유전체 교정 연구단 김진수 단장 연구팀이 미국 오리건 보건과학 대학(OHSU) 미탈리포프(Mitalipov) 교수 연구팀 등과 함께 인간배아에서 비후성 심근증 원인이 되는 돌연변이 유전자를 크리스퍼 유전자가위*로 교정하는데 성공했다. 김진수 단장은 "인간배아에서 유전자가위의 효과와 정확성을 입증했다는데 큰 의미가 있다"며 "유전자 교정에 있어 난제였던 모자이크 현상을 유전자가위 도입방식을 달리해 해결했다는데 기술적 진전이 있다"고 말했다.

비후성 심근증은 선천적으로 좌심실 벽이 두꺼워지는 심장질환으로 인구 500명 중 1명의 비율로 발생한다. 심부전 증상이 동반되고 젊은 나이에 돌연사를 일으키는 주요 원인 중 하나다.¹⁾ 비후성 심근증은 11번째 염색체에 존재하는 MYBPC3 유전자 변이가 망가지면서 발생한다. 유전적으로 발병할 확률이 높지만 성인이 되기까지 징후가 나타나지 않는다는 특징이 있다. 다음 세대로 유전자가 전달될 확률이 높은 이유 중 하나다. 가족성 비후성 심근증의 경우, 부모 중 한 명이 변이 유전자를 보유할 경우 자녀에게 유전될 확률이 50%이다.

▲ 비후성 심근증은 MYBPC3 유전자가 망가지거나 변형되면 발생한다. 선천적으로 심장근육이 지나치게 두꺼워지는 질병이다. 유전으로 전달되는 비후성 심근증의 경우, 우성 유전의 특징이 있어 부모 중 1 명이 유전자 변이가 있는 경우, 자식 2명 중 1명은 비후성 심근증에 걸린다. 연구진은 배아 상태에서 유전자가위를 도입해 자연상태에서 50%의 비후성 심근증에 걸릴 확률을 27.6%로 낮췄다.

연구진은 인간배아 유전자교정을 통해 비후성 심근증 변이 유전자가 자녀에게 유전되지 않을 확률을 자연상태의 50%에서 72.4%로 높였다. 유전자가위로 유전병을 예방할 수 있는 새로운 길을 연 것이다. 또한, 유전질환으로 고통 받고 있는 환자가 수백만 명에 달하는 만큼²⁾ 이번 연구의 파급효과는 매우 클 것으로 예상된다.

이번 연구에서 IBS 김진수 단장 연구팀은 배아 실험에 사용할 크리스퍼 유전자가위를 제작해 제공했다. 실험 후, DNA 분석을 통해 유전자가위가 표적 이탈 효과 없이 제대로 작동했음을 확인했다. 인간배아에 유전자가위를 도입하고 교정하는 실험은 미국 OHSU 연구팀이 수행했다.

먼저, IBS 박상욱 연구위원은 실험에 쓰일 크리스퍼 유전자가위를 제작했다. 변이된 MYBPC3 대립유전자를 인식하는 가이드RNA를 만들고 환자의 역분화줄기세포를 이용해 효과를 확인한 뒤, 크리스퍼 유전자가위를 오리건 보건과학 대학 연구진에게 제공했다.

오리건 대학 연구팀은 MYBPC3 유전자에 변이가 있는 환자로부터 얻은 정자와 크리스퍼 유전자가위를 정상인의 난자에 도입하는 방식으로 실험을 진행했다. 실험결과, 수정 시 정상적으로 존재하는 난자의 대립 유전자가 변이가 일어난 대립유전자를 교정함을 확인했다. 외부 DNA 도입 없이도 유전자가위만을 적용해 유전자교정에 성공함을 증명한 것이다. 부모 중 1명이 비후성 심근증을 갖고 있을 경우, 자녀가 비후성 심근증에 걸릴 확률이 50%에서 27.6%로 줄어든 것이다.

▲ 이번 연구에서 크게 주목할 사항은 유전자가위 도입 방식에 따른 유전자 교정 효율 향상과 모자이크 현상 제거 효과이다. 난자와 정자가 수정된 후, 유전자가위를 적용하는 방식(그림 위)이 아닌 난자에 정자와 크리스퍼 유전자가위를 동시에 주입하는 경우(그림 아래) 모자이크 현상이 발생하지 않았다. 또한, 이 방식을 활용하면 효과적으로 유전자 교정이 일어나 MYBPC3 변이를 가지지 않을 확률이 72.4%에 달한다. 이는 부모 중 1명이 비후성 심근증을 갖고 있을 경우, 자녀가 비후성 심근증에 걸릴 확률이 50%에서 27.6%로 줄어드는 것이다.

또한, IBS 연구진은 인간 배아에 적용된 유전자가위의 정확성을 평가하기 위해 절단 유전체 시퀀싱(Digenome-seq) 기법과 전 유전체 시퀀싱(Whole Genome seq)기법으로 유전자가위가 적용된 배아의 DNA를 분석했다. 그 결과, 절단 유전체 시퀀싱에서 절단될 가능성이 크다고 예측한 23개의 비표적 절단 위치(potential off target) 중 어떤 곳에서도 유전자가위가 오작동하지 않았음을 입증했다.

▲ IBS 연구진은 자체적으로 개발한 절단 유전체 시퀀싱(Digenome-seq) 분석법을 활용해 크리스퍼 유전자가위가 표적인 MYBPC3 변이 유전자 외 비표적 위치에 작용하는지 분석했다. 그 결과, 표적 이탈 효과 없이 유전자가위가 오작동하지 않음을 확인했다.

이번 연구는 유전자 교정의 성공률을 높였다는데 의미가 크다. 기존에는 수정 후 유전자가위를 주입해서, 같은 배아에 유전자가 교정되지 않은 세포가 섞여있는 모자이크 현상이 발생했다. 모자이크를 지닌 배아는 변이된 유전자를 후세대로 물려 줄 가능성이 커 유전체 교정 분야의 난제였다. 이번 연구에서는 정자와 유전자 가위를 동시에 난자에 주입해서 모자이크 현상을 극복했다. 모자이크 현상을 없애기 위해 Cas9 mRNA 대신 Cas9 RNP 전달 방법을 사용해 단백질로 번역되는 시간을 줄인 것도 큰 기술적 진전이라 할 수 있다. Cas9 RNP 기법은 김진수 단장 연구팀이 보유한 노하우라 할 수 있다.

▲ 오리건 대학 연구진은 정상인 난자에 변이 유전자를 지닌 정자와 크리스퍼 유전자가위를 동시에 주입하는 방식으로 모자이크 현상을 해결했다. 실험 영상은 오리건 보건과학 대학에서 제공. (동영상 보기)

김진수 단장은 "이번 연구로 유전자가위를 배아에서 유전자가위로 돌연변이를 교정해 다음 세대로 유전을 막을 수 있는 확률을 높였다"며 "향후 다양한 유전질환의 발병 기전을 밝히는 연구에 참여하고자 한다"고 밝혔다. 이번 실험을 주도한 미탈리포프 교수는 "유전자 교정의 안정성이 증명된다면 유전질환을 갖고 있는 가족들의 부담은 물론 인류 전체의 부담을 덜 수 있다"고 말했다.

OHSU 연구팀은 연구팀은 미국 국립과학원과 국립의학원의 가이드라인과 기관 자체 가이드라인 및 과학윤리위원회 검토 등 미국의 적법한 절차에 따라 인간배아 유전자교정 실험을 안전하게 수행하였다. 미국은 유전적 난치병을 치료하는 목적이라면 기초연구에 인간배아와 생식세포를 연구대상으로 다루는 것을 허용하고 있다. 이번 연구에 참여한 박상욱 연구위원은 "인간 배아에 대한 연구는 매우 민감한 주제인 만큼 우려되는 부분이 있었다. 하지만 논문 심사 과정에서 생명윤리분야 심사위원이 '생명윤리에 대한 가이드라인이 매우 잘 지켜졌다'라고 심사평을 달아준 점은 매우 고무적이었다"고 밝혔다.

대외협력실 고은경