세계 최초 성과 “유전자 편집효율, 3배↑”…‘희귀 유전질환’ 치료 청신호

유전자가위.

[헤럴드경제=구본혁 기자] 유전 질환 치료는 원하는 유전자만 정확하게 바꾸는 ‘유전자 정밀 편집’이 핵심이다. 국내 연구진이 세계 최초로 세포 내 자가포식 작용을 유도하는 방식으로 그동안 성공률이 낮았던 유전자 정밀 편집 효율을 크게 높였다.

한국화학연구원 남혜진 박사팀은 서울대학교 의과대학 조동현·배상수 교수팀과 함께 다양한 자가포식 유도 방법(영양결핍, 약물처리)을 통해 정밀한 ‘상동 재조합(HR, Homologous Recombination)’ 기반의 유전자 교정 효율을 크게 높일 수 있음을 확인했다.

기존에 비해 유전자 교정 효율은 최대 3배 높았고, 생쥐 모델을 통한 생체 실험에서도 기술의 효과를 입증했다.

유전자 가위(CRISPR–Cas9)는 DNA를 자를 수 있는 효소 ‘Cas9’을 이용해 유전자를 교정할 수 있는 혁신 기술이다. 다만 잘린 부위를 붙이는 DNA 복구 과정이 대부분 부정확한 방식(NHEJ)으로 이뤄지기 때문에, 원하는 방식으로 정확하게 유전자를 교정하는 정밀 교정(HR) 효율은 매우 낮았다. 이를 높이기 위한 기존 방법들(세포주기 조절, NHEJ 억제 등)은 독성, 부작용, 적용 범위 제한 등의 문제로 인해 한계가 있었다.

자가포식 유도를 통한 정밀 유전자 편집 효율 향상 모식도.[한국화학연구원 제공]

연구팀은 ‘자가포식’, 즉 세포가 손상된 성분을 제거·재활용하는 과정이 HR 기반의 유전자 교정 효율에 영향을 미칠 수 있다는 점에 주목했다. 굶주린 세포는 자가포식 과정 중 DNA 손상 복구에 영향을 미치는 단백질을 분비하는데, 이를 적절히 유도해 HR 효율을 높인 것이다.

연구팀은 우선 세포에게 영양분이 없는 식염수만 주거나, 세포의 성장 신호 물질(mTOR) 억제제를 투입함으로써 자가포식을 유도했다. 그러자 DNA 손상 복구에 작용하는 다양한 핵심 보조 인자들이 유전자 가위 효소인 ‘Cas9’ 주변에 많이 모여드는 모습이 나타났다.

기존 유전자 가위의 변형 버전인 nickase Cas9(nCas9)이나 불활성 Cas9(dCas9)의 경우도 동일한 자가포식 유도 효과가 관찰되어, 이번 기술이 다양한 유전자 편집 플랫폼에 적용될 수 있음을 보여줬다.

실험 결과, 자가포식이 유도된 세포에서는 HR 편집 효율이 1.4~3.1배 높아졌고, 삽입할 DNA의 크기나 타깃 유전자 발현 수준에 상관없이 일관된 성능 향상이 나타났다. 반대로 자가포식 결핍 세포에서는 정밀 유전자 편집 효율이 높아지지 않았다. 이는 세포가 HR 방식, 즉 원하는 대로 DNA를 정확하게 복구할 때 자가포식 기능이 필수적임을 다시 한번 확인해 주는 결과이다.

질병모델 실험에서도 의미 있는 결과가 나왔다. 청각장애 유발 유전자인 MPZL2 변이를 보유한 환자 유래 세포에 본 기술을 적용하자, 정상 유전자가 도입된 RNA의 발현량이 증가했다.

이번 연구를 수행한 한국화학연구원, 서울대 공동 연구진.[한국화학연구원 제공]

연구팀은 이번 기술이 세포 수준을 넘어서도 유효한지 검증하기 위해 생쥐의 망막 색소 상피 조직에 생체 실험을 진행했다. Cas9 유전자 가위와 형광 단백질 유전자를 담은 DNA를 생쥐의 망막 아래층에 주사로 주입하고, 동시에 mTOR 억제제(자가포식 유도제)를 안구 내 투여한 결과, 유전자 교정이 성공적으로 이뤄져 강한 형광 신호가 확인됐다. 이를 통해 자가포식 유도가 생체 환경에서도 HR 기반 정밀 유전자 편집을 촉진한다는 사실이 처음으로 입증됐다.

연구팀은 이번 기술이 다양한 질환 유전자 교정에 적용할 수 있는 보편적 접근법이 되기 위해 후속 연구를 통해 기술을 고도화할 계획이다.

이영국 한국화학연구원장은 “정밀 치료시대를 여는 데 필수적인 유전자 편집 기술의 안정성과 효율을 동시에 확보한 성과”라며 “향후 희귀 유전 질환 치료에 널리 활용되기를 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 생명과학 분야 국제 학술지 ‘핵산 연구’에 게재됐다.