우리원 유전체 교정 연구단(단장 김진수) 식물팀이 아데닌 염기교정 유전자가위(Adenine Base Editor, 이하 염기교정 가위)로, 개체 수준에서 식물 DNA 중 원하는 염기 하나만을 바꾸는 데 성공했다. 또한 염기교정 가위를 성공적으로 적용한 데에 이어, 유도된 형질이 다음 세대의 개체까지 생식세포를 통해 전달됨을 학계 최초로 입증했다. 이번 연구결과는 생명과학 분야 학술지인 네이처 플랜트(Nature Plants, IF 10.3)에 6월 6일 게재되었다.

지난해 학계에 보고된 아데닌 염기교정 가위는 세포수준에서 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 바꿀 수 있다. DNA 한 쪽 가닥만 자르는 SpCas9과 아데닌을 가수분해하는 탈아미노효소(adenine deaminase)의 변형된 결합으로 구성되어 있다. gRNA에 의해 표적된 DNA 가닥에서 탈아미노효소가 아데닌(A)에서 아미노 그룹을 제거하면 DNA 복제 과정에서 구아닌(G)로 치환되는 원리로 작동한다. 학계에서는 염기교정 가위가 식물 유전자의 염기 치환에 적용된다면 새로운 형질의 식물을 개발할 가능성이 커 식물 연구와 농작물 개발에 큰 진전을 가져올 것으로 기대하고 있다.

이번 연구에서 IBS 유전체 교정 연구단 식물팀은 염기교정 가위를 모델식물인 애기장대에 효과적으로 적용해 정확하게 원하는 형질 변환을 이루는데 성공했다. 개화 조절 화성소 유전자인 FT (FLOWERING LOCUS T)와 색소 생합성 유전자인 PDS3 (PHYTOENE DESATURASE 3)를 각각 표적으로 개체 수준의 염기 교체를 시도했다. FT 유전자의 경우 특정 위치에서 염기 치환을 통한 아미노산의 변형이 일어나면서 FT 단백질의 기능을 새롭게 변화시켜 (INF: Induced Neo-Functionalization), 식물의 개화 속도가 늦어지는 것을 확인했다. PDS3 유전자의 경우 전사 시, mRNA mis-splicing을 유도 (IMS: Induced Mis-Splicing)하여 색소 생합성 과정이 중단되면서, 결과적으로 백색증 돌연변이체가 얻어지는 것을 확인하였다.

▲ 오른쪽 사진의 가운데 애기장대 FT-#3은 식물의 개화 조절에 관여하는 FT 유전자의 염기가 교정되어 아데닌(A)-티민(T)이 구아닌(G)-시토신(C)으로 치환되었다. 그 결과, 정상 식물이 비해 개화시기가 늦어지는 것을 확인했다.

▲ 염기교정 가위를 색소 생합성에 관여하는 PDS3 유전자에 도입해 만들어진 식물. 연구진은 애기장대의 PDS3 유전자의 염기 중 특정 위치에서 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 치환해 변이를 만들어냈다. 그 결과, PDS3-#4와 PDS3-#5 (오른쪽 사진, 왼쪽과 가운데)에서 확인할 수 있듯 식물의 잎이 하얗게 변하는 백색증 식물체가 나타났다.

연구진은 "이번 연구에서는 새로운 염기교정 기술을 식물에 적용하는데 있어 다양한 시스템 개발이 필요했다"며 "특히, 염기교정 가위의 발현 시스템과 염기교정 효율을 높이는데 어려움이 있었다"고 밝혔다. 기존의 식물 유전자 교정 연구는 유전자가위를 이용해 유전자의 기능을 잃게 만들고 난 뒤 얻어지는 형질에 관한 연구가 주를 이뤘다. 염기교정 가위가 학계에 보고된 이후에는 유전자의 염기 변경으로 인해 얻어지는 형질에 관한 연구가 가능해졌다. 연구진은 "향후 염기교정 가위를 이용해 다양한 생물학적 변화와 새로운 형질의 작물 개발에 기여하고자 한다"고 밝혔다.

이번 연구를 주도적으로 이끈 윤재영 연구위원은 "여러 어려움과 우여곡절 속에서 구자들끼리 똘똘 뭉쳐서 이뤄낸 성과라 가치가 빛을 발하는 것 같다"라는 언급과 더불어 "이러한 성공적인 결과물들이 좋은 계기가 되어 연구 외적인 문제들도 순조롭게 해결될 수 있기를 희망한다"고 덧붙였다.

이번 연구는 식물의 개체 수준에서 염기교정 가위를 적용해 다음 세대까지 전달되는 표현형의 변형을 확인한 첫 사례다. 연구진은 PDS3 유전자의 염기가 바뀐 식물체가 다음 세대에도 유전자가 전달되는 지 살펴본 결과, 다음 세대에도 염기치환이 된 유전자가 정확하게 전달됨을 관찰했다. 이로써 IBS 유전체 교정 연구단은 올해 4월 염기교정 가위를 동물 개체에 처음으로 적용해 유전자 교정에 성공한 데 이어 식물 개체에서도 염기 교정에 성공했다.

IBS 커뮤니케이션팀
고은경