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유전자가위 적용 시, 면역반응 피하는 방법 찾았다

- 가이드 RNA 말단 인산 제거하면 유전자 변이 효울 높일 수 있어 -

'생명공학계 혁명', '2000년대 가장 핫(hot)한 기술' 등 수식어가 화려한 크리스퍼 유전자가위(CRISPR Cas9 or Cpf1)는 미생물이 바이러스에 대항하고자 만든 면역체계에서 유래했다. 원하는 부위의 DNA를 정교하게 자르고 교정할 수 있어 최근 전세계 학계와 산업계에서 가장 핫하게 사용하는 도구다. IBS 유전체 교정 연구단 연구진이 DNA 교정 도구인 크리스퍼 유전자가위의 유전자 변이 효율이 떨어지는 이유에 주목해 원인을 찾아냈다. 연구결과는 2월 23일 지놈 리서치(Genome Research, if 11.351)에 실렸다.

크리스퍼 유전자가위는 DNA 절단 효소인 Cas9 단백질과 Cpf1과 교정할 염기를 찾아 인식하는 가이드 RNA(guide RNA, 이하 gRNA)로 이뤄져 있다. 유전자가위를 세포에 주입 시, 쓰는 유전자가위 복합체(RNP) 방식은 gRNA와 절단효소를 혼합체 형태로 제작한다. 연구진은 유전자가위 복합체 형태로 만들어 세포에 주입할 때, 면역반응이 일어나는 이유에 주목해 연구에 착수했다. 특히, gRNA 말단에 붙은 인산 그룹1)이 외부물질로 인식돼 세포 내 면역반응이 유발되는 것으로 보고 실험에 돌입했다.

실험 결과, 연구진은 복합체 형태의 유전자가위가 세포에 주입되면 DDX58 면역 유도 수용체가 즉각 면역체계를 발동시킨다는 것을 확인했다. DDX58 면역 유도 수용체가 gRNA 말단의 인산 그룹을 외부물질로 인식하고 Ⅰ 인터페론 (type Ⅰ interferon)을 활성화시키는 것이다. 유형 Ⅰ 인터페론은 세포 사멸을 일으키는 인자로 면역반응을 유발하는 역할을 수행한다.

원인을 파악한 연구진은 gRNA 말단의 인산 그룹을 제거해 면역반응을 피하는 방식을 고안했다. gRNA를 세포에 주입하기 전 인산을 분해하는 효소를 처리해 외부물질로 인식될 여지를 없애는 것이다. 이 방식으로 연구진은 세포내 면역반응을 피해 세포사멸을 최소화하는 유전자가위 복합체 도입 방식을 새롭게 제안했다. 연구진은 유전자 교정 효율이 낮다고 알려진 T 면역세포를 대상으로 실험을 진행한 결과, 면역반응이 발생하지 않음을 확인했다.


▲ IBS 연구진은 유전자가위 구성 성분인 gRNA 말단의 5‘ 인산 그룹이 세포 내 면역반응을 유발한다는 사실을 확인했다. 탈인산효소를 이용해 gRNA 말단의 5’ 인산 그룹을 제거하면 면역반응을 피할 수 있을 뿐만 아니라 절단 효소 Cas9과 결합시켜 복합체 방식으로 세포에 전달할 경우 유전자가위의 유전자 변이 효율을 높일 수 있다고 밝혔다.

인산 그룹이 제거된 유전자가위를 T 면역세포 내 CCR5 유전자2)에 적용한 결과, 95%의 변이 효율을 기록했다. CCR5 유전자는 후천성면역결핍증(AIDS, 이하 에이즈) 원인 바이러스인 HIV의 수용체로 알려져 있다. 에이즈 환자의 T 면역세포의 CCR5 유전자를 제거하면 면역세포 기능에는 영향을 주지 않으면서도 HIV 감염에는 저항성을 부여할 수 있기 때문에 세포 치료법의 활용이 가능하다.


▲ gRNA 말단의 인산그룹을 제거하고 유전자가위 복합체 형태로 만들어 T 세포 내 CCR5 유전자에 적용한 결과, CCR5 유전자의 변이 효율이 95%였다. 이 후 CCR5 유전자를 표적해 인산 그룹이 제거된 gRNA 유전자가위를 적용하자 변이가 성공적으로 일어나 CCR5 단백질 양이 감소했다.

이번 연구는 면역반응을 피하는 유전자가위 복합체 전달 방식을 개발해 T 면역세포의 CCR5 변이를 높은 효율로 유도했다는 데 큰 의미가 있다. 향후 T 면역세포를 몸 밖으로 꺼낸 후 크리스퍼 유전자가위를 이용해 CCR5 유전자를 제거하고 재주입하는 방식의 에이즈 세포 치료법에도 활용이 가능할 것으로 보인다.

연구진은 “gRNA 말단의 인산 그룹을 제거하는 방식은 간단하면서도 저렴한 사전 공정으로 면역반응을 유발하지 않는 효율 높은 gRNA를 제작할 수 있다는 장점이 있다”며 “특히 에이즈 세포치료제 등 유전자가위를 사용하는 다양한 치료법에 적용될 수 있다”고 밝혔다.

IBS 커뮤니케이션팀
고은경

1) 인산 그룹(phosphate): RNA는 염기, 당, 인산 세 가지 요소로 구성된 여러 개의 뉴클레오타이드(nucleotide)라는 조각이 모인 사슬구조다. RNA의 양 끝 방향은 5’, 3’으로 각각 표시하는데, RNA는 인간 세포 안에서 전사되어 생성되어 변이를 거치지 않을 경우 5’ 말단에 인산 그룹을 가진 상태로 존재한다. 변이를 거치면 5’ 말단은 인산이 아닌 다른 화학식을 가지게 되는 반면 바이러스 RNA와 같은 외부 뉴클레오타이드는 5’ 인산을 포함하는 형태를 계속 갖고 있어 인간 세포 내에서 외부물질로 인식된다는 특징이 있다.

2) CCR5 유전자: HIV 바이러스의 수용체로 T 면역세포와 함께 HIV 바이러스 감염의 주요 역할을 한다. 2007년 독일에서 HIV 감염자가 백혈병으로 인해 골수 이식을 받은 후 체내 HIV 바이러스가 더 이상 검출되지 않은 바 있는데, 이 때 CCR5 유전자의 염기서열 32개가 없는 사람의 골수를 이식받은 것이 원인으로 밝혀졌다. 이를 계기로 CCR5 유전자의 길항제 사용 등 HIV 감염 치료의 타겟으로 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

Center for Genome Engineering (유전체 교정 연구단)

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    최종수정일 2018-08-23 19:09