IBS 유전체 교정 연구단 연구진이 DNA 염기 중 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 바꾸는 아데닌 염기교정 가위(Adenine Base Editor, ABEs)로 동물 개체에 적용하는데 처음으로 성공했다. 연구진은 생쥐의 DNA 중 원하는 염기 하나만을 콕 집어 바꾸었다. 생쥐 유전체인 28억 쌍의 염기 중 단 하나의 염기만을 교체한 것이다. 또한, 다 자란 생쥐의 성체에 염기교정 가위를 적용해 돌연변이 유전자를 정상 유전자로 되돌리는데 성공했다. 난치성 유전질환의 치료 가능성을 입증한 것이다.

생명체에 모든 정보를 담고 있는 DNA. DNA는 아데닌(A), 티민(T), 시토신(C), 구아닌(G) 네 염기가 아데닌(A)-티민(T), 시토신(C)-구아닌(G)으로 쌍을 이뤄 서열을 만든다. DNA 염기서열이 중요한 이유는 특정 서열이 변이될 경우, 돌연변이가 나타나기 때문이다. 단일 염기 하나만 잘못 되어도 심각한 병이 초래되는데, 유전질환인 낭성 섬유증, 겸상 적혈구 빈혈증 등이 대표적이다.

2016년 하버드 대학의 데이비드 리우 교수가 학계에 보고한 시토신 염기교정 가위(Cytosine Base Editor, CBEs)에 쏟아진 관심이 여기에 있다. 2016년 시토신 염기교정 가위는 시토신(C)을 티민(T)으로 바꾸는 염기교정 가위가 먼저 개발되었고, 지난 해 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 바꾸는 염기교정 가위가 이어 등장했다. 전세계 연구진들은 대부분의 유전질환이 단일 염기의 문제로 발생하기 때문에 염기교정 가위 개발이 난치성 유전질환 연구에 큰 진전을 가져올 것으로 기대하고 있다.

▲ 2종류의 염기교정 가위.(클릭하면 커집니다) 2016년에 학계에 보고된 시토신 염기교정 가위(위)는 DNA 서열 중 시토신(C)만 찾아 티민(T)으로 교체할 수 있다. 가이드 RNA가 표적 DNA에 결합하고, nCas9이 DNA의 한 가닥만 자르고 나면 그 사이에 시토신 탈아미노효소가 표적 DNA에서 시토신(C)만을 찾아 티민(T)으로 변형한다. 반면 지난해 발표된 아데닌 염기교정 가위(아래)는 아데닌 탈아미노효소(cytitdine deaminase)가 융합되어 서열 중 아데닌(A)만 찾아 구아닌(G)로 교체할 수 있다. 작동원리는 시토신 염기교정 가위와 동일하다. 가이드 RNA가 표적 DNA에 결합하고 Cas9이 DNA의 한 쪽 가닥만 자르고 나면 그 사이에 탈아미노효소가 표적 DNA에서 아데닌(A)을 가수분해하고, DNA 복구 과정에서 이노신(I, 세포 내에서 시토신(C)과 결합)이 구아닌(G)으로 변형되는 원리다.

연구진은 아데닌 염기교정 가위로 두 종류의 실험을 진행했고, 연구 진전을 이뤄냈다. 먼저, 염기교정 가위를 생쥐 배아에 전달해 돌연변이를 지닌 생쥐를 만들었다. 다음으로 다 자란 생쥐에 염기교정 가위를 주입해 돌연변이 유전자를 정상으로 고치는데 성공했다.

생쥐 배아에 전달해 염기 교체를 시도한 유전자는 멜라닌 색소 형성에 관여하는 티로시나아제(Tyrosinase, Tyr) 이다. Tyr 유전자가 망가지면 멜라닌 색소 생산이 중단되면서 일명 ‘히말라야 돌연변이(Himalayan mutation)’가 유도된다. 연구진은 Tyr 유전자를 표적해 염기가 교체되면 돌연변이가 유도될 것으로 예상했다. 연구진의 예상대로 염기교정 가위를 배아에 전달한 뒤, 대리모에 착상시키자 백색증(Albino) 생쥐가 태어났다. 이후 표적한 Tyr 유전자에만 변이가 일어났는지 전 유전체 분석(whole genome sequencing)¹⁾으로 확인한 결과, Tyr 유전자에만 변이가 발생했음을 확인했다.

▲ 멜라닌 생성에 관여하는 Tyrosinase 유전자를 교정해 만들어진 생쥐. 아데닌 염기교정 가위로 유전자의 특정위치에서 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 치환하였다. 그 결과 태어난 생쥐(Tyr #4, 가운데)는 눈과 털이 하얗게 되는 히말라야 돌연변이가 발현되어 백색증이 나타났다.

이어 연구진은 근육세포의 안정적 유지에 관여하는 Dmd 유전자 변이로 근위축증²⁾이 발병한 생쥐를 대상으로 실험을 진행했다. 근위축증은 Dmd 유전자가 근육 세포가 손상되지 않도록 돕는 디스트로핀(Dystropin) 단백질을 생산하는데 문제가 생겨 발생한다. 연구진은 염기교정 가위를 반으로 절단해 수송체인 아데노 부속 바이러스(adeno-associated virus, AAV)³⁾에 실어 효과적으로 근육 조직에 전달했다.

염기교정 가위를 성체 생쥐 근육에 주입한 결과, 연구진은 Dmd 유전자의 돌연변이 염기가 정상 염기로 치환되면서 디스트로핀(Dystropin) 단백질이 정상적으로 근육 내에서 발현되는 것을 확인했다. 염기교정 가위를 동물 배아가 아닌 동물의 성체 조직에 도입해 처음으로 유전질환 치료 가능성을 입증한 것이다.

▲ 연구진은 아데닌 염기교정 가위를 반으로 절단하여 각각을 아데노 부속 바이러스(AAV)를 이용(그림 b)해 근위축증이 발생한 생쥐 근육에 전달했다. 그 결과, 근육세포의 안정적 유지에 관여하는 Dmd 유전자를 교정하는데 성공했다. 연구진은 유전자의 염기 중 특정 위치에서 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 치환해 변이를 교정(그림 a)했다. 돌연변이 유전자가 교정된 생쥐(+ABE)(그림 c)의 경우, Dystropin 단백질과 근육의 유지에 필요한 nNOS 단백질(neuronal nitric oxide synthase, nNOS)이 발현되면서 서로 상호작용 하는 것을 확인했다.

이로써 IBS 연구진은 지난해 2월 시토신 염기교정 가위를 동물 개체에 적용해 성공한 데 이어, 아데닌 염기교정 가위의 첫 동물실험도 성공했다. (DNA 염기 하나만 바꾼다, 첫 동물실험 성공, 2017.02 지난 연구성과 기사 보기) 연구진은 같은 유전자를 대상으로 실험을 진행했으며 이번 연구에서는 더 나아가 실험 모델의 성체에서 돌연변이 교정 효과까지 확인했다.

김진수 단장은 “이번 연구는 아데닌 염기교정 가위를 이용해 질환 동물을 개발하거나 유전질환의 원인인 돌연변이를 정밀하게 교정할 수 있는 가능성을 제시한다”고 말했다. 이번 연구결과는 생명공학 분야 세계적 권위의 학술지 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology, IF 41.667)’ 에 4월 28일 토요일 새벽 4시(한국시간) 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
고은경