혁신적인 유전자 편집 기술이 최근 개발돼 낭포성 섬유증 등 수백, 수천 개의 돌연변이 유형으로 발생하는 난치성 유전 질환 치료에 새로운 가능성을 제시했다.

기존 유전자 편집 기술은 제한적인 범위 내에서만 변화를 줄 수 있었지만, 이번에 개발된 신기술은 건강한 유전자 복사본을 원래 위치에 직접 삽입해 치료 효과를 극대화할 수 있다.

미국 매사추세츠 공과대학(MIT)과 하버드 브로드 연구소 연구팀은 인간 세포에서 전체 유전자를 삽입하거나 대체할 수 있는 획기적인 유전자 편집 시스템인 'eePASSIGE'를 개발했다. 해당 내용은 네이처와 PHYS등 다수 외신이 지난 10일(현지시간) 집중 조명했다. 

이번 연구는 브로드 연구소의 데이비드 리우(David Liu) 박사가 이끌었으며, 단일 유전자 치료법 개발에 중요한 발판을 마련할 것으로 전망된다.

'eePASSIGE'로 명명된 이 프라임 편집 시스템은 기존 유사 방식보다 몇 배 더 효율적인 유전자 전체 치료를 가능하게 하여, 유전 질환 치료의 새 지평을 열 것으로 기대된다.

이 신기술은 최대 100~200개 염기쌍까지 다양한 변화를 유도하는 프라임 편집과 함께 개발된 재조합 효소를 활용한다. 이 재조합 효소는 수천 염기쌍에 달하는 큰 DNA 조각을 유전자(게놈)의 특정 위치에 효율적으로 삽입할 수 있다.

다시 말하면, eePASSIGE는 기존의 유전자 편집 기술보다 훨씬 더 효율적이고 정확하게 유전자를 조작할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 특히 기존 기술에서는 어려웠던 대규모 유전자 편집이 가능해, 수천 염기쌍 길이의 대규모 유전자 삽입도 가능하다.

따라서 이 기술은 낭포성 섬유증처럼 수백 또는 수천 개의 돌연변이 유형 중 하나에 의해 발생하는 질병 치료에 혁신적인 변화를 가져올 수 있다.

eePASSIGE는 또 다른 유전자 편집 기술에 비해 오류율이 낮아 정확하게 원하는 유전자 변형을 일으킬 수 있다. 게다가 손상된 유전자를 교체하거나 정상적인 유전자를 삽입하는 방식으로 다양한 유전자 질횐을 치료할 수 있는 잠재력이 있다.

이번 연구 결과는 유전자 편집 기술이 단순히 유전자 일부를 수정하는 것을 넘어 전체 유전자를 효과적으로 치료하는 단계로 진입했음을 보여준다. 

이는 난치성 유전 질환 치료에 새로운 희망을 제시하며, 향후 유전자 치료 분야의 발전을 가속화할 것으로 보인다.

연구 결과는 저명한 학술지 '네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)'에 게재되어 학계의 주목을 받고 있다.

유전자 편집 기술

유전자 편집은 살아있는 유기체의 DNA를 직접 수정하여 질병을 치료하거나 원하는 특성을 부여하는 기술로, 유전자 보강과 유전자 치료라는 두 가지 방식으로 구현된다. 

1970년대 시작된 유전자 조작 기술은 '유전자 가위' 크리스퍼(CRISPER)의 등장과 함께 혁명적인 발전을 이루었다. 특히 3세대 유전자 가위인 크리스퍼-Cas9는 DNA를 정교하게 자르고 붙이는 기술로, 생명과학 분야의 '게임 체인저'로 평가받는다.

CRISPER-Cas9는 Cas9 단백질과 CRISPR RNA를 이용해 특정 DNA 부위를 정확하게 절단하고, 원하는 유전자를 삽입하거나 삭제할 수 있다. 이 기술은 유전 질환 치료, 농작물 개량 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

크리스퍼-Cas9 이전에도 다양한 유전자 편집 기술이 개발되었다. 2009년에서 2010년 사이에 개발된 '탈렌(TALENs)'은 염기 서열을 인식하는 단백질을 사용하여 DNA를 절단하고 변형하는 기술이다. 또한, '징크 핑거(ZFN)' 기술은 인간 게놈 유전자의 3%에서 발견되는 아연 집게 단백질을 이용하여 DNA를 인식하고 절단한다.

최근에는 CRISPR-Cas9 기술을 변형하여 DNA 염기 서열을 직접 변형하는 '베이스 편집' 기술도 등장했다.

유전자 가위 크리스퍼(CRISPER)

지난 10년 동안 크리스퍼(CRISPER)는 DNA를 쉽고 정확하게 편집할 수 있는 능력으로 생물의학계와 생명과학계에 큰 반향을 일으켰다.

크리스퍼는 인체의 DNA 조각이나 그 화학(소위 후생 유전학)을 정확하게 수정할 수 있으므로 생명의학 과학에서 임상 용도로 사용할 수 있는 잠재적인 도구가 된다. 

스탠포드 대학교 생명공학부 부교수이자 사라판 ChEM-H연구소의 스탠리 치 교수는 "크리스퍼는 단순한 도구가 아니다. 기초 과학, 의학, 환경 분야의 오랜 난제를 해결할 수 있는 학문이자 원동력이 되고 있다"고 설명했다.

치 교수는 "최근 미국 식품의약국(FDA)이 겸상 적혈구 빈혈과 베타 지중해빈혈을 치료하는 최초의 크리스퍼 약물인 캐스게비(Casgevy)를 승인한 것은 다른 질병에 대한 안전성과 잠재력을 말해준다"고 부연했다. 

캐스게비는 2021년 10월 FDA로부터 승인된 암 치료제로 특정 유형의 혈액암 치료에 사용되고 있다. 

'겸상 적혈구 빈혈'은 적혈구에 있는 돌연변이가 있는 질병이다. 일반적으로 잦은 수혈이나 일치하는 기증자의 골수 이식 외에는 치료법이 없다. 이는 비용이 많이 들고 환자의 전반적인 건강에 해를 끼친다. 크리스퍼를 사용하면 일회성 치료를 수행해 돌연변이를 영구적으로 교정하는 것이 가능하다. 

크리스퍼를 사용해 잠재적으로 치료를 고려할 수 있는 유전병은 8000가지가 넘는다. 현재 크리스퍼는 설정하는 데 몇 주 밖에 걸리지 않으며, 설정 비용은 수 백달러가 조금 넘는다. 

연구진은 유전자 편집 기술의 효율성을 높이기 위해 끊임없이 노력하고 있다. 기존 프라임 편집 기술은 수십 염기쌍까지 변화를 유발하는 데 효과적이었지만, 수천 염기쌍에 이르는 전체 유전자를 원래 위치에 삽입하는 데에는 한계가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 머지않아 유전자 편집 기술은 더욱 정교하고 효율적인 도구로 발전할 것으로 전망된다.

eePASSIGE 유전자 편집 기술

이번 연구는 유전자 질환 치료에 있어 돌연변이 유형에 상관없이 치료 가능성을 높이고, 주변 DNA 서열을 보존하여 유전자 발현 조절을 정확하게 유도할 수 있다.

앞서 2021년 리우 박사 연구팀은 이러한 목표 달성을 위한 중요한 단계를 발표했다. 연구팀은 '트위핀(twinPE)'이라는 프라임 접근 방식을 개발해 게놈에 재조합 효소 '착륙 지점'을 설치하고, 천연 재조합 효소인 Bxb1을 사용하여 새로운 DNA를 프라임 편집된 표적 위치에 삽입하는 방법을 제시했다. 

하지만 PASSIGE(prime-editing-assisted site-specific integrase gene editing)라고 불리는 이 기술은 일부 유전자 질환 치료에만 효과적이며 대부분의 질환 치료에는 적용하기 어려운 한계가 있었다.

따라서 이번 연구에서는 PASSIGE의 편집 효율을 높이는 데 초점을 맞췄다. 연구 결과, 재조합 효소 Bxb1이 PASSIGE의 효율성을 제한하는 요인임을 확인했다.

연구팀은 실험실에서 더 효율적인 Bxb1 변형체를 빠르게 진화시키기 위해 이전에 개발한 PACE(phage-assisted continuous evolution) 도구를 사용했다.

개발된 새로운 변형체(eeBxb1)는 'PASSIGE' 시스템을 개선해 실험 쥐 및 인간 세포에서 평균 30%의 유전자 크기 통합할 수 있게 했다. eePASSIGE 기술을 적용한 이 수치는 기존 기술의 4배, 최근 발표된 PASTE라는 다른 방법보다 약 16배 더 효율적이다.

연구팀은 "eePASSIGE와 개조된 바이러스 유사 입자(eVLPs)와 같은 전달 시스템을 결합해 유전자 편집제의 치료 전달을 제한하는 기존 장애물을 극복하기 위한 연구를 진행하고 있다"고 말했다. 

이러한 노력은 유전자 질환 치료에 있어 새로운 가능성을 열 수 있다. 향후 임상 연구를 통해 안전성과 효능을 검증해야 하는 것이 과제다.

이번 연구는 유전자 편집 기술의 발전을 보여주는 중요한 성과다. eePASSIGE 시스템은 다양한 유전자 질환 치료에 효과적인 새로운 치료법 개발에 기여할 수 있으며, 향후 지속적인 연구를 통해 더욱 안전하고 효과적인 유전자 치료법 개발이 기대된다.

하지만 동시에 유전자 편집 기술의 윤리적 문제 또한 해결해야 할 중요한 과제다.

유전자 편집 기술은 인간 유전자를 영구적으로 변화시킬 수 있는 강력한 도구다. 따라서 이 기술을 사용하기 전에 신중한 윤리적 논의와 규제가 필요하다. 또한 유전자 편집 기술의 오남용 가능성도 고려해야 한다. 

지속적인 연구와 사회적 논의를 통해 유전자 편집 기술을 안전하고 책임감 있는 방식으로 활용해 인류 건강 증진에 기여해야 할 것이다.