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단일 염기 바꾸는 '염기교정 유전자가위' 정확성 밝혀

- 절단 유전체 시퀀싱 기법 적용해 전체 유전체 수준에서 규명 -

지난해 학계에 보고된 '크리스퍼 염기교정 유전자가위(Base Editor, 이하 염기교정 유전자가위)'1)는 DNA 염기 하나만 바꿀 수 있는 유전체 교정 도구로 큰 주목을 받았다. 염기교정 유전자가위의 단일 염기 교체 작동원리는 선천적 유전질환 발병 기전을 밝히고 치료법을 개발하는데 큰 도움이 될 것으로 보인다.2) 하지만 염기교정 유전자가위가 표적 위치에서 정확하게 작동하는지, 비표적 위치에서 오작동하지 않는지 등에 대해서는 거의 알려진 바가 없었다. 유전자 교정 기법으로 널리 활용되기 위해서는 정확성에 대한 연구가 이뤄져야 하는 실정이었다.

IBS 유전체 교정 연구단(단장 김진수)과 서울대 화학부 연수연구원 김대식 박사는 유전자가위 처리 전과 후를 비교하는 프로그램인 유전체 시퀀싱 기법(Digenome-seq)을 변형해 염기교정 유전자가위의 정확성을 측정했다. 절단 유전체 시퀀싱 기법은 유전자가위 처리 전과 후를 DNA의 서열을 분석하는 유전체 시퀀싱(Genome Sequencing)방법으로 비교해 잘린 위치를 구별하는 방식이다. IBS 연구진은 지난해 신형 유전자가위 크리스퍼 Cpf1의 정확성을 처음으로 밝히는데도 이 기법을 활용했다.

단일 염기를 교체할 수 있는 염기교정 유전자가위는 DNA 두 가닥 모두를 자르는 기존 3세대 유전자가위와 다르게 작동한다. 염기교정 유전자가위는 DNA 한 쪽 가닥을 자르는 Nickase Cas9(nCas9)과 시토신을 분해하는 탈아미노효소(cytitdine deaminase)3)로 구성되어 있다. nCas9으로 잘려진 DNA 한 가닥에서 탈아미노효소가 시토신(C)을 우라실(U)로 바꾸면, 우라실(U)로 바뀐 염기는 DNA 복구 과정에 의해 티민(T)이 되는 원리로 작동한다.


▲ 기존 3세대 유전자가위(CRISPR Cas9, 위)와 달리 시토신 탈아미노효소(cytidine deaminase)가 융합된 크리스퍼 염기교정 유전자가위(아래)는 DNA 서열 중 시토신(C)만 찾아 티민(T)으로 교체할 수 있다.

실험 결과, 크리스퍼 유전자가위는 평균적으로 인간 유전체 32억 개 중 90곳을 자르는데 염기교정 유전자가위는 평균 18곳에만 변이를 일으키는 것으로 나타났다. 이는 염기교정 유전자가위가 크리스퍼 유전자가위에 비해 비표적 위치에서 오작동할 확률이 현저히 낮아 정확성이 높다는 의미다. 또한, 연구진은 정확성이 더 높은 염기교정 유전자가위를 만드는 방법으로 교정할 DNA를 찾아가는 가이드 RNA 말단에 구아닌 염기를 추가해 길이를 조절하면 표적위치에서는 잘 작동하고 오작동할 확률을 줄일 수 있음을 보였다.


▲ 연구진은 염기교정 유전자가위의 정확성을 측정하고자 절단 유전체 시퀀싱 기법을 이용했다(좌). 이 기법을 활용해 크리스퍼 유전자가위와 정확성을 비교한 결과, 염기교정 유전자가위가 표적 위치에서 좀 더 특이적으로 작용함을 파악할 수 있었다(우).

염기교정 유전자가위의 정확성이 입증된 만큼 앞으로 이를 활용해 단일 염기 변이를 유도하거나 교정해야 하는 유전자 및 줄기세포 치료제 개발, 고부가가치 농축산물 품종 개량 등에 널리 활용될 것으로 기대된다. 연구진은 "염기교정 유전자가위가 개발된 이후 동식물에 적용한 사례들이 보고되고 있어 염기교정 유전자가위가 크리스퍼 유전자가위 기술만큼이나 널리 활용될 것으로 예상된다"며 앞으로 원하는 변이를 도입할 수 있는 더 정교한 염기교정 유전자가위를 개발하는 일에 기여하고 싶다"고 밝혔다.

이번 연구결과는 생명공학 분야 권위 있는 학술지 '네이처 바이오테크놀로지'(Nature Biotechnology, IF 43.113) 4)에 4월 11일 새벽 12시(한국시간)에 게재, 표지논문으로 선정 되었다. 연구진은 이에 앞서 지난 2월 28일 염기교정 유전자가위로 동물의 특정 유전자 염기를 바꾸는데 최초로 성공해 같은 학술지에 연구성과를 게재한 바 있다.

대외협력실 고은경

1) 크리스퍼 염기교정 유전자가위(Base Editor, targeted deaminase): 2016년 데이비드 리우(David R. Liu) 교수 연구그룹(하버드대학)과 케이지 니시다(Keiji Nishida) 교수와 동료들(고베 대학교)이 각각 개발한 인공제한 효소로 세포 수준에 적용한 바 있다. 현재 세계적으로 널리 쓰이는 크리스퍼 유전자가위(CRISPR Cas9 혹은 CRISPR Cpf1)는 표적인 DNA 염기서열을 찾아 두 가닥 모두를 절단해 유전체 교정을 가능케 한다. 정교한 유전자 변이를 유도할 수 있지만 동시에 무작위적 변이도 함께 유도되는 것을 피할 수 없었다.

2) 단일 염기의 문제로 발생하는 대표적인 유전질환으로는 낭성 섬유증(Cystic Fibrosis)과 겸상 적혈구 빈혈증(sickle-cell anemia)가 있다. 낭성 섬유증은 기관지 안에 점액 분비선에 문제가 생기거나 췌장 소화 효소의 분비를 방해해 폐와 소화기관에 심각한 영향을 미친다. 겸상 적혈구 빈혈증은 낫 모양(초승달 모양)으로 적혈구가 변형되어 산소와 결합력이 감소한다. 두 질환 모두 DNA 서열의 변이로 발병한다.

3) 탈아미노효소(deaminase): 탄소에 결합된 아미노기를 분리시키는 가수분해 효소, 크리스퍼 염기교정 유전자가위에서는 시토신(C)을 분해(cytidine deaminase)하는 역할을 한다.

4) 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology): 네이처 출판그룹(NPG)에서 발행하는 생명과학, 화학, 공학 분야의 세계적 권위의 국제 학술지로 피인용지수(Impact Factor)는 43.113이다.

Center for Genome Engineering (유전체 교정 연구단)

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김진수
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    최종수정일 2017-07-21 20:49