학적으로 허용되는 담체로는 예컨대, 경구 투여용 담체 또는 비경구 투여용 담체를 추가로 포함할 수 있다. 경구 투여용 담체는 락토스, 전분, 셀룰로스 유도체, 마그네슘 스테아레이트, 스테아르산 등을 포함할 수 있다. 아울러, 경구투여용으로 사용되는 다양한 약물전달물질을 포함할 수 있다. 또한, 비경구 투여용 담체는 물, 적합한 오일, 식염수, 수성 글루코오스 및 글리콜 등을 포함할 수 있으며, 안정화제 및 보존제를 추가로 포함할 수 있다. 적합한 안정화제로는 아황산수소나트륨, 아황산나트륨 또는 아스코르 브산과 같은 항산화제가 있다. 적합한 보존제로는 벤즈알코늄 클로라이드, 메틸-또는 프로필-파라벤 및 클로로부탄올이 있다. 본 발명의 약학적 조성물은 상기 성분들 이외에 윤활제, 습윤제, 감미제, 향미제, 유화제, 현택제 등을 추가로 포함할 수 있다. 그 밖의 약학적으로 허용되는 담체 및 제제는 다음의 문헌에 기재되어 있는 것을 참고로 할 수 있다(Remington's Pharmaceutical Sciences, 19th ed., Mack Publishing Company, Easton, PA, 1995).The pharmaceutically acceptable carrier may further include, for example, a carrier for oral administration or a carrier for parenteral administration. Carriers for oral administration may include lactose, starch, cellulose derivatives, magnesium stearate, stearic acid, and the like. In addition, it may contain various drug delivery materials used for oral administration. In addition, the carrier for parenteral administration may include water, suitable oil, saline, aqueous glucose and glycol, and the like, and may further include stabilizers and preservatives. Suitable stabilizers are antioxidants such as sodium hydrogen sulfite, sodium sulfite or ascorbic acid. Suitable preservatives are benzalkonium chloride, methyl- or propyl-paraben and chlorobutanol. The pharmaceutical composition of the present invention may further include a lubricant, a wetting agent, a sweetening agent, a flavoring agent, an emulsifying agent, a suspending agent, etc. in addition to the above components. Other pharmaceutically acceptable carriers and formulations may be referred to as those described in the following literature (Remington's Pharmaceutical Sciences, 19th ed., Mack Publishing Company, Easton, PA, 1995).
본 발명의 조성물은 인간을 비롯한 포유동물에 어떠한 방법으로도 투여할 수 있다. 예를 들면, 경구 또는 비경구적으로 투여할 수 있다. 비경구적인 투여방법으로는 이에 한정되지는 않으나, 정맥내, 근육내, 동맥내, 골수내, 경막내, 심장내, 경피, 피하, 복강내, 비강내, 장관, 국소, 설하 또는 직장내 투여일 수 있다.The composition of the present invention can be administered to mammals including humans by any method. For example, it can be administered orally or parenterally. Parenteral administration methods include, but are not limited to, intravenous, intramuscular, intraarterial, intramedullary, intrathecal, intracardiac, transdermal, subcutaneous, intraperitoneal, intranasal, intestinal, topical, sublingual or rectal administration Can be
본 발명의 약학적 조성물은 상술한 바와 같은 투여 경로에 따라 경구 투여용 또는 비경구 투여용 제제로 제형화 할 수 있다.The pharmaceutical composition of the present invention can be formulated into a formulation for oral administration or parenteral administration according to the route of administration as described above.
경구 투여용 제제의 경우에 본 발명의 조성물은 분말, 과립, 정제, 환제, 당의정제, 캡슐제, 액제, 겔제, 시럽제, 슬러리제, 현탁액 등으로 당업계에 공지된 방법을 이용하여 제형화될 수 있다. 예를 들어, 경구용 제제는 활성성분을 고체 부형제와 배합한 다음 이를 분쇄하고 적합한 보조제를 첨가한 후 과립 혼합물로 가공함으로써 정제 또는 당의정제를 수득할 수 있다. 적합한 부형제의 예로는 락토즈, 덱스트로즈, 수크로즈, 솔비톨, 만니톨, 자일리톨, 에리스리톨 및 말티톨 등을 포함하는 당류와 옥수수 전분, 밀 전분, 쌀 전분 및 감자 전분 등을 포함하는 전분류, 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 나트륨 카르복시메틸셀룰로오즈 및 하이드록시프로필메틸-셀룰로즈 등을 포함하는 셀룰로즈류, 젤라틴, 폴리비닐피롤리돈 등과 같은 충전제가 포함될 수 있다. 또한, 경우에 따라 가교결합 폴리비닐피롤리돈, 한천, 알긴산 또는 나트륨 알기네이트 등을 붕해제로 첨가할 수 있다. 나아가, 본 발명의 약학적 조성물은 항응집제, 윤활제, 습윤제, 향료, 유화제 및 방부제 등을 추가로 포함할 수 있다.In the case of a formulation for oral administration, the composition of the present invention may be formulated using a method known in the art as a powder, granule, tablet, pill, dragee, capsule, liquid, gel, syrup, slurry, suspension, etc. I can. For example, in oral preparations, tablets or dragees can be obtained by mixing the active ingredient with a solid excipient, pulverizing it, adding a suitable auxiliary, and processing into a granule mixture. Examples of suitable excipients include sugars including lactose, dextrose, sucrose, sorbitol, mannitol, xylitol, erythritol and maltitol, and starches including corn starch, wheat starch, rice starch and potato starch, cellulose, Fillers such as celluloses including methyl cellulose, sodium carboxymethylcellulose and hydroxypropylmethyl-cellulose, gelatin, and polyvinylpyrrolidone may be included. In addition, in some cases, cross-linked polyvinylpyrrolidone, agar, alginic acid or sodium alginate may be added as a disintegrant. Furthermore, the pharmaceutical composition of the present invention may further include an anti-aggregating agent, a lubricant, a wetting agent, a flavoring agent, an emulsifying agent and a preservative.
비경구 투여용 제제의 경우에는 주사제, 크림제, 로션제, 외용연고제, 오일제, 보습제, 겔제, 에어로졸 및 비강 흡입제의 형태로 당업계에 공지된 방법으로 제형화할 수 있다. 이들 제형은 모든 제약 화학에 일반적으로 공지된 처방서인 문헌(Remington's Pharmaceutical Science, 19th ed., Mack Publishing Company, Easton, PA,1995)에 기재되어 있다.In the case of a formulation for parenteral administration, it can be formulated in the form of injections, creams, lotions, ointments for external use, oils, moisturizers, gels, aerosols, and nasal inhalants by methods known in the art. These formulations are described in Remington's Pharmaceutical Science, 19th ed., Mack Publishing Company, Easton, PA, 1995, a formula generally known for all pharmaceutical chemistry.
본 발명의 조성물의 총 유효량은 단일 투여량(single dose)으로 환자에게 투여될 수 있으며, 다중 투여량(multiple dose)으로 장기간 투여되는 분할 치료 방법(fractionated treatment protocol)에 의해 투여될 수 있다. 본 발명의 약학적 조성물은 질환의 정도에 따라 유효성분의 함량을 달리할 수 있다. 바람직하게 본 발명의 약학적 조성물의 바람직한 전체 용량은 1일당 환자 체중 1㎏ 당 약 0.01㎍ 내지 10,000mg, 가장 바람직하게는 0.1㎍ 내지 500mg일 수 있다. 그러나 상기 약학적 조성물의 용량은 제제화 방법, 투여 경로 및 치료 횟수뿐만 아니라 환자의 연령, 체중, 건강 상태, 성별, 질환의 중증도, 식이 및 배설율등 다양한 요인들을 고려하여 환자에 대한 유효 투여량이 결정되는 것이므로, 이러한 점을 고려할 때 당 분야의 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 조성물의 적절한 유효 투여량을 결정할 수 있을 것이다. 본 발명에 따른 약학적 조성물은 본 발명의 효과를 보이는 한 그 제형, 투여 경로 및 투여 방법에 특별히 제한되지 아니한다. The total effective amount of the composition of the present invention may be administered to a patient in a single dose, and may be administered by a fractionated treatment protocol that is administered for a long time in multiple doses. The pharmaceutical composition of the present invention may vary the content of the active ingredient according to the severity of the disease. Preferably, the preferred total dose of the pharmaceutical composition of the present invention may be about 0.01 μg to 10,000 mg, most preferably 0.1 μg to 500 mg per 1 kg of patient body weight per day. However, the dosage of the pharmaceutical composition is determined by considering various factors such as the age, weight, health condition, sex, disease severity, diet and excretion rate of the patient, as well as the formulation method, route of administration and number of treatments. Therefore, considering these points, those of ordinary skill in the art will be able to determine an appropriate effective dosage of the composition of the present invention. The pharmaceutical composition according to the present invention is not particularly limited in its formulation, route of administration, and method of administration as long as it exhibits the effects of the present invention.
본 발명에서의 용어 '예방'은 질환의 임상 증상이 발달하지 않도록 질환 또는 장애의 개시에 대해 보호하는 요법을 지칭한다. 따라서, '예방'은 질환의 징후가 대상체에서 검출가능하기 전에 대상체에게 요법을 투여하는 것 (예를 들어, 치료 물질을 투여하는 것) (예를 들어, 대상체 내 검출가능한 감염원 (예를 들어, 바이러스)의 부재 하에 대상체에게 치료 물질을 투여하는 것)에 관한 것이다. 대상체는 질환 또는 장애가 발달할 위험이 있는 개체, 예컨대 질환 또는 장애의 발달 또는 개시와 연관된 것으로 공지된 1종 이상의 위험 인자를 갖는 개체일 수 있다. The term'prevention' in the present invention refers to a therapy that protects against the onset of a disease or disorder so that clinical symptoms of the disease do not develop. Thus,'prevention' refers to administering a therapy to a subject (e.g., administering a therapeutic substance) (e.g., administering a therapeutic substance) (e.g., a detectable infectious agent in the subject (e.g., Virus) to a subject in the absence of). A subject may be an individual at risk of developing a disease or disorder, such as an individual having one or more risk factors known to be associated with the development or onset of the disease or disorder.
본 발명에서의 용어 '치료'는 이롭거나 바람직한 임상적 결과를 수득하기 위한 접근을 의미한다. 본 발명의 목적을 위해서, 이롭거나 바람직한 임상적 결과는 비제한적으로, 증상의 완화, 질병 범위의 감소, 질병 상태의 안정화(즉, 악화되지 않음), 질병 진행의 지연 또는 속도의 감소, 질병 상태의 개선 또는 일시적 완화 및 경감(부분적이거나 전체적일 수 있음), 검출 가능하거나 또는 검출되지 않거나의 여부를 포함한다. '치료'는 치료학적 치료 및 예방적 또는 예방 조치 방법 모두를 가리킨다. 상기 치료들은 예방되는 장애뿐만 아니라 이미 발생한 장애에 있어서 요구되는 치료를 포함한다. 질병을 '완화(palliating)' 하는 것은 치료를 하지 않는 경우와 비교하여, 질병상태의 범위 및/또는 바람직하지 않은 임상적 징후가 감소되거나 진행의 시간적 추이가 늦춰지거나 길어지는 것을 의미한다.The term'treatment' in the present invention means an approach to obtain beneficial or desirable clinical results. For the purposes of the present invention, beneficial or desirable clinical outcomes include, but are not limited to, alleviation of symptoms, reduction of disease range, stabilization of disease state (i.e., not exacerbation), delay or decrease in disease progression, disease state. Amelioration or temporal alleviation and alleviation of (which may be partial or total), detectable or undetectable. 'Treatment' refers to both therapeutic treatment and prophylactic or preventative measures. Such treatments include the disorder to be prevented as well as the treatment required for a disorder that has already occurred. 'Palliating' a disease means that the extent of the disease state and/or undesirable clinical signs are reduced or the temporal transition of progression is slowed or prolonged, compared to without treatment.
본 발명은 또한 하기 화학식 1의 화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염을 유효성분으로 포함하는 신경근육질환의 예방 또는 개선용 식품 조성물을 제공한다. The present invention also provides a food composition for preventing or improving neuromuscular diseases comprising the compound of
[화학식 1][Formula 1]
본 발명의 식품 조성물은 기능성 식품(functional food), 영양 보조제(nutritional supplement), 건강식품(health food) 및 식품 첨가제(food additives) 등의 모든 형태를 포함한다. 상기 유형의 식품 조성물은 당 업계에 공지된 통상적인 방법에 따라 다양한 형태로 제조할 수 있다.The food composition of the present invention includes all forms such as functional food, nutritional supplement, health food and food additives. Food compositions of this type can be prepared in various forms according to conventional methods known in the art.
예를 들면, 건강식품으로는 화학식 1의 화합물 또는 이의 약학적으로 허용가능한 염 자체를 차, 주스 및 드링크의 형태로 제조하여 음용하도록 하거나, 과립화, 캡슐화 및 분말화하여 섭취할 수 있다. 또한, 패혈증 또는 패혈성 쇼크의 예방 및 개선효과가 있다고 알려진 공지의 물질 또는 활성 성분과 함께 혼합하여 조성물의 형태로 제조할 수 있다.For example, as a health food, the compound of
또한, 기능성 식품으로는 음료(알코올성 음료 포함), 과실 및 그의 가공식품(예: 과일통조림, 병조림, 잼, 마아말레이드 등), 어류, 육류 및 그 가공식품(예: 햄, 소시지콘비이프 등), 빵류 및 면류(예: 우동, 메밀국수, 라면, 스파게티, 마카로니 등), 과즙, 각종 드링크, 쿠키, 엿, 유제품(예: 버터, 치이즈 등), 식용식물유지, 마아가린, 식물성 단백질, 레토르트 식품, 냉동식품, 각종 조미료(예: 된장, 간장, 소스 등) 등에 본 발명의 화학식 1의 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염을 첨가하여 제조할 수 있다.In addition, functional foods include beverages (including alcoholic beverages), fruits and processed foods thereof (eg, canned fruit, canned food, jam, marmalade, etc.), fish, meat and processed foods thereof (eg, ham, sausage corn beef, etc.) ), breads and noodles (e.g. udon, soba, ramen, spaghetti, macaroni, etc.), fruit juice, various drinks, cookies, syrup, dairy products (e.g. butter, cheese, etc.), edible vegetable oil, margarine, vegetable protein, Retort foods, frozen foods, various seasonings (eg, soybean paste, soy sauce, sauce, etc.) may be prepared by adding the compound of
본 발명의 식품 조성물 중 상기 화학식 1의 화합물 또는 이의 약학적으로 허용 가능한 염의 바람직한 함유량으로는 이에 한정되지 않지만, 예를 들어, 최종적으로 제조된 식품 중 0.001 내지 30 중량% 일 수 있다. 바람직하게는 최종적으로 제조된 식품 중 0.01 내지 20 중량%일 수 있다.The preferred content of the compound of
또한, 상기 화학식 1의 화합물 또는 이의 염을 식품 첨가제의 형태로 사용하기 위해서는 분말 또는 농축액 형태로 제조하여 사용할 수 있다.In addition, in order to use the compound of
본 발명에 따르면, 화학식 1로 표현되는 리고세르팁은 SMN2 pre-mRNA의 스플라이싱 결함을 교정하는 효과를 나타내어 SMN 단백질의 발현을 증가시키며, 질병과 관련된 비정상적인 병변을 개선하는 효과를 나타내어 척수성 근위축증을 비롯한 신경근육질환 치료제 개발에 매우 유용하게 활용될 수 있다. According to the present invention, Rigosertip represented by
도 1a 내지 1c를 포함하는 도 1은 SMN2-특이적 스플라이싱 조절자를 탐색하는 방법 및 결과를 나타낸 도면이다.
도 1a는 루시퍼라제기반 스크리닝 시스템과 환자 특이적 iPSCs를 사용하는 SMA 약물 스크리닝 플랫폼의 개략도를 나타낸 것이다.
도 1b는 선택적 스플라이싱에 의해 생성된 SMN2 미니 유전자 리포터 및 2 종의 단백질 생성물의 개략도를 나타낸 것이다.
도 1c는 SMN2-Luc 안정 세포주를 이용한 저분자 화합물의 1 차 스크리닝 결과를 나타낸 것이다. 저분자 화합물 처리군의 상대적인 루시퍼라제 활성의 백분율은 DMSO 처리된 세포의 활성을 100 %로 설정하여 계산하였다. 리포터 플라스미드가 없는 C33A 세포를 음성 대조군으로 포함시켰다. 평균 및 표준 편차는 3 가지 독립적인 실험으로부터 얻어졌다.
도 2a 내지 2d를 포함하는 도 2는 리고세르팁(rigosertib, No.65)이 엑손 7의 삽입을 통해 SMN 단백질의 발현을 증가시키는 효과를 확인한 결과이다.
도 2a는 후보 화합물(53번, 65번(rigosertib)) 처리 후 SMA 환자 섬유아세포에서 SMN 단백질 양을 나타낸다. MG132를 양성 대조군으로 사용하였고, 정상인유래 섬유아세포를 세포 대조군으로 포함시켰다. 상대적 단백질 함량(%)은 DMSO 처리된 세포로부터의 양을 100 %로 설정하여 계산하였다.
도 2b는 5종의 PLK 억제제가 SMN2-Luc 및 SMN1-Luc 안정 세포주의 스플라이싱에 미치는 영향을 확인한 결과이다. 세포를 지시된 농도의 시험물질로 24 시간 동안 처리한 다음, 루시퍼라제 활성을 측정하였다. 상대적인 루시퍼라제 활성의 백분율은 DMSO 처리된 세포의 활성을 100 %로 설정하여 계산하였다.
도 2c는 리고세르팁(rigosertib), SAHA 및 SB에 의한 SMN2 전사 활성화에 대한 영향을 분석한 도면이다. 293T 세포를 pGL4.14-SMN2 프로모터-Luc-PEST 플라스미드로 형질전환시키고 표시된 농도의 리고세리팁, SAHA 및 SB로 24 시간 처리한 후, 루시퍼라제 활성을 측정하였다.
도 2d는 SMNΔ7의 단백질 안정성에 대한 리고세르팁의 효과를 분석한 결과이다. FLUC-SMNΔ7 안정 세포주를 지시된 농도의 리고세르팁으로 10 시간 동안 CHX (0.1 mg/ml)의 존재하에 처리한 다음, 루시퍼라제 활성을 측정하였다. MG132 (10 μM)를 양성 대조군으로 포함시켰다. 상대 활성은 DMSO 및 CHX로 동시 처리된 세포의 활성을 100 %로 설정하여 계산하였다.
도 3a 내지 3d를 포함하는 도 3은 SMA iPSC(induced pluripotent stem cells)를 pMN(motor neuron progenitor)과 MN(motor neuron)으로 분화시키는 실험에 대한 도면이다.
도 3a는 MN 분화를 위한 분화 전략의 개략도이다. pMNs는 NEP 단계를 통해 iPSCs로부터 유도되었고 pMN 유도 인자와 함께 12 일 동안 배양되었다. pMN은 최종적으로 MN으로 분화되었다.
도 3b는 MN의 분화 동안 각 세포 유형을 식별하기 위한 계통 특이적인 마커의 면역세포화학 결과를 나타낸 도면이다.
도 3c는 분화된 pMN 및 MN의 총 DAPI+ 세포 당 OLIG2+ 및 ChAT+ 세포의 비율을 나타낸 결과이다(ns; 유의하지 않음).
도 3d는 5회차 계대된(p5) pMNs도 또한 MN으로 분화된 것을 확인한 도면이다. 핵은 DAPI로 대조 염색되었다.
도 4a 내지 4e를 포함하는 도 4는 WT(정상) 및 SMA iPSC 유래 pMN 및 MN의 표현형을 분석한 결과이다.
도 4a는 pMNs 및 MNs의 전장(FL, full-length) SMN 및 SMNΔ7 전사체 수준에 대한 RT-PCR 분석 결과를 나타낸다. WT 대조군에 대한 SMA 세포에 있는 FL 전사체의 상대적인 발현 정도를 정량화하여 그래프로 나타내었다.
도 4b는 pMNs 및 MNs에서 SMN 단백질의 발현 수준을 웨스턴 블로팅으로 분석한 결과이다. WT 대조군에 대한 SMA 세포에서 SMN 단백질의 상대적 발현 정도를 정량화하여 그래프로 나타내었다.
도 4c는 pMN과 MN에서 SMN 단백질의 발현 수준을 면역세포화학법에 의해 분석한 결과이다. Gem body(화살표)는 SMA 세포에서 거의 발견되지 않았다. 스케일 바, 20μm.
도 4d는 WT 및 SMA iPSC 유래 pMN 및 MN에서 EthD-1+ 사멸세포의 비율의 정량 분석한 결과이다. SMA 세포는 WT 세포와 비교하여 증가된 EthD-1 신호를 나타내었다(n = 3).
도 4e는 신경돌기의 길이를 분석하고 정량화한 결과이다(n=50)
도 5a 내지 5g를 포함하는 도 5는 리고세르팁 처리에 의한 SMN2 exon 7 스플라이싱의 복원은 SMA iPSC-pMNs에서 SMA 유사 phenotype의 개선을 나타내었음을 확인한 결과이다.
도 5a는 SMNΔ7에서 SMN-FL 로의 SMN2 전사체의 현저한 이동을 RT-PCR 분석으로 확인한 결과이다.
도 5b는 qRT-PCR을 이용한 SMN-FL 발현의 정량 분석 결과를 나타낸다(n = 3). SMN-FL의 발현은 SMA iPSC에서 유도된 pMNs에서 리고세르팁 처리에 의해 증가하였다.
도 5c 및 5d는 pMN에 10nm의 리고세르팁을 72 시간 동안 처리한 이후에, SMN 단백질의 발현량을 웨스턴 블로팅(5c) 및 면역세포화합법(5d)으로 분석한 결과이다.
도 5e는 Calcein-AM (녹색)으로 염색된 살아있는 세포와 EthD-1 (적색)으로 염색된 죽은 세포를 보여주는 유동세포 계측법을 통해 세포의 생존율을 분석한 결과이다. 죽은 세포의 비율은 10 nM 리고세르팁 처리 SMA iPSC-pMN에서 감소했다.
도 5f는 MitoTracker Green 및 MitoSOX로 표지된 WT 및 SMA iPSC 유래 pMN에서 슈퍼옥사이드 수치를 MitoSOX / MitoTracker 비율 (superoxide signal / total mitochondrial signal)로 표현한 결과이다. SMA iPSC-pMNs의 미토콘드리아 슈퍼옥사이드 과잉생산(MitoSOX, red)은 10nM 리고세르팁 처리로 감소되었다 (n=3).
도 5g는 iPSC에서 유도된 MNs의 신경돌기 길이에 대한 리고세르팁의 영향을 평가한 결과이다.
도 6a 내지 6d를 포함하는 도 6은 리고세르팁이 SMA 마우스의 척수에서 SMN 단백질의 양을 증가시킨다는 것을 확인한 결과이다.
도 6a는 척수를 heterozygous, 비히클 처리 및 리고세르팁(10 mg/㎏) 처리 SMA 마우스(각 n = 3)에서 분리하고 항-SMN 항체를 이용한 웨스턴 블로팅으로 분석하였다. α-Tubulin은 또한 loading control로 분석되었다.
도 6b는 단백질 밴드를 비히클 처리된 SMA의 밴드 강도를 100%로 설정하여 정량화한 결과이다.
도 6c는 척수 섹션에서 SMN 단백질의 발현을 면역세포화학법으로 확인한 결과이며(녹색 배경 염색은 모세 혈관을 나타낸다.),
도 6d는 이를 heterozygous군에 대한 SNM-양성 세포의 상대적인 수를 정량화하여 나타낸 그래프이다. 1, including FIGS. 1A to 1C, is a diagram showing a method and result of searching for an SMN2-specific splicing modulator.
1A shows a schematic diagram of an SMA drug screening platform using a luciferase-based screening system and patient-specific iPSCs.
1B shows a schematic diagram of the SMN2 mini gene reporter and two protein products produced by selective splicing.
Figure 1c shows the results of the first screening of the small molecule compound using the SMN2-Luc stable cell line. The percentage of the relative luciferase activity of the group treated with the small molecule compound was calculated by setting the activity of the DMSO-treated cells to 100%. C33A cells without reporter plasmid were included as negative controls. Mean and standard deviation were obtained from 3 independent experiments.
Figure 2, including Figures 2a to 2d, is a result of confirming the effect of increasing the expression of the SMN protein through the insertion of Rigosertip (rigosertib, No. 65)
2A shows the amount of SMN protein in fibroblasts of SMA patients after treatment with candidate compounds (No. 53, No. 65 (rigosertib)). MG132 was used as a positive control, and normal human-derived fibroblasts were included as a cell control. Relative protein content (%) was calculated by setting the amount from DMSO treated cells to 100%.
Figure 2b is a result of confirming the effect of five types of PLK inhibitors on the splicing of SMN2-Luc and SMN1-Luc stable cell lines. Cells were treated with the indicated concentration of the test substance for 24 hours, and then luciferase activity was measured. The percentage of relative luciferase activity was calculated by setting the activity of DMSO-treated cells to 100%.
FIG. 2C is a diagram illustrating an analysis of the effect of rigosertib, SAHA and SB on the activation of SMN2 transcription. 293T cells were transformed with the pGL4.14-SMN2 promoter-Luc-PEST plasmid and treated with the indicated concentrations of Rigoseritip, SAHA and SB for 24 hours, and then luciferase activity was measured.
Figure 2d is a result of analyzing the effect of Rigosertip on the protein stability of SMNΔ7. The FLUC-SMNΔ7 stable cell line was treated with the indicated concentration of Ligosertip for 10 hours in the presence of CHX (0.1 mg/ml), and then luciferase activity was measured. MG132 (10 μM) was included as a positive control. Relative activity was calculated by setting the activity of cells treated simultaneously with DMSO and CHX to 100%.
FIG. 3 including FIGS. 3A to 3D is a diagram for an experiment in which SMA induced pluripotent stem cells (iPSCs) are differentiated into pMN (motor neuron progenitor) and MN (motor neuron) .
3A is a schematic diagram of a differentiation strategy for MN differentiation. pMNs were derived from iPSCs through the NEP step and incubated for 12 days with pMN inducers. pMN was finally differentiated into MN.
3B is a diagram showing the results of immunocytochemistry of lineage-specific markers for identifying each cell type during the differentiation of MN.
3C is a result showing the ratio of OLIG2+ and ChAT+ cells per total DAPI+ cells of differentiated pMN and MN (ns; not significant).
3D is a diagram confirming that pMNs passaged 5 times (p5) were also differentiated into MNs. Nuclei were counterstained with DAPI.
Figure 4, including Figures 4a to 4e, is a result of analyzing the phenotypes of pMN and MN derived from WT ( normal ) and SMA iPSC.
4A shows the results of RT-PCR analysis on the levels of full-length SMN and SMNΔ7 transcripts of pMNs and MNs. The relative expression level of the FL transcript in SMA cells relative to the WT control was quantified and shown as a graph.
4B is a result of analyzing the expression level of SMN protein in pMNs and MNs by Western blotting. The relative expression level of SMN protein in SMA cells relative to the WT control was quantified and shown as a graph.
4C is a result of analyzing the expression levels of SMN proteins in pMN and MN by immunocytochemistry. Gem body (arrow) was hardly found in SMA cells. Scale bar, 20 μm.
Figure 4d is a result of quantitative analysis of the ratio of EthD-1+ apoptotic cells in pMN and MN derived from WT and SMA iPSC. SMA cells showed an increased EthD-1 signal compared to WT cells (n = 3).
Figure 4e is the result of analyzing and quantifying the length of the neurite (n=50)
5, including FIGS. 5A to 5G, is a result of confirming that the restoration of
5A is a result of confirming the remarkable migration of the SMN2 transcript from SMNΔ7 to SMN-FL by RT-PCR analysis.
5B shows the results of quantitative analysis of SMN-FL expression using qRT-PCR (n = 3). The expression of SMN-FL was increased by igosertip treatment in pMNs induced by SMA iPSC.
5c and 5d show the results of analyzing the expression level of SMN protein by Western blotting (5c) and immunocytochemistry (5d) after treating pMN with 10 nm of Rigosertip for 72 hours.
5E is a result of analyzing the viability of cells through flow cytometry showing live cells stained with Calcein-AM (green) and dead cells stained with EthD-1 (red). The proportion of dead cells decreased in 10 nM igosertip treated SMA iPSC-pMN.
Figure 5f is a result of expressing the superoxide level in the WT and SMA iPSC-derived pMN labeled with MitoTracker Green and MitoSOX as a MitoSOX / MitoTracker ratio (superoxide signal / total mitochondrial signal). Mitochondrial superoxide overproduction (MitoSOX, red) of SMA iPSC-pMNs was reduced by treatment with 10 nM igosertip (n=3).
5G is a result of evaluating the effect of Rigosertip on the neurite length of MNs induced in iPSC.
6, including FIGS. 6A to 6D, is a result of confirming that Rigosertip increases the amount of SMN protein in the spinal cord of SMA mice.
6A shows the spinal cord was isolated from heterozygous, vehicle-treated, and ligosertip (10 mg/kg)-treated SMA mice (each n = 3) and analyzed by Western blotting using an anti-SMN antibody. α-Tubulin was also analyzed as a loading control.
6B is a result of quantification of the protein band by setting the band intensity of the vehicle-treated SMA to 100%.
6C is a result of confirming the expression of SMN protein in the spinal cord section by immunocytochemistry (green background staining indicates capillaries),
6D is a graph showing this by quantifying the relative number of SNM-positive cells for the heterozygous group.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이들에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by the following examples. However, the following examples are for illustrative purposes only, and the present invention is not limited thereto.
실험방법Experiment method
1. 세포배양1. Cell culture
SMA 타입 I 환자 (GM09677, GM00232)로부터의 1차 섬유아세포는 Coriell Cell Repositories (Camden, NJ, USA)로부터 수득하였다. 인간 WT 섬유아세포 (CRL-2097 및 GM08333)는 American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA, USA) 및 Coriell Cell Repositories로부터 각각 구입하였다. 이들 세포는 10 % fetal bovine serum (FBS, Gibco), 2 mM L-glutamine (Gibco), 1 % penicillin-streptomycin (P/S)을 함유한 최소한의 필수 배지(MEM, Gibco, Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) 에서 이전에 기술된 바와 같이 배양되었다. SMN1- 또는 SMN2- 루시퍼라제 스플라이싱 리포터를 안정하게 발현하는 C33A 세포(SMN1-Luc 및 SMN2-Luc 안정 세포주) 및 FL(full length)-융합 SMNΔ7 단백질을 안정적으로 발현하는 293T 세포(FLuc-SMNΔ7 안정 세포주)를 10 % FBS, 2 mM L- 글루타민 및 1 % P/S가 첨가된 둘베코 변형 이글스 배지(DMEM, Gibco)에서 배양하였다. 마우스 근육아세포주 (myoblast, C2C12)를 ATCC에서 구입하여 1 % P/S 및 10 % FBS가 보충된 DMEM 고포도당(Gibco)로 이루어진 유지 배지에서 배양하였다. C2C12 분화는 1 % P/S 및 2 % FBS를 갖는 DMEM 고포도당 (Gibco)을 함유하는 분화 배지로 전환시킴으로써 유도되었다. 배지는 2일마다 교환하였다. Primary fibroblasts from SMA type I patients (GM09677, GM00232) were obtained from Coriell Cell Repositories (Camden, NJ, USA). Human WT fibroblasts (CRL-2097 and GM08333) were purchased from American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA, USA) and Coriell Cell Repositories, respectively. These cells were prepared with minimal essential media (MEM, Gibco, Invitrogen, Carlsbad, CA) containing 10% fetal bovine serum (FBS, Gibco), 2 mM L-glutamine (Gibco), and 1% penicillin-streptomycin (P/S). , USA) as previously described. C33A cells stably expressing SMN1- or SMN2- luciferase splicing reporters (SMN1-Luc and SMN2-Luc stable cell lines) and 293T cells stably expressing the full length (FL)-fusion SMNΔ7 protein (FLuc-SMNΔ7) Stable cell line) was cultured in Dulbecco's modified Eagles medium (DMEM, Gibco) to which 10% FBS, 2 mM L-glutamine, and 1% P/S were added. A mouse myoblast line (myoblast, C2C12) was purchased from ATCC and cultured in a maintenance medium consisting of DMEM high glucose (Gibco) supplemented with 1% P/S and 10% FBS. C2C12 differentiation was induced by switching to a differentiation medium containing DMEM high glucose (Gibco) with 1% P/S and 2% FBS. The medium was changed every 2 days.
2. 인간 iPSCs(induced pluripotent stem cells)의 확립 및 관리2. Establishment and management of human iPSCs (induced pluripotent stem cells)
이전에 기술된 바와 같이, OCT4, SOX2, KLF4, L-MYC, LIN28 및 shRNA-p53을 코딩하는 Episomal iPSC 리프로그래밍 벡터(Cat. No. A14703, Invitrogen)로 전기천공법에 의해 건강한 대조군(CRL2097, IMR90) 및 SMA 환자(GM09677, GM00232) 섬유아세포를 역분화(reprogramming)시켰다. 전기천공을 수행하고 5일 후, 세포를 20 % knockout serum replacement(Gibco), 1 mM 비-필수 아미노산 (Gibco), 0.1 mM β-mercaptoethanol (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, 미국) 및 10 ng/ml 기본 섬유아세포 성장인자 (R&D systems, 미국 미네소타 주 미네아폴리스 소재)가 첨가된 DMEM/F12 배지 (Gibco)를 포함하는 iPSC 배지로 마트리겔(BD 바이오사이언스, 샌디에고, 미국)로 코팅된 6-웰 플레이트위에 1 X 105/well로 재-시딩하였다. 14-20 일 후, 인간 배아 줄기세포(hESC)-유사 콜로니를 분리하고 추가 실험을 위해 확장시켰다. iPSC는 1 mg/ml 콜라게나제 IV형 (Gibco)을 사용하여 응집 해리(clump dissociation)로 계대시켰다.As previously described, healthy control (CRL2097, CRL2097, Episomal iPSC reprogramming vector (Cat. No. A14703, Invitrogen)) encoding OCT4, SOX2, KLF4, L-MYC, LIN28 and shRNA-p53 by electroporation. IMR90) and SMA patients (GM09677, GM00232) fibroblasts were reprogrammed. Five days after electroporation was performed, cells were subjected to 20% knockout serum replacement (Gibco), 1 mM non-essential amino acids (Gibco), 0.1 mM β-mercaptoethanol (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) and 10 6-coated with Matrigel (BD Bioscience, San Diego, USA) with iPSC medium containing DMEM/F12 medium (Gibco) supplemented with ng/ml basic fibroblast growth factor (R&D systems, Minneapolis, Minnesota) Re-seeded at 1
3. 화합물3. Compound
리고세르팁(rigosertib, Selleckchem, Houston, TX, USA), suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA) (Selleckchem), cycloheximide (CHX, Sigma-Aldrich), MG132 (Calbiochem, San Diego, CA, USA) sodium butyrate (SB, Sigma-Aldrich), BI2536 (Sigma-Aldrich), GSK461364 (Selleckchem), HMN214 (Selleckchem), 및 BI6727 (Selleckchem) 을 포함하는 저분자 화합물을 사용하였다. Rigosertip (rigosertib, Selleckchem, Houston, TX, USA), suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA) (Selleckchem), cycloheximide (CHX, Sigma-Aldrich), MG132 (Calbiochem, San Diego, CA, USA) sodium butyrate (SB, Sigma-Aldrich), BI2536 (Sigma-Aldrich), GSK461364 (Selleckchem), HMN214 (Selleckchem), and BI6727 (Selleckchem) were used.
4. SMN pre-mRNA의 선택적 스플라이싱(alternative splicing)의 분석4. Analysis of alternative splicing of SMN pre-mRNA
SMN1-Luc 및 SMN2-Luc 세포는 각각 SMN1 및 SMN2 스플라이싱 미니 유전자 리포터 플라스미드를 C33A 세포에 도입함으로써 생성되었다. SMN 스플라이싱 미니 유전자 리포터는 다음 절차에 의해 디자인되었다. 간단히 설명하면, 엑손 7의 3' 말단에서 확실한 번역 종결코돈을 비활성화시키기 위해, 단일 뉴클레오티드 'C'가 종결코돈 바로 앞에 삽입되었다(CUAA). FL 리포터 유전자를 엑손 8의 5' 말단으로부터 21 뉴클레오타이드 하류에 융합시키고 리포터 유전자의 5' 말단 개시코돈에서 'A'를 제거함으로써 변형시켜, 바람직하지 않은 내부 번역 개시 및 백그라운드의 발현을 감소시켰다. SMN2 pre-mRNA의 스플라이싱을 조절하는 저분자 화합물을 스크리닝하기 위해 SMN2-Luc 세포를 96- 웰 플레이트에 1 X 105 세포/웰의 밀도로 분주하였다. 루시퍼라제 분석은 One-Glo Luciferase Assay System (Promega, Madison, WI, USA)을 사용하여 저분자 화합물을 처리한 후 24 시간 후에 수행하였다.SMN1-Luc and SMN2-Luc cells were generated by introducing SMN1 and SMN2 splicing mini gene reporter plasmids into C33A cells, respectively. The SMN splicing mini gene reporter was designed by the following procedure. Briefly, in order to inactivate a definite translation stop codon at the 3'end of
5. 세포 기반의 SMN 면역어세이5. Cell-based SMN immunoassay
SMA 환자의 섬유아세포 (8×103 세포/웰)를 블랙-웰 투명 바닥 96-웰 플레이트 (Greiner, Wemmel, Belgium)에 분주하고 24 시간 동안 저분자 화합물 (10μM)로 처리하였다. 이전에 SMN-상승 화합물로 특성화된 프로테아좀 억제제인 MG132도 양성 대조군으로 포함되었다. 세포를 세척하고 4 % 파라포름알데히드 (PFA)로 고정시켰다. 세포를 PBS 중 0.5 % Triton X-100 및 1 % 소 혈청 알부민 (BSA)에 침윤시키고, SMN에 대한 마우스 단일 클론 항체 (Cat. No. 610647, BD Transduction Laboratories, Franklin Lakes, NJ, USA)와 2 시간 동안 반응시켰다. 그 다음, 마우스 IgG (Invitrogen)에 대한 Alexa Fluor 488-접합된 염소 이차 항체로 1 시간 동안 세포를 배양하고 Hoechst 33342 염료 (Invitrogen)로 염색하였다. 세포를 Cellomics ArrayScan 장치 (Cellomics, Pittsburgh, PA, USA)로 분석하였다. 각 샘플에 대해 300 개 이상의 세포를 분석하여 평균 및 표준 편차를 얻었다.Fibroblasts (8×10 3 cells/well) of SMA patients were dispensed into a black-well transparent bottom 96-well plate (Greiner, Wemmel, Belgium) and treated with a small molecule compound (10 μM) for 24 hours. MG132, a proteasome inhibitor previously characterized with an SMN-elevating compound, was also included as a positive control. Cells were washed and fixed with 4% paraformaldehyde (PFA). Cells were infiltrated with 0.5% Triton X-100 and 1% bovine serum albumin (BSA) in PBS, and 2 with a mouse monoclonal antibody against SMN (Cat.No.610647, BD Transduction Laboratories, Franklin Lakes, NJ, USA). Reacted for hours. Then, the cells were cultured for 1 hour with Alexa Fluor 488-conjugated goat secondary antibody against mouse IgG (Invitrogen) and stained with Hoechst 33342 dye (Invitrogen). Cells were analyzed with a Cellomics ArrayScan device (Cellomics, Pittsburgh, PA, USA). For each sample, more than 300 cells were analyzed to obtain the mean and standard deviation.
6. SMN2 프로모터 활성의 분석6. Analysis of SMN2 promoter activity
SMN2 프로모터-유도 개똥벌레 루시퍼라제 (FLuc) 리포터 플라스미드를 제조하기 위해, SMN2 유전자 (~3.4kb)의 프로모터 및 5'-UTR 말단부위를 pGL4.14 벡터(Promega)에 클로닝 하였다. 전사의 변화에 대한 리포터의 반응성을 향상시키기 위해, PEST 서열이 FL 단백질의 C-말단에 부가되었다. 293T 세포를 X-tremeGENE siRNA Transfection Reagent (Roche, Indianapolis, IN, USA)를 사용하여 2 μg의 pGL4.14-SMN2 promoter-Luc-PEST 리포터 플라스미드로 형질전환 시켰고, 1 x 104 세포/웰의 밀도로 96-웰 플레이트에 분주하였다. 12 시간 후, 세포를 리고세르팁, SAHA 및 SB로 24 시간 동안 처리하고 One-Glo Luciferase Assay System (Promega)을 사용하여 루시퍼라제 활성을 측정하였다. 세포 생존율은 CellTiter-Glo Luminescent Cell Viability 분석 (Promega)에 의해 동일한 조건에서 측정하였다.To prepare the SMN2 promoter-induced firefly luciferase (FLuc) reporter plasmid, the promoter and the 5'-UTR end portion of the SMN2 gene (~3.4kb) were cloned into the pGL4.14 vector (Promega). To enhance the reporter's responsiveness to changes in transcription, a PEST sequence was added to the C-terminus of the FL protein. 293T cells were transformed with 2 μg of pGL4.14-SMN2 promoter-Luc-PEST reporter plasmid using X-tremeGENE siRNA Transfection Reagent (Roche, Indianapolis, IN, USA), and the density of 1 x 10 4 cells/well Was dispensed into 96-well plates. After 12 hours, cells were treated with Ligosertip, SAHA and SB for 24 hours and luciferase activity was measured using the One-Glo Luciferase Assay System (Promega). Cell viability was measured under the same conditions by CellTiter-Glo Luminescent Cell Viability Analysis (Promega).
7. SMNΔ7 단백질의 안정성 분석7. Stability analysis of SMNΔ7 protein
FLuc-SMNΔ7 단백질 발현 플라스미드를 제작하기 위해, FL 유전자를 pcDNA3.1 벡터에 클로닝하고, SMNΔ7을 pcDNA3.1-Fluc 벡터의 Fluc 뒤에 삽입하였다. 293T 세포를 2 μg 플라스미드로 형질전환시키고 안정한 선택을 위해 2 주 동안 300 μg/ml 하이그로마이신 B로 처리하였다. 안정한 세포주를 96-웰 플레이트에서 1 × 104 세포/웰의 밀도로 분주하고 12 시간 후, 세포를 CHX (0.1 mg/mL)의 존재하에 다양한 농도의 리고세르팁으로 처리하였다. Proteasomal inhibitor MG132 (10 μM)도 양성 대조군으로 포함되었다. 루시퍼라제 분석은 처리 후 10 시간에 One-Glo Luciferase Assay System을 사용하여 수행되었다. 세포 생존율은 동일한 조건에서 CellTiter-Glo Luminescent Cell Viability 분석에 의해 측정되었다.To construct the FLuc-SMNΔ7 protein expression plasmid, the FL gene was cloned into the pcDNA3.1 vector, and SMNΔ7 was inserted after the Fluc of the pcDNA3.1-Fluc vector. 293T cells were transformed with 2 μg plasmid and treated with 300 μg/ml hygromycin B for 2 weeks for stable selection. The stable cell line was dispensed at a density of 1 × 10 4 cells/well in a 96-well plate, and after 12 hours, the cells were treated with various concentrations of Ligosertip in the presence of CHX (0.1 mg/mL). Proteasomal inhibitor MG132 (10 μM) was also included as a positive control. Luciferase assay was performed 10 hours after treatment using the One-Glo Luciferase Assay System. Cell viability was measured by CellTiter-Glo Luminescent Cell Viability analysis under the same conditions.
8. Total-RNA 준비 및 PCR 분석8. Total-RNA preparation and PCR analysis
총 RNA 분리는 제조사의 지시에 따라 RNeasy Mini Kit (Cat. No. 74104, Qiagen, Hilden, Germany)로 수행하였고 Superscript IV First-Strand Synthesis System Kit (Cat. No. 18091200, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)를 cDNA 합성에 사용하였다. 반정량적 RT-PCR은 다음 조건 하에서 수행되었다: 94 ℃에서 3 분; 94 ℃에서 30 초, 55 ℃에서 40 초, 72 ℃에서 40 초, 72 ℃에서 5 분 연장되는 32-35 사이클. SYBR Safe DNA gel stain (Cat No. S33102, Invitrogen)과 Gel-Doc (Biorad, Hercules, California, USA)가 함유된 2 % 아가로스젤에 각 PCR 산물을 로딩하여 이미징에 사용하였다. SYBR green PCR Master mix (Applied Biosystems, Foster City, CA, USA)로 정량 실시간 PCR (qRT-PCR)을 수행하였으며, 7500 Fast Real-time PCR 시스템 (Applied Biosystems)에서 반응을 검출하였다. 글리세롤알데히드-3-인산탈수소효소 (Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, GAPDH)를 내부 표준으로 사용하였고 제공된 소프트웨어를 사용하여 표적 유전자의 CT 값을 계산하였다. Total RNA isolation was performed with the RNeasy Mini Kit (Cat. No. 74104, Qiagen, Hilden, Germany) according to the manufacturer's instructions and Superscript IV First-Strand Synthesis System Kit (Cat. No. 18091200, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA). , USA) was used for cDNA synthesis. Semi-quantitative RT-PCR was performed under the following conditions: 94° C. for 3 minutes; 32-35 cycles extending for 30 seconds at 94°C, 40 seconds at 55°C, 40 seconds at 72°C, 5 minutes at 72°C. Each PCR product was loaded onto a 2% agarose gel containing SYBR Safe DNA gel stain (Cat No. S33102, Invitrogen) and Gel-Doc (Biorad, Hercules, California, USA) and used for imaging. Quantitative real-time PCR (qRT-PCR) was performed with SYBR green PCR Master mix (Applied Biosystems, Foster City, CA, USA), and the reaction was detected in a 7500 Fast Real-time PCR system (Applied Biosystems). Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) was used as an internal standard and the CT value of the target gene was calculated using the provided software.
9. 알칼리인산분해효소(Alkaline phosphatase, AP) 및 면역세포화학염색법(immunocytochemistry)9. Alkaline phosphatase (AP) and immunocytochemistry
AP 염색은 이전에 기술된 바와 같이 나프톨/패스트 레드 바이올렛 용액 (Sigma-Aldrich)을 사용하여 수행하였다. 면역세포화학염색을 위해, 세포를 4 % PFA에 고정시키고, 0.1 % Triton X-100으로 침윤시켰다. 차단 후, 세포를 각 1 차 항체와 함께 밤새 4 ℃에서 반응시킨 후, 형광 결합된 2 차 항체에서 2 시간 동안 인큐베이션 하였다. 슬라이드는 Axiovert 200M 현미경 (Carl Zeiss, Gottingen, Germany) 또는 공초점 현미경 (Cat. No. FV1000 Live, OLYMPUS, Tokyo, Japan)에서 관찰하였다. AP staining was performed using a Naphthol/Fast Red Violet solution (Sigma-Aldrich) as previously described. For immunocytochemical staining, cells were immobilized in 4% PFA and infiltrated with 0.1% Triton X-100. After blocking, the cells were reacted with each of the primary antibodies overnight at 4°C, and then incubated for 2 hours in a fluorescently-conjugated secondary antibody. The slides were observed under an Axiovert 200M microscope (Carl Zeiss, Gottingen, Germany) or a confocal microscope (Cat. No. FV1000 Live, OLYMPUS, Tokyo, Japan).
10. 핵형(karyotype)의 확인 및 STR(short tandem repeat) 분석10. Karyotype identification and STR (short tandem repeat) analysis
염색체 G-밴드 핵형 분석은 GenDix Inc. (서울, 대한민국)에 의해 수행되었다. STR 분석을 위해 섬유아세포 및 iPSCs의 gDNA 준비는 DNeasy Blood & Tissue Kits (Cat. No. 69504, Qiagen)를 사용하여 제조업체의 지침에 따라 수행했다. STR genotyping은 HumanPass Inc. (서울, 대한민국)에 의해 분석되었다.Chromosome G-band karyotyping was performed by GenDix Inc. (Seoul, Korea). The preparation of gDNA of fibroblasts and iPSCs for STR analysis was performed using DNeasy Blood & Tissue Kits (Cat. No. 69504, Qiagen) according to the manufacturer's instructions. STR genotyping is owned by HumanPass Inc. (Seoul, Korea).
11. EB(embryoid bodys) 및 기형종(teratoma) 형성 어세이11. EB (embryoid body) and teratoma formation assay
시험관 내 분화 능력 분석을 위해, iPSC는 1mg/ml 콜라게나제 타입 IV (Gibco)를 사용하여 분리시키고 DMEM/F12 (gibco)에 기초한 10% knockout serum replacement (Gibco)를 보충한 EB 배지에서 비-코팅된 디쉬에 재-플레이팅하였다. 5 일 후, EB를 마트리겔 코팅된 LabTek chamber 슬라이드 (Nunc, Rochester NY, USA)에 부착시키고 10 일 동안 배양하였다. 6 주령의 BALB/c-nude mice (Orient Bio Inc, Seoul, Korea)에 iPSCs (1 × 106 cells)를 피하 주사하였다. 생성된 기형종을 10 % 포름알데히드로 고정시키고, 파라핀 포매하고, 연속 절편하고, 헤 마톡실린 및 에오신 염색 (H & E) 용액 (Sigma-Aldrich)을 사용하여 염색하였다. 기형종 어세이는 KRIBB의 기관 동물 케어 및 사용위원회 (승인 번호 : KRIBB-AEC-17014)의 승인을 받아 수행되었다.For in vitro differentiation capacity analysis, iPSCs were isolated using 1 mg/ml collagenase type IV (Gibco) and non-in EB medium supplemented with 10% knockout serum replacement (Gibco) based on DMEM/F12 (gibco). Re-plated on coated dishes. After 5 days, EBs were attached to Matrigel coated LabTek chamber slides (Nunc, Rochester NY, USA) and incubated for 10 days. 6 weeks old BALB/c-nude mice (Orient Bio Inc, Seoul, Korea) were injected with iPSCs (1 × 10 6 cells) subcutaneously. The resulting teratomas were fixed with 10% formaldehyde, paraffin-embedded, serially sectioned, and stained using hematoxylin and eosin staining (H & E) solution (Sigma-Aldrich). Teratoma assay was performed with the approval of KRIBB's Institutional Animal Care and Use Committee (approval number: KRIBB-AEC-17014).
12. 운동 뉴런(MN)으로의 분화12. Differentiation into motor neurons (MN)
MN은 이전에 기술된 바와 같이 분화되었다. 신경계 유도 배지는 1 % P/S, 1 % GlutaMAX (Gibco), 100nM L-아스코르빈산 (Santacruz Biotechnology, Delaware, CA, USA), 0.5 X N-2 보충제 (Gibco) 및 0.5x B-27 보충제(Gibco)가 보충된 DMEM/F12 배지 및 neurobasal 배지의 1:1 혼합배지가 사용되었다. iPSC는 1 mg/ml 콜라게나제 타입 IV 및 1 mg/ml 디스파제(dispase, Invitrogen)를 사용하여 분리시켰다. 분리된 iPSCs는 3 μM CHIR99021 (Torcris, Ballwin, MO, USA), 2 μM DMH-1 (Stemgent, Texas, USA) 및 2 μM SB431542 (Stemgent)를 포함하는 NEP 배지로 코팅되지 않은 페트리 접시에서 배양되었다. 배양배지는 격일로 교체하였다. 6 일 후, NEPs는 1 mg/ml 디스파제로 분리시키고, 1 μM CHIR99021, 2 μM DMH-1, 2 μM SB431542, 0.1 μM 레티놀산 (RA, Stemgent) 및 0.5 μM purmorphamine (Pur, Stemgent)을 보충한 신경 유도 배지를 이용하여 pMN(motor neuron progenitors)으로 분화시켰다. pMN 유도 배지는 격일로 교체하였다. pMN은 McIlwainTM 조직 절단기 (Mickle Engineering, Gomshall, UK)를 사용하여 일주일에 한 번 계대배양하고, 0.5 mM VPA (Stemgent)가 보충된 pMN 유도 배지에서 배양하였다. 배지는 격일로 교체하였다. pMN을 Recovery ™ 세포 배양 동결 배지 (Gibco)로 동결시키고 액체 질소에 저장하였다. MN으로의 추가 분화를 위해, 0.5 μM RA 및 0.1 μM Pur로 보충된 MN 유도 배지에서 해리된 pMN을 배양함으로써 HB9+ MN을 생성시켰고, 배지를 격일로 교체하였다. 6 일 후, ChAT+ 및 SMI32+ MNs의 유도를 Accumax (eBioscience, San Diego, CA, USA)를 사용하여 단일 세포로 해리시키고, 마트리겔 코팅된-플레이트에 분주하고, 0.1 mM 화합물 E (Calbiochem, Darmstadt, 독일)가 보충된 MN 배지에서 10 일 동안 배양하였다. 모든 분화 실험은 독립적으로 적어도 세 번 수행되었다.MN differentiated as previously described. Nervous system induction medium is 1% P/S, 1% GlutaMAX (Gibco), 100nM L-ascorbic acid (Santacruz Biotechnology, Delaware, CA, USA), 0.5 X N-2 supplement (Gibco) and 0.5x B-27 supplement A 1:1 mixed medium of DMEM/F12 medium and neurobasal medium supplemented with (Gibco) was used. iPSCs were isolated using 1 mg/ml collagenase type IV and 1 mg/ml dispase (Invitrogen). The isolated iPSCs were cultured in Petri dishes not coated with NEP medium containing 3 μM CHIR99021 (Torcris, Ballwin, MO, USA), 2 μM DMH-1 (Stemgent, Texas, USA) and 2 μM SB431542 (Stemgent). . The culture medium was changed every other day. After 6 days, the NEPs were separated with 1 mg/ml dispase, supplemented with 1 μM CHIR99021, 2 μM DMH-1, 2 μM SB431542, 0.1 μM retinoleic acid (RA, Stemgent) and 0.5 μM purmorphamine (Pur, Stemgent). It was differentiated into pMN (motor neuron progenitors) using a nerve induction medium. The pMN induction medium was changed every other day. pMN was subcultured once a week using a McIlwainTM tissue cutter (Mickle Engineering, Gomshall, UK), and cultured in pMN induction medium supplemented with 0.5 mM VPA (Stemgent). The medium was changed every other day. pMN was frozen with Recovery™ cell culture freezing medium (Gibco) and stored in liquid nitrogen. For further differentiation into MN, HB9 + MN was generated by culturing dissociated pMN in MN induction medium supplemented with 0.5 μM RA and 0.1 μM Pur, and the medium was replaced every other day. After 6 days, the induction of ChAT + and SMI32 + MNs was dissociated into single cells using Accumax (eBioscience, San Diego, CA, USA), dispensed into matrigel coated-plates, and 0.1 mM compound E (Calbiochem, USA). Darmstadt, Germany) in MN medium supplemented for 10 days. All differentiation experiments were performed independently at least three times.
13. 웨스턴 블로팅13. Western Blotting
지시된 시간에 pMN 및 MN을 수확하였다. 세포를 1mM 프로테아제 억제제 및 1xPMSF를 함유하는 RIPA 완충액으로 용해시켰다. 세포 용해물 20 ㎍을 프리 캐스트겔 (4-15 % 구배, Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, USA)에 의해 분석하였다. 전달 후, 막을 적절한 1 차 항체와 함께 반응시키고, 세척하고, 2 차 항체와 함께 처리하고 방치하였다. 밴드 강도는 ImageJ 소프트웨어 (National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA)를 사용하여 정량화 하였다.PMN and MN were harvested at the indicated times. Cells were lysed with RIPA buffer containing 1 mM protease inhibitor and 1xPMSF. 20 μg of cell lysate was analyzed by precast gel (4-15% gradient, Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, USA). After delivery, the membrane was reacted with the appropriate primary antibody, washed, treated with the secondary antibody and left to stand. Band intensity was quantified using ImageJ software (National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA).
14. 세포 생존율 및 사멸 분석14. Cell viability and death assay
LIVE/DEAD 생존/세포 독성 키트 (Cat. No. L3224, Invitrogen)를 사용하여 LIVE/DEAD 세포를 검출하기 위해 세포를 세척하고 실온에서 2 μM Calcein-AM 및 4 μM EthD-1을 함유한 LIVE/DEAD 분석 시약으로 처리하였다. 40 분 후, 세포를 세척하고 현미경 (IX51, Olympus, Japan)으로 시각화 하였다. 형광은 Calcein-AM 및 EthD-1로 각각 494/517 nm 및 528/617 nm에서 측정되었다. LIVE/DEAD 세포를 정량화하기 위해 세포를 트립신 처리하고 1~2ⅹ106 세포를 50 μM Calcein-AM과 4 μM EthD-1이 혼합된 LIVE/DEAD 분석 시약으로 염색하였다. 세포를 빛으로부터 보호된 실온에서 20 분 동안 배양하고 유동 세포 계측법 (BD Accuri C6; Becton-Dickinson, Mansfield, MA, USA)으로 평가하였다.Wash cells to detect LIVE/DEAD cells using the LIVE/DEAD survival/cytotoxicity kit (Cat.No.L3224, Invitrogen) and live/contain 2 μM Calcein-AM and 4 μM EthD-1 at room temperature. Treated with DEAD assay reagent. After 40 minutes, the cells were washed and visualized under a microscope (IX51, Olympus, Japan). Fluorescence was measured with Calcein-AM and EthD-1 at 494/517 nm and 528/617 nm, respectively. In order to quantify LIVE/DEAD cells, cells were trypsinized and 1-2x10 6 cells were stained with LIVE/DEAD assay reagent mixed with 50 μM Calcein-AM and 4 μM EthD-1. Cells were incubated for 20 minutes at room temperature protected from light and evaluated by flow cytometry (BD Accuri C6; Becton-Dickinson, Mansfield, MA, USA).
15. 미토콘드리아의 검출 및 미토콘드리아 슈퍼옥사이드(superoxide) 수준15. Mitochondrial detection and mitochondrial superoxide levels
미토콘드리아 내용물과 미토콘드리아 슈퍼옥사이드 생성을 모니터하기 위해, 세포를 MitoTracker (Cat No. M7514, Invitrogen) 및 MitoSOX (Cat No. M36008, Invitrogen)로 각각 염색하였다. 세포를 빛으로부터 보호된 250nM MitoTracker 및 5μM MitoSOX 염색 용액을 사용하여 37 ℃에서 15 분 동안 배양하였다. 염색 후, 세포는 각각 490/516 nm 및 510/580 nm에서 포획되었다.To monitor mitochondrial content and mitochondrial superoxide production, cells were stained with MitoTracker (Cat No. M7514, Invitrogen) and MitoSOX (Cat No. M36008, Invitrogen), respectively. Cells were incubated at 37° C. for 15 minutes using 250nM MitoTracker and 5 μM MitoSOX staining solution protected from light. After staining, cells were captured at 490/516 nm and 510/580 nm, respectively.
16. 신경돌기의 길이의 분석(Analysis of neurite overgrowth)16. Analysis of neurite overgrowth
마트리겔 코팅-플레이트의 MN 배양액을 4 % PFA로 고정했다. 신경돌기를 면역세포화학법에 따라 TUJ1로 염색하였다. 이미지는 형광현미경 (IX51, Olympus, Japan)에서 촬영했습니다. 신경돌기는 NeuronJ (ImageJ 추가 기능 소프트웨어)에 의해 분석되었다. NeuronJ를 사용하여 곡선을 만들었더라도 각 신경 돌기를 관찰할 수 있었으며, 조건 당 45 개의 신경돌기를 측정하고 길이를 정량화했다.The MN culture solution of the Matrigel coated-plate was fixed with 4% PFA. Neurites were stained with TUJ1 according to immunocytochemistry. Images were taken with a fluorescence microscope (IX51, Olympus, Japan). Neurites were analyzed by NeuronJ (ImageJ add-on software). Even if the curve was made using NeuronJ, each neurite could be observed, and 45 neurites per condition were measured and the length was quantified.
17. 동물실험17. Animal testing
모든 동물 실험은 식품의약품 안전처 지침에 따라 수행되었다. 모든 의정서는 KRIBB의 기관 동물 보호 및 이용위원회 (기관 허가 번호 : KRIBB-AEC-18132)에 의해 검토되고 승인되었다. Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME, USA)로부터 이형 접합 SMA 마우스 (FVB.Cg-Grm7Tg (SMN2) 89Ahmb Smn1tm1MsdTg (SMN2 * 델타 7) 4299Ahmb/J, 스톡 번호 005025)를 구입하고 교미하여 homozygous SMA 마우스 (SMNΔ7 형질 전환 마우스)를 획득하였다. 리고세르팁 (10 mg/kg)을 SMNΔ7 형질 전환 마우스에 생후 3 일부터 10 일까지 하루 한 번 복강 내 투여하였다 (각 군마다 n = 3). 투여 마지막 날에 주사 후 5 시간 째에 각 마우스로부터 척수를 분리하고 프로테아제 억제제 칵테일 세트 Ⅲ (Calbiochem)을 함유한 RIPA 완충액 (LPS 용액, 대전, 한국)에서 초음파 처리하여 용해물을 제조하였다. 정량적인 웨스턴 블로팅 분석은 이전에 기술된대로 수행되었다. 척수조직에서 SMN 발현 세포 집단의 정량화는 이전에 기술된 바와 같이 수행되었다. 조직학적 분석을 위해 마우스 척수를 수집하여 4% PFA 용액으로 고정하고 동결 보존을 위해 30% 수크로오스(sucrose)으로 옮겼다. 조직을 optimal cutting temperature compound(Tissue-Tek OCT Compound, Sakura Finetek USA, Inc, Torrance, CA, USA)에서 동결시키고 10μm 두께 섹션을 만들기 위해 절단하였다. 모든 section은 0.01 % Triton X-100에서 15 분간 침윤되었으며 4 ℃에서 1 차 항체와 함께 밤새 배양되었다. 3 회 세척한 후, 절편을 2 차 항체와 함께 실온에서 1 시간 동안 인큐베이션 하였다. Evos Fl Auto 2 세포 이미징 시스템 (Thermo Fisher Scientific)을 사용하여 조직을 포획했다. All animal experiments were conducted according to the guidelines of the Ministry of Food and Drug Safety. All protocols were reviewed and approved by KRIBB's Institutional Animal Care and Use Committee (Institutional Permit No.: KRIBB-AEC-18132). Heterozygous SMA mice (FVB.Cg-Grm7 Tg (SMN2) 89Ahmb Smn1 tm1Msd Tg (SMN2 * delta 7) 4299Ahmb/J, stock number 005025) were purchased from Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME, USA) and mated to homozygous SMA. Mice (SMNΔ7 transgenic mice) were obtained. Rigosertip (10 mg/kg) was administered intraperitoneally to SMNΔ7 transgenic mice once a day from 3 to 10 days of age (n = 3 for each group). On the last day of administration, 5 hours after injection, the spinal cord was isolated from each mouse and sonicated in RIPA buffer (LPS solution, Daejeon, Korea) containing protease inhibitor cocktail set III (Calbiochem) to prepare a lysate. Quantitative western blotting analysis was performed as previously described. Quantification of the SMN expressing cell population in spinal cord tissue was performed as previously described. The mouse spinal cord was collected for histological analysis, fixed with 4% PFA solution, and transferred to 30% sucrose for cryopreservation. The tissue was frozen in an optimal cutting temperature compound (Tissue-Tek OCT Compound, Sakura Finetek USA, Inc, Torrance, CA, USA) and cut to make 10 μm thick sections. All sections were infiltrated in 0.01% Triton X-100 for 15 minutes and incubated overnight with primary antibody at 4°C. After washing three times, the sections were incubated with a secondary antibody for 1 hour at room temperature. Tissue was captured using the
18. 신경근접합부(neuromuscular junction) 형성 분석18. Analysis of the formation of neuromuscular junctions
hiPSC-유도된 운동뉴런의 기능을 확인하기 위해, C2C12 세포를 유지 배지에서 880 세포/mm2의 밀도로 마트리겔-코팅 공초점 접시상에 배양하였다. 24 시간 후, 세포를 분화배지에 옮겨 myoblast fusion을 유도하였다. 배지는 격일로 교체하였다. 4 일째에, HB9+ MN은 해리되어 8800 세포/mm2의 밀도로 근관(myotubes)에 분주하였다. 세포는 신경영양인자 (10 ng/ml 인슐린 유사 성장 인자 1, Peptrotech, Rocky Hill, NJ, USA)), 10 ng/ml 뇌-유래의 신경영양인자 (BDNF, Peptrotech) 및 10 ng/ml 섬모신경영양인자(CNTF, R&D systems)를 포함하고 있는 분화 배지에서 7일간 배양하였다. NMJ의 평가를 위해 α-Bungarotoxin-488과 ChAT +의 중첩영역 정량을 수행하였고, NMJ 측정은 iPSC-유래 MN 및 C2C12 세포의 공동 배양 조건에서 6 필드마다 수행되었다. In order to confirm the function of hiPSC-induced motor neurons, C2C12 cells were cultured on a Matrigel-coated confocal dish at a density of 880 cells/mm 2 in maintenance medium. After 24 hours, the cells were transferred to differentiation medium to induce myoblast fusion. The medium was changed every other day. On
19. 전기생리학적 기록(Electrophysiological recordings)19. Electrophysiological recordings
활동 전위 (AP)와 전압 게이트된 나트륨/칼륨 전류를 측정하기 위해 전체 셀 패치 클램프 기록을 수행했다. 마지막으로 분화된 MN을 기록 챔버에 넣고 137 NaCl, 2.0 CaCl2, 10 HEPES, 20 glucose (NaOH를 함유 한 pH 7.3)의 포도당 용액 (3 mM/min)을 연속적으로 관류시켰다. 패치 피펫은 피펫 풀러 (PP-830, Narishige, Japan)를 사용하여 보로실리케이트 유리 모세관 (Clark Electromedical Instruments, UK)으로 만들었다. 그들의 저항은 피펫 용액 (mM 단위)으로 채워졌을 때 5-8MΩ이었다: 140 K-글루코네이트, 5 NaCl, 1 MgCl2, 0.5 EGTA, 10 HEPES (pH 7.25, KOH). 전압 또는 전류 클램프 프로토콜 생성 및 데이터 수집은 A/D 변환기, Digidata 1440 (Molecular Devices, Sunnyvale, CA USA) 및 pClamp 10.3 소프트웨어 (Molecular Devices)가 장착된 컴퓨터로 제어되었다. 신호를 5 kHz에서 필터링하고 Axopatch 200B 증폭기 (Molecular Devices)를 사용하여 10 kHz에서 샘플링했다. 유발된 AP는 500 ms 동안 0.02 nA 증분으로 -0.1에서 0.2 nA까지 단계 전류를 주입함으로써 유도되었다. 전압 게이트 전류의 경우, -70 ~ +90 mV에서 10 mV 단위로 1 초 동안 전압 단계를 사용했다. 데이터 분석을 위해 Clamfit (Molecular Devices), GraphPad Prism 버전 5 (GraphPad Software Inc., San Diego, CA, USA) 및 Origin (Microsoft, Redmond, Washington, USA)을 사용했다.Whole cell patch clamp recordings were performed to measure action potential (AP) and voltage gated sodium/potassium currents. Finally, the differentiated MN was put into the recording chamber and a glucose solution (3 mM/min) of 137 NaCl, 2.0 CaCl 2 , 10 HEPES, and 20 glucose (pH 7.3 containing NaOH) was continuously perfused. Patch pipettes were made with borosilicate glass capillaries (Clark Electromedical Instruments, UK) using a pipette puller (PP-830, Narishige, Japan). Their resistance was 5-8 MΩ when filled with pipette solution (in mM): 140 K-gluconate, 5 NaCl, 1 MgCl 2 , 0.5 EGTA, 10 HEPES (pH 7.25, KOH). Voltage or current clamp protocol generation and data acquisition was controlled by a computer equipped with an A/D converter, Digidata 1440 (Molecular Devices, Sunnyvale, CA USA) and pClamp 10.3 software (Molecular Devices). The signal was filtered at 5 kHz and sampled at 10 kHz using an Axopatch 200B amplifier (Molecular Devices). The induced AP was induced by injecting a step current from -0.1 to 0.2 nA in 0.02 nA increments for 500 ms. For the voltage gate current, a voltage step was used for 1 second in 10 mV increments from -70 to +90 mV. Clamfit (Molecular Devices), GraphPad Prism version 5 (GraphPad Software Inc., San Diego, CA, USA) and Origin (Microsoft, Redmond, Washington, USA) were used for data analysis.
20. 통계학적 분석20. Statistical Analysis
2 개의 독립적인 샘플 간의 차이의 통계적 유의성은 비-파라메트릭 Mann-Whitney U- 테스트를 사용하여 분석되었다. 실험 결과는 평균값 ± 표준 오차 (SEM)로 표현되었으며 통계적으로 유의한 차이는 별표 (ns : 유의하지 않음, * P <0.05, ** P <0.01, *** P < 0.001)로 나타내었다. 모든 실험은 적어도 3 번 반복되었다.The statistical significance of the difference between the two independent samples was analyzed using a non-parametric Mann-Whitney U-test. The experimental results were expressed as mean value ± standard error (SEM), and statistically significant differences were indicated by asterisks (ns: not significant, * P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001). All experiments were repeated at least 3 times.
실험결과Experiment result
1. SMN2 스플라이싱 조절자의 스크리닝1. Screening of SMN2 splicing modulators
SMN2의 스플라이싱 결함은 SMA 환자의 질환 표현형을 유발하는 주요 인자이기 때문에 SMN2 스플라이싱의 회복은 SMA의 치료를 위한 유망한 치료 방법이다. 따라서 본 발명자는 SMN2 스플라이싱의 정량적 평가를 위한 루시퍼 레이즈 리포터 분석법과 환자-특이적 iPSC 기반 분석을 사용하는 약물 후보의 검증법을 결합한 SMA 약물 개발을 위한 새로운 플랫폼을 개발했다(도 1a). SMN2 스플라이싱의 용이하고 정량적인 측정을 위해 본 발명자는 firefly luciferase(FLuc) 유전자가 융합되고, exon 6에서 8까지의 엑손 및 그 사이의 인트론으로 구성된 외인성으로 도입된 SMN2 미니 유전자가 포함된 견고한 세포 기반 분석 시스템 (SMN2-루시퍼라제 스플라이싱 리포터 세포주; SMN2-Luc 안정 세포주)을 개발했다(도 1b). 이 분석 시스템에서 exon 7이 포함된 mRNA가 FLuc 단백질과 융합된 더 큰 단백질을 생성하기 때문에 exon 7의 포함을 강화시키는 화합물은 FLuc 활성을 증가시키게 된다. 대조적으로, 엑손 7이 결손된 mRNA는 엑손 8에서 프레임 내 번역 종결 코돈을 생성하여, FLuc 단백질의 융합없이 미리 성숙된 종결 단백질을 생산하게 된다. 88 개의 저분자 화합물로 처리한 후, 본 발명자는 루시퍼라제 활성을 DMSO 대조군의 3 배 이상으로 현저히 증가시킨 2 가지 화합물(53 번 및 65 번)을 확인했다(도 1c). Since SMN2 splicing defect is a major factor inducing disease phenotype in SMA patients, recovery of SMN2 splicing is a promising treatment for the treatment of SMA. Therefore, the present inventors have developed a new platform for SMA drug development that combines the Lucifer Raise Reporter assay for quantitative evaluation of SMN2 splicing and the validation of drug candidates using patient-specific iPSC-based assays (Fig. 1a). For the easy and quantitative measurement of SMN2 splicing, the present inventors have developed a robust SMN2 minigene in which the firefly luciferase (FLuc) gene is fused,
2. 후보 화합물 리고세르팁은 SMN2 엑손 7의 스플라이싱 교정을 촉진함2. Candidate compound Ligosertip promotes splicing correction of
다음으로 본 발명자는 상기 선택된 두 화합물이 SMA 유형 I 환자에서 SMA 섬유아세포의 SMN 단백질 양을 증가시키는지 여부를 조사했다. 본 발명자는 세포 내에서 SMN 단백질의 정량적 측정을 제공하는 특정 항체를 사용하여 SMN 단백질을 특이적으로 검출하는 면역측정법을 수행했다. 두 화합물 중 화합물 번호 65만이 SMN 단백질(DMSO 대조군의 1.62 배)을 유의하게 증가시켰다(도 2a). 따라서 후속 연구는 잘 알려진 PLK (Polo-like kinase) 억제제인 리고세르팁(ON 01910.Na)인 화합물 65번으로만 수행되었다. SMN2 스플라이싱에 대한 리고세르팁의 효과가 PLK 억제와 관련이 있는지 여부를 추가로 정의하기 위해, 4 개의 다른 PLK 억제제 (BI2536, GSK461364, HMN214 및 BI6727)도 SMN2-Luc 세포에서 시험하였다. 시험된 다섯 가지 PLK 억제제 중 리고세르팁은 SMN2-Luc 세포의 루시퍼라제 활성을 100 및 1,000 nM에서 약 4 배 증가시키는 가장 강한 효과를 보였으나 다른 억제제는 루시퍼라제 활성에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 못했다(도 2b). 리고세르팁은 SMN1-Luc 세포에서 루시퍼라제 활성에 거의 영향을 미치지 않았다(도 2b). 종합적으로, 이러한 결과는 리고세르팁이 SMN2에 대한 강한 스플라이싱 개선 활성을 나타내며 그 활성이 PLK 억제와 관련이 없다는 것을 나타낸다.Next, the present inventors investigated whether the two selected compounds increase the amount of SMN protein in SMA fibroblasts in SMA type I patients. The present inventors performed immunoassays to specifically detect SMN proteins using specific antibodies that provide a quantitative measurement of SMN proteins in cells. Of the two compounds, only
본 발명자는 리고세르팁이 다른 메커니즘에 의해 SMN 단백질의 발현을 증가시킬수 있는지 여부를 조사했다. SMN2 전사 활성화에 대한 리고세르팁의 효과를 분석하기 위해, 본 발명자는 firefly 루시퍼라제 단백질을 PEST 서열과 융합함으로써 반응성이 높은, SMN2 프로모터를 포함하는 루시퍼라제 리포터 벡터를 제작하였다. 실험결과리고세르팁은 전사 활성화에 유의한 변화를 유도하지 않았으나, HDAC 저해제인 SAHA 및 SB를 포함한 양성 대조군은 세포 생존 능력에 영향을 미치지 않으면서도 전사 활성화를 현저하게 유도하는 것으로 확인되었다(도 2c). SMN 단백질 안정성에 대한 리고세르팁의 가능한 효과 또한 조사되었다. SMNΔ7의 분해가 proteasome에 의해서 매우 민감하게 일어남을 고려해서, FLuc-SMNΔ7 단백질을 안정적으로 발현하는 293T 세포(FLuc-SMNΔ7 안정 세포주)를 먼저 확립하였다. 루시퍼라제 활성은 SMNΔ7의 불안정성을 나타내는데, protein synthesis inhibitor cycloheximide (CHX) 를 단독으로 처리함으로써 급격히 감소했다. 여기에 MG132를 추가적으로 처리하면 프로테아좀 저해의 결과로 루시퍼라제 활성이 현저히 증가했다. 대조적으로, 리고세르팁은 세포 생존율에 유의한 영향을 미치지 않으면서 SMNΔ7의 분해에 거의 영향을 미치지 않았다(도 2d). 이러한 결과를 통해 SMN 발현에 대한 리고세르팁의 영향에서 전사 및 단백질 안정성과의 관련성을 분명히 배제할 수 있었다. The present inventors investigated whether igosertip can increase the expression of SMN protein by other mechanisms. In order to analyze the effect of Rigosertip on the activation of SMN2 transcription, the present inventors constructed a highly reactive luciferase reporter vector containing the SMN2 promoter by fusing the firefly luciferase protein with the PEST sequence. As a result of the experiment, Rigosertip did not induce a significant change in transcriptional activation, but it was confirmed that positive controls including the HDAC inhibitors SAHA and SB significantly induce transcriptional activation without affecting cell viability (Fig. ). The possible effect of igosertip on SMN protein stability was also investigated. Considering that the degradation of SMNΔ7 occurs very sensitively by the proteasome, 293T cells (FLuc-SMNΔ7 stable cell line) stably expressing the FLuc-SMNΔ7 protein were first established. Luciferase activity indicates the instability of SMNΔ7, which was rapidly reduced by treatment with the protein synthesis inhibitor cycloheximide (CHX) alone. Further treatment with MG132 significantly increased the luciferase activity as a result of inhibition of the proteasome. In contrast, Ligosertip had little effect on the degradation of SMNΔ7 without significantly affecting the cell viability (FIG. 2D ). These results clearly exclude the association between transcription and protein stability in the effect of igosertip on SMN expression.
3. 제1형 SMA 환자로부터 iPSCs의 생성3. Generation of iPSCs from
In vitro 인간 SMA 모델을 확립하기 위해 본 발명자는 제1형 SMA 환자 섬유아세포 및 SMA iPSCs를 질병 관련 세포 유형으로 분화하여 리고세르팁의 실험적 검증을 위해 SMA iPSC를 생성했다. 본 발명자는 비-통합 oriP/EBNA-1 기반 episomal 벡터를 사용하여 SMA 섬유아세포를 iPSCs로 리프로그래밍 했다. SMA iPSCs의 성질은 hESC 유사 형태와 AP, OCT4, NANOG, TRA-1-60, TRA-1-81, SSEA-3 및 SSEA-4를 포함한 다능성 마커의 발현으로 확인되었다. SMA iPSC의 in vitro 및 in vivo 분화 가능성은 각각 SMA iPSC에서 파생된 EB 및 기형종의 세 가지 배아층의 존재로 확인되었다. Short tandem repeat (STR) 분석은 SMA iPSCs가 SMA 환자의 섬유아세포에서 유래되었으며 배양된 SMA iPSCs가 정상 핵형을 유지함을 확인했다(결과 미도시). 이 결과는 SMA 섬유 아세포가 SMA iPSCs로 성공적으로 리프로그래밍 되었음을 나타낸다. In order to establish an in vitro human SMA model, the present inventors differentiated
4. SMA iPSC-유래 pMN(SMA iPSC-pMN)을 사용한 in vitro SMA 모델의 개발4. Development of an in vitro SMA model using SMA iPSC-derived pMN (SMA iPSC-pMN)
SMA는 SMN1 유전자의 소실과 하부척수의 α-MNs에 주로 영향을 주는 SMN2 유전자의 비효율적인 스플라이싱으로 인해 SMN 단백질의 낮은 수치에 기인한다. 따라서 질병 관련 phenotypes을 관찰하기 위해 WT iPSCs와 SMA iPSCs를 고순도 pMN을 통해 MN으로 분화시켰다(도 3a). WT 인간 섬유아세포 및 SMA iPSC에서 유도된 iPSCs는 SB431542 (activin-nodal signaling의 억제제), DMH1 (bone morphogenetic protein signaling의 억제제) 및 CHIR99021 (Wnt agonist)의 존재하에 신경상피전구세포(neuroepithelial progenitors, NEPs)로 분화되었다. 그 다음으로, caudalization을 위해 RA로 그리고 ventralization을 위해 Pur (SHH signaling agonist)로 처리하였다. OLIG2+ pMN의 견고한 개체군은 NKX2.2로 라벨이 붙은 신경 내 전구체가 없는 iPSC와의 분화 후 12 일째에 분리되고 중단되었다. 말단 분화를 위해 OLIG2+ pMNs를 RA 및 Pur 현탁액으로 처리하여 HB9+ 및 ISL1+ 성숙 MNs 로의 분화를 유도한 다음 화합물 E의 존재하에 10일간 성숙한 ChAT+ 및 SMI32+ MN으로 더 분화시켰다(도 3b). 또한, 분화된 pMNs 및 MNs의 OLIG2+ 및 ChAT+ 세포의 비율은 WT 및 SMA 그룹에서 OLIG2+ 및 75 %의 ChAT+를 각각 75.6 % 이상 유지했다(도 3c). 이 데이터는 WT와 SMA 그룹 간의 차별화 가능성에 큰 차이가 없음을 의미한다. 중요한 것은 WT iPSCs와 SMA iPSCs에서 유래된 대부분의 pMNs는 Ki67 발현에 의해 나타나는 것처럼 증식성이 높았고, pMNs는 강력한 OLIG2 발현과 함께 적어도 5 개의 계대로 확장되었다 (Fig. 3d). 또한, OLIG2+ pMNs는 냉동, 해동된 후 필요할 때 성숙한 ChAT+ MN으로 최종 분화될 수 있다.SMA is due to the low levels of SMN protein due to the loss of the SMN1 gene and inefficient splicing of the SMN2 gene, which primarily affects α-MNs in the lower spinal cord. Therefore, in order to observe disease-related phenotypes, WT iPSCs and SMA iPSCs were differentiated into MNs through high-purity pMN (FIG. 3A). IPSCs derived from WT human fibroblasts and SMA iPSCs are neuroepithelial progenitors (NEPs) in the presence of SB431542 (inhibitor of activin-nodal signaling), DMH1 (inhibitor of bone morphogenetic protein signaling) and CHIR99021 (Wnt agonist) Differentiated into Next, it was treated with RA for caudalization and Pur (SHH signaling agonist) for ventralization. A robust population of OLIG2+ pMN was isolated and discontinued 12 days after differentiation with iPSCs without intraneuronal precursors labeled NKX2.2. For terminal differentiation, OLIG2+ pMNs were treated with RA and Pur suspensions to induce differentiation into HB9+ and ISL1+ mature MNs, and then further differentiated into mature ChAT+ and SMI32+ MNs for 10 days in the presence of compound E (FIG. 3b ). In addition, the ratio of OLIG2+ and ChAT+ cells of differentiated pMNs and MNs maintained at least 75.6% of OLIG2+ and 75% of ChAT+ in WT and SMA groups, respectively (Fig. 3c). These data imply that there is no significant difference in the likelihood of differentiation between WT and SMA groups. Importantly, most pMNs derived from WT iPSCs and SMA iPSCs had high proliferative properties as indicated by Ki67 expression, and pMNs were expanded to at least 5 passages with strong OLIG2 expression (Fig. 3d). In addition, OLIG2+ pMNs can be frozen and thawed and finally differentiated into mature ChAT+ MNs as needed.
pMN 및 MN 분화 동안, SMA iPSC로부터 분화된 세포는 WT 세포와 비교하여 상이하고 균등한 결함 특성을 나타냈다. 첫째, RT-PCR 분석 결과, SMA iPSC-pMNs와 SMA iPSC-MNs는 SMN1과 SMN2를 포함하여 SMN-FL 전사체의 수준이 낮았으며, SMN-FL 밴드 강도는 WT iPSC-pMNs과 비교하여 SMA# 1-pMNs에서 21.54 % 및 SMA#2-pMN에서 26.55 %를 나타냈으며, WT iPSC-MN과 비교하여 SMA#1-MN의 경우 33.98 % 및 SMA # 2-MN의 경우 24.44 %를 각각 나타내었고, 더 높은 수준의 SMNΔ7 전사를 나타내었다(도 4a). During pMN and MN differentiation, cells differentiated from SMA iPSCs showed different and equal defect properties compared to WT cells. First, as a result of RT-PCR analysis, SMA iPSC-pMNs and SMA iPSC-MNs had lower levels of SMN-FL transcripts, including SMN1 and SMN2, and SMN-FL band intensity was compared with WT iPSC-pMNs. It was 21.54% in 1-pMNs and 26.55% in SMA#2-pMN, and 33.98% in SMA#1-MN and 24.44% in SMA#2-MN, respectively, compared to WT iPSC-MN, respectively. It showed a higher level of SMNΔ7 transcription (FIG. 4A ).
둘째, 단백질 수준에서, SMA iPSC-pMNs 및 SMA iPSC-MNs에서 SMN-FL 단백질의 발현은 현저하게 감소하였다. 즉, WT pMN 대조군과 비교했을 때 SMA#1-pMNs은 16.82% 및 SMA#2-pMNs은 35.19% 감소했고, WT MN 대조군곽 비교했을 때 SMA#1-MN은 27.73% 및 SMA#2-MN은 30.27% 각각 감소한 것을 웨스턴 블로팅(도 4b) 및 면역세포화학(도 4c) 결과를 통해 확인했다. Nuclear gem body는 SMA iPSC-pMNs와 SMA iPSC-MNs에 거의 존재하지 않았다(도 4c). 이러한 결과는 SMA iPSC-pMNs 및 SMA iPSC-MNs에서 기능성 SMN-FL 단백질의 감소된 수준을 나타낸다. Second, at the protein level, the expression of SMN-FL protein in SMA iPSC-pMNs and SMA iPSC-MNs was significantly reduced. That is, when compared with the WT pMN control group, SMA#1-pMNs decreased by 16.82% and SMA#2-pMNs by 35.19%, and when compared with the WT MN control group, SMA#1-MN decreased by 27.73% and SMA#2-MN. It was confirmed through Western blotting (Fig. 4b) and immunocytochemistry (Fig. 4c) results that each decreased by 30.27%. Nuclear gem body was hardly present in SMA iPSC-pMNs and SMA iPSC-MNs (Fig. 4c). These results indicate a reduced level of functional SMN-FL protein in SMA iPSC-pMNs and SMA iPSC-MNs.
셋째, 이전과 다른 그룹에 의해 보고된 바와 같이, WT 세포와 비교하여 SMA 세포에서 증가된 세포 사멸이 관찰되었다(각각 SMA#1-pMNs에서 1.59 배, SMA#2-pMNs에서 1.77 배, SMA#1-MNs에서 1.71 배, SMA#2-MNs에서 1.76 배)(도 4d). Third, as reported by other groups than before, increased apoptosis was observed in SMA cells compared to WT cells (1.59 times in SMA#1-pMNs, 1.77 times in SMA#2-pMNs, SMA# respectively. 1.71 fold in 1-MNs, 1.76 fold in SMA#2-MNs) (Figure 4d).
넷째, 이전에 보고된 결과와 동일하게 SMA iPSC-MN에서의 신경돌기는 WT#1 iPSC-MNs과 비교하여 현저히 짧은 것으로 확인되었다(도 4e).Fourth, it was confirmed that the neurites in SMA iPSC-MN were significantly shorter compared to
또한, NMJ 형성을 위해 분화된 WT 및 SMA iPSC-MNs를 마우스 C2C12 세포로부터 분화된 근육 세포와 함께 배양하였을 때, myotubes상의 응집된 α-bungarotoxin (α-BTX) acetylcholine receptors (AChR)가 WT iPSC 유래 MNs 내에서 신경돌기와 오버랩 하는 것이 발견되었으며, 이는 NMJ의 형성을 시사한다. 그러나, SMA iPSC 유래 MN과 함께 배양된 myotubes에서의 AChR 클러스터링은 현저하게 손상되었다(결과 미도시). In addition, when WT and SMA iPSC-MNs differentiated for NMJ formation were cultured with muscle cells differentiated from mouse C2C12 cells, aggregated α-bungarotoxin (α-BTX) acetylcholine receptors (AChR) on myotubes were derived from WT iPSC. It was found to overlap with the neurite within the MNs, suggesting the formation of NMJ. However, AChR clustering in myotubes cultured with SMA iPSC-derived MN was markedly impaired (results not shown).
또한, 본 발명자는 WT 및 SMA iPSCs에서 최종 분화 MNs가 기능 막 특성을 가지고 있는지 여부를 전기생리학적(electrophysiological) 분석을 이용하여 분석했다. MN에 0.02 nA 단계의 전류로 -0.1 nA에서 0.2 nA가 주입되었을 때, WT iPSC에서 유도된 MN에서 0.2 nA까지 AP가 발생되었다(Vm> 0 mV). 그러나 다중 AP는 SMA iPSC 유래 MNs에서 유도되었다(결과 미도시). 대조군 MN에서 평균 Na+ 전류는 WT#1 iPSC-MNs에 대해 54.8 ± 6.4 pA/pF 및 WT#2 iPSC-MNs에 대해 -53.7 ± 8.3 pA/pF이고, SMA#1 iPSC-MNs에서 74.3 ± 14.7 pA/pF 및 SMA#2 iPSC-MNs에서 85.2 ± 10.8 pA/pF이었다. 따라서, 이러한 데이터는 SMA MN이 이전에 보고된 바와 같이, 보다 높은 AP 발생 및 INa 전류 밀도를 갖는 WT MN보다 더 쉽게 흥분한다는 것을 증명한다. 이 데이터는 우리의 배양 시스템에서 SMA iPSC-pMN과 SMA iPSC-MN이 모두 SMA 병리학을 분석하는데 유용하며 in vitro 질병 모델에 적용될 수 있음을 의미한다. SMA iPSC-pMNs는 SMN-FL 전사체와 단백질의 더 현저한 감소와 세포 배양에 기초한 분석을 수행하기 위한 충분한 양을 신속하게 산출할 수 있는 능력과 같은 장점으로 인해 추후 실험을 위해 선택되었다.In addition, the present inventors analyzed whether the final differentiated MNs in WT and SMA iPSCs have functional membrane properties using electrophysiological analysis. When -0.1 nA to 0.2 nA was injected into the MN with a current of 0.02 nA, AP was generated from MN to 0.2 nA induced in WT iPSC (Vm> 0 mV). However, multiple APs were induced in SMA iPSC-derived MNs (results not shown). Mean Na+ currents in control MNs were 54.8 ± 6.4 pA/pF for
5. SMN2 스플라이싱 결손으로 인해 유발된 SMA iPSC-pMNs에서의 세포 손상이 리고세르팁 처리에 의해 개선됨5. Cell damage in SMA iPSC-pMNs caused by SMN2 splicing defect was improved by Ligosertip treatment
SMN2-Luc 안정 세포주를 사용한 1차 스크리닝에서 선택된 후보 리고세르팁은 SMN2에 대한 상당한 스플라이싱 교정 활성을 나타내었다. 따라서, 본 발명자는 in vitro에서 질병 표현형을 모방할 수 있는 상기 SMA iPSC-pMNs에서 SMN2 엑손 7의 스플라이싱을 억제함으로써 리고세르팁이 결함 있는 표현형을 완화시킬 수 있는지 여부를 시험했다. Candidate Ligosertips selected in the primary screening using the SMN2-Luc stable cell line showed significant splicing corrective activity against SMN2. Therefore, the present inventors tested whether igosertip can alleviate the defective phenotype by inhibiting splicing of
그 결과, 리고세르팁은 처리 72 시간 후에 SMA iPSC-pMNs에서 SMN-FL mRNA 수준을 증가시켰다(도 5a). 엑손 7과 8을 스패닝하는 정방향 프라이머 및 엑손 8에 대한 역방향 프라이머를 이용한 qRT-PCR 분석 결과, SMA#1 iPSC-pMNs와 SMA#2 iPSC-pMNs는 SMN-FL 전사체의 양이 각각 WT#1 iPSC-pMNs과 비교하여 74.21 % 및 50.42 %로 더 낮았다(도 5b). WT 대조군 간에는 유의한 차이가 없었다. As a result, Rigosertip increased SMN-FL mRNA levels in SMA iPSC-pMNs 72 hours after treatment (FIG. 5A). As a result of qRT-PCR analysis using forward
리고세르팁은 SMA#1 iPSC-pMNs 및 SMA#2 iPSC-pMNs에 exon 7을 각각 2.78 배 및 1.46 배 포함시킴으로써 SMN-FL의 mRNA 발현을 증가시켰다. 리고세르팁 처리는 웨스턴 블로팅 분석(도 5c) 및 면역세포화학(도 5d)에 의해 결정된 바와 같이, 환자 유도된 pMN에서 SMN 단백질의 양을 증가시켰고 SMA iPSC-pMNs에서 gem body의 형성을 회복시켰다(도 5d). Rigosertip increased the mRNA expression of SMN-FL by including
SMA에서 리고세르팁의 보호 역할을 확인하기 위해 SMA iPSC에서 유래된 MN의 세포사멸에 대한 리고세르팁의 영향을 조사했다. 리고세르팁 처리에 의해 SMA iPSC-pMN에서 사멸 세포의 비율이 현저히 감소했다(도 5e). 따라서 SMN 감소에 의한 세포 사멸의 기전을 이해하기 위해 미토콘드리아 슈퍼옥사이드의 지시자인 MitoSOX Red를 이용하여 SMA iPSC-pMNs에서 척수 MN의 기능적 결함을 나타내는 것으로 알려진 미토콘드리아 슈퍼옥사이드를 비교해 보았다. 그 결과, WT iPSC-pMNs에서 SMA iPSC-pMN보다 현저히 많은 MitoSOX+ 세포가 관찰이 되었다(도 5f). SMA iPSC-pMN에 리고세르팁을 처리한 군에서는 WT 대조군과 비슷한 수준까지 MitoSOX+세포의 생성이 감소되었다(도 5f). 더욱이, 리고세르팁 처리는 분화된 WT iPSC-MNs에 보다 가까운 표현형을 나타내는 말단 분화된 SMA iPSC-MN에서 SMN 결핍에 의한 신경 돌기 성장의 감소를 방지했다(도 5g). 이러한 결과는 SMN2 스 플라이싱 조절자 리고세르팁이 엑손 7 포함에 유리하게 SMN2 스플라이싱을 조절하여 in vitro 인간 SMA 모델에서 SMN 단백질의 생산을 증가시키고 미토콘드리아 산화 스트레스에 의해 유도된 세포 사멸을 더욱 개선시킬 수 있음을 시사한다. To confirm the protective role of Rigosertip in SMA, the effect of Rigosertip on the apoptosis of MN derived from SMA iPSC was investigated. The ratio of dead cells in SMA iPSC-pMN was significantly reduced by the treatment with igosertip (Fig. 5e). Therefore, in order to understand the mechanism of cell death by SMN reduction, MitoSOX Red, an indicator of mitochondrial superoxide, was used to compare mitochondrial superoxide, which is known to exhibit functional defects of spinal cord MN in SMA iPSC-pMNs. As a result, significantly more MitoSOX+ cells were observed in WT iPSC-pMNs than in SMA iPSC-pMNs (Fig. 5f). In the SMA iPSC-pMN-treated group, the production of MitoSOX+ cells was reduced to a level similar to that of the WT control group (FIG. 5F). Moreover, Rigosertip treatment prevented the reduction of neurite growth due to SMN deficiency in terminally differentiated SMA iPSC-MNs, which showed a phenotype closer to differentiated WT iPSC-MNs (FIG. 5G ). These results suggest that the SMN2 splicing regulator Rigosertip regulates SMN2 splicing in favor of
6. 리고세르팁의 복강투여는 SMA 마우스의 척수 내 SMN 단백질의 발현 수준을 증가시킴6. Intraperitoneal administration of Rigosertip increases the expression level of SMN protein in the spinal cord of SMA mice.
리고세르팁이 in vivo SMN 단백질의 양을 증가시키는지를 조사하기 위해 출생 후 3 일째인 SMNΔ7 형질전환 마우스에 8 일간 리고세르팁을 복강 내 투여하였다. SMNΔ7 형질전환 마우스는 심한 유형의 SMA를 나타내고 2 주 동안만 생존하는 가장 널리 사용되는 SMA 마우스 모델이다. 최종 리고세르팁 투약 5 시간 후, 척수 추출물을 제조하고 SMN 항체로 정량적 웨스턴 블라팅 분석을 하였다. 리고세르팁 처리 SMA 마우스의 척수에서 SMN 단백질의 양은 SMA 마우스의 것과 비교하여 2.13 배로 증가한 것으로 나타났다(도 6a 및 6b). 또한 동일한 마우스의 척수 조직 절편을 조직학적으로 평가하였다. SMN 단백질은 heterozygous mice의 척수 조직에서 높게 관찰되었지만, SMN 단백질은 SMA 마우스의 척수에서 매우 약하게 발현되었다(도 6c). 웨스턴 블로팅 분석과 동일하게, 척수 내 SMN+ 세포 집단은 리고세르팁 처리 마우스군에서 SMA 마우스와 비교해 3.18배 증가하였으며, 이는 리고세르팁의 in vivo 효능을 나타내는 것이다(도 6c 및 6d).To investigate whether Rigosertip increases the amount of SMN protein in vivo, Rigosertip was administered intraperitoneally to SMNΔ7 transgenic mice on the 3rd day after birth for 8 days. SMNΔ7 transgenic mice are the most widely used SMA mouse model that exhibits a severe type of SMA and survives only for 2 weeks. 5 hours after the final administration of Rigosertip, a spinal cord extract was prepared and quantitative Western blotting analysis was performed with SMN antibody. It was found that the amount of SMN protein in the spinal cord of SMA mice treated with igosertip increased 2.13 times as compared to that of SMA mice (FIGS. 6A and 6B ). In addition, the spinal cord tissue sections of the same mouse were evaluated histologically. The SMN protein was highly observed in the spinal cord tissue of heterozygous mice, but the SMN protein was very weakly expressed in the spinal cord of SMA mice (Fig. 6c). As with the Western blotting analysis, the SMN+ cell population in the spinal cord increased by 3.18 times compared to the SMA mice in the group of mice treated with Rigosertip, indicating the in vivo efficacy of the Rigosertip (FIGS. 6C and 6D ).
본 발명에 따르면, 화학식 1로 표현되는 리고세르팁은 SMN2 pre-mRNA의 스플라이싱 결함을 교정하는 효과를 나타내어 SMN 단백질의 발현을 증가시키며, 질병과 관련된 비정상적인 병변을 개선하는 효과를 나타내어 척수성 근위축증을 비롯한 신경근육질환 치료제 개발에 매우 유용하게 활용될 수 있어 산업상 이용가능성이 매우 우수하다. According to the present invention, Rigosertip represented by
Claims (6)
[화학식 1]
Spinal Muscular Atrophy (SMA), Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), Duchenne Muscular Dystrophy, or muscle tone containing the compound of Formula 1 or a pharmaceutically acceptable salt thereof as an active ingredient A pharmaceutical composition for preventing or treating sexual dystrophy (Mytonic Dystrophy).
[Formula 1]
The pharmaceutical composition of claim 1, wherein the compound increases a survival motor neuron (SMN) protein.
The pharmaceutical composition according to claim 4, wherein the SMN protein increase is due to the correction of splicing defects of SMN2 pre-mRNA.
[화학식 1]
Spinal Muscular Atrophy (SMA), Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), Duchenne Muscular Dystrophy, or muscle tone containing the compound of Formula 1 or a pharmaceutically acceptable salt thereof as an active ingredient Food composition for preventing or improving sexual dystrophy (Mytonic Dystrophy).
[Formula 1]
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New screening process may speed work on SMN2 splicing approaches to treat SMA, study says, smanewstoday.com (2019.1.28.) 1부.* |
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