지난해 학계에 새로운 유전체 교정법이 보고되었다. DNA 염기 하나만을 바꿀 수 있는 '크리스퍼 염기교정 유전자가위(Base Editor, targeted deaminase, 이하 염기교정 유전자가위)'¹⁾가 등장한 것. IBS 유전체 교정 연구단 김진수 단장 연구팀이 그간 동물 개체 수준에서는 적용된 적이 없었던 염기교정 유전자가위로 생쥐의 특정 유전자 염기를 바꾸는데 성공했다. 염기교정 유전자가위를 동물에 적용한 첫 사례다.

▲ 인간의 유전체는 약 30억 쌍의 DNA 염기로 구성되어 있다. DNA는 A, T, C, G 네 개의 염기의 조합으로 이뤄져 있으며 여기에는 유전 정보가 담겨 있다. (2번째 문단 오른쪽 배치)

생명체에 관한 모든 정보를 담고 있는 DNA는 네 개의 염기로 구성되어 있다. 아데닌(A), 티민(T), 시토신(C), 구아닌(G) 염기는 서로 쌍을 이뤄 순서를 만든다. 3개의 염기가 조합되면 이를 코돈(codon)이라 부르고, 여기에 유전 정보가 저장된다. DNA의 염기서열이 중요한 이유는 단일 염기 하나만 잘못 되어도 심각한 병을 초래하기 때문이다. 기관지와 췌장에 문제가 생기는 낭성 섬유증, 낫 모양의 적혈구가 만들어지는 겸상 적혈구 빈혈증 등은 특정 염기 하나가 잘못되어 발생하는 대표적인 질환이다.

현재 널리 활용되는 크리스퍼 유전자가위(CRISPR Cas9 혹은 CRISPR Cpf1)는 표적인 DNA 염기서열을 찾아 결합한 뒤 이 부분을 잘라 제거하거나, 새로운 염기서열로 교체한다. 두 가닥으로 된 DNA 염기서열을 잘라 유전자를 교정하지만, 특정 염기 한 개를 바꾸는 것은 매우 어려웠다. 반면 염기교정 유전자가위는 시토신(C)을 티민(T)으로 변형시킬 수 있다. 염기교정 유전자가위는 시토신을 분해하는 탈아미노효소²⁾와 DNA 한 가닥을 자르는 Nicakase Cas9(nCas9)으로 구성된다. 시토신 탈아미노이드 효소가 DNA 서열에서 시토신(C)을 찾아 우라실(U)로 바꾸면, DNA 복구 과정에 따라 우라실(U)은 티민(T)이 되는 원리다.

▲ 기존 3세대 크리스퍼 유전자가위(위)와 달리 시토신 탈아미노효소가 융합된 크리스퍼 염기교정 유전자가위(아래)는 DNA 서열 중 시토신(C)을 찾아 티민(T)으로 교체할 수 있다. 크리스퍼 유전자가위는 DNA 두 가닥을 모두 자르지만, 염기교정 유전자가위는 DNA 한 가닥을 자르고, 나머지 DNA 한 가닥에서 하나의 염기를 교체하는 특징이 있다.

IBS 연구진은 이같은 염기 변환으로 정확하게 원하는 형질을 바꾸는 데 성공했다. 먼저, 전기천공법과 미세주입법을 이용해 생쥐 배아에 염기교정 유전자가위를 전달했다. 교정하고자 한 유전자는 근육세포의 안정적 유지에 관여하는 Dystropin(Dmd) 유전자와 멜라닌 색소 형성에 관여하는 Tyrosinase(Tyr) 유전자였다. 연구진은 두 유전자의 염기 교체를 시도한 결과, 돌연변이 생쥐를 만드는데 성공했다. Dmd 유전자의 염기를 교체해 근육이 퇴행하는 생쥐를, Tyr 유전자의 염기교체로 백색증(Albino) 유도 생쥐를 만들었다.

▲ 연구진은 크리스퍼 염기교정 유전자가위를 이용해 근육세포의 안정적 유지에 관여하는 Dystopin(Dmd) 유전자의 염기 교체에 성공했다(위, 왼쪽). 연구진은 변이가 도입된 생쥐(위, 오른쪽)의 경우 Dystropin 단백질이 발현되지 않았음을 확인했다. 또한, 멜라닌 생성에 관여하는 멜라닌 생성에 관여하는 Tyrosinase 유전자의 염기를 교체(아래, 왼쪽)하여 돌연변이 생쥐(아래, 오른쪽)를 만들었다.

이번 연구성과의 제1저자인 김경미 연구위원은 "염기교정 유전자가위를 동물에 적용하는 첫 연구였기에 유전체에서 최적화하는 점이 어려웠다"며 "실험에 소요되는 시간을 단축하기 위해 배아 수준에서 바로 유전체 교정을 확인하는 방식으로 실험 효율을 높였다"고 밝혔다. 연구진은 전체 유전체 시퀀싱(whole genome sequencing, WGC, 전체 유전체의 DNA 염기서열 순서를 규명하는 기법)으로 표적 위치에만 정확하게 유전자 변이가 발생했음을 확인했다. 염기교정 유전자가위의 정확성을 최초로 입증한 것이다.

이번 연구는 난치성 유전질환 치료제를 위한 형질전환 실험 동물 제작에 큰 도움이 될 것으로 보인다. 김진수 단장은 "크리스퍼 염기교정 유전자가위는 일반적인 유전자가위와 달리 DNA 두 가닥을 자르지 않고, 단일 염기를 치환해 정교한 유전자 교정 도구로 활용할 수 있다"며 "이번 연구는 유전질환의 원인이 되는 돌연변이를 배아 수준에서 정밀하게 교정할 수 있는 가능성을 제시한다"고 말했다.

이번 연구결과는 생명공학 분야 권위 있는 학술지 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology, IF 41.514)' 에 2월 28일 새벽 1시(한국시간) 게재됐다.

대외협력실 고은경