워드처럼 맘대로 교정할 수 있는 4세대 유전자가위 발견

- DNA 이중가닥을 자르지 않고, 외부 DNA 주입 없이 마음대로 교정

워드프로세서처럼 마음대로 교정할 수 있는 4세대 유전자가위 프라임 에디터(Prime Editor)가 발견돼 세계 과학계가 들썩이고 있다.
 
DNA의 이중가닥을 자르지 않고(double-stranded breaks, DSBs) 혹은 외부에서 DNA 주입 없이, 컴퓨터 워드프로세서처럼 마음대로 쓰고 지울 수 있는, 4세대 유전자 가위인 프라임 교정(Prime Editing), 즉 프라임 에디터(Editor)를 발견한 것이다.
 
주인공은 2016년에 3.5세대라 불리는 염기교정(Base Editor) 유전자가위를 발견했던, MIT공대 브로드 연구소(Broad Institute)와 하버드와 MIT 공대의 생화학자(a chemical biologist)인 데이비드 리우(David R. Liu) 교수다.
 
영국 네이처(Nature)지는 2019년 8월 26일에 논문을 투고 받아 2019년 10월 10일에 승인하고, 논문이 매우 중요하고 긴박해 교정을 보기 전인 원고 초기 버전(early version of the manuscript)을 2019년 10월 21일 공개했다.
 
해당 논문은 데이비드 리우 교수가 교신저자로 제1저자 등 10여 명이 연구에 참여한 'DNA의 이중가닥을 자르지 않고 혹은 외부에서 DNA를 주입하지 않고 게놈을 검색하고 대체할 수 있는 게놈 교정(Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA)'(Anzalone et al., Nature, 21 Oct 2019)이란 논문이다. 정식 논문 발표는 2019년 10월 28일자 네이처 온라인판(Latest Research)을 통해 이뤄진다.
 
▲ 역-전사 효소가 교정된 염기서열의 RNA을 읽고 절단된 DNA의 말단에 상동 DNA 염기들(bases or letters)을 붙여 교정이 일어난다. Credit: The Scientist(21 Oct 2019).
 
기존 1세대~3.5세대 유전자 가위
 
1세대 유전자 가위는 2003년에 발견한 징크 핑거(Zinc Finger)이고 2세대 유전자 가위는 2011년에 발견한 탈렌(TALEN)이며, 3세대 유전자 가위는 2012년에 발견한 CRIPR-Cas9이다. 3.5세대는 2015년에 발견한 CRISPR-Cpf1이다. 세대가 업그레이드될수록 정확도가 높아진다.
 
그 이후 2016년에 3.5~4세대라 불릴만한 염기교정 유전자가위(Base Editor)가 데이비드 리우 교수에 의해 발견됐다.
 
크리스퍼/카스9(CRISPR/Cas9)란
 
크리스퍼(CRISPR) 박테리아의 유전체(게놈)에서 특이하게 반복되는 염기서열(base sequences) 부분이다. 카스9(Cas9)은 크리스퍼 서열에 상보적인 DNA의 특정 줄기를 인식하고 절단하기 위하여 가이드로서 크리스퍼 서열을 사용하는 효소이다.
 
크리스퍼 카스9는 크게 두 가지 요소로 이루어져있다. RNA로 만들어진 '가이드 RNA'와 DNA를 절단하는 효소인 '카스9'이다. 원리적으로 모든 생물에 적용이 가능하다.
4세대 유전자 가위 '프라임 에디팅(Prime Editing)
 
CRISPR-Cas9 유전자 가위가 현재 널리 알려지고 있으나 아직은 해결해야 할 문제들을 갖고 있다. 투박하고(clunky) 오류가 발생하기 쉬우며(prone to errors or errors-prone) 의도되지 않은 결과를 가져올 수 있다.
 
그러나 데이비드 리우 교수팀이 개발한 프라임 에디팅(prime editing)은 이러한 단점을 극복해서 유전자 치료(gene therapies)를 개발할 수 있는 획기적인 툴로 떠오르고 있다. 이 툴을 이용하면 연구자들은 예측할 수 없는 변이와 오류 대신 결국 그들이 원하는 유전자 교정을 할 수 있다.
 
또한 데이비드 교수팀은 논문에서 비-표적 사이트(off-target sites)을 줄였다고 발표함으로써 CRISPR-Cas9가 보여주는 비-표적 절단을 막을 수 있으며, 워드프로세서처럼 누구나 사용할 수 있는 범용 툴이라 프라임 교정 베이스의 유전질환 교정이 가능하게 됐다.
 
데이비드 리우 교수팀의 논문에 따르면 "어느 날인가 과학자들은 이 툴을 이용해 미국 국립생물정보센터(ClinVar)에 리스트 된 7만5000개의 유전자 질환들(disease-associated DNA variants or pathogenic human genetic variants) 중 이론적으로는 89%를 교정할 수 있다"고 한다.
 
데이비드 리우 교수는 "따라서 과학자들은 랩(Lab)에서 이 툴을 이용해 각종 유전질환의 모델을 개발할 수 있으며 특정 유전자의 기능과 돌연변이 유전자의 원인을 연구할 수 있다"고 말한다.
 
프린스턴 대학의 유전자 교정을 연구하는 아담손(Brittany Adamson)은 "아직은 초기이지만, 연구결과는 정말 환상적이다. 많은 사람들이 사용하게 될 것"이라고 말했다.
 
멀티 목적 툴(A multipurpose tool)
 
데이비디 리우를 비롯한 연구원들은 그 전에 삽입(insertions), 삭제(deletions) 혹은 DNA 염기 치환(DNA letter substitutions) 등을 고려해 왔다. 그러나 정밀한 치환에서 제약이 있었다. 그래서 이를 극복하고자 이번에 프라임 에디터를 개발한 것이다.
 
리우 박사는 "첫 번째 연구가 방금 시작됐다. 이것은 끝이 아니라 이제 시작이다. 하나의 유기체에서 DNA를 교정할 수 있는 오랫동안 갈망했던(long-standing aspiration) ….이제 시작에 불과하다"라고 말했다.
 
데이비드 리우 연구팀은 이중가닥 절단 없이, 그리고 외부 DNA 주형 삽입 없이, 표적 삽입과 절단 등을 포함한 175번의 인간 세포들과 12 유형의 유전자 변이들을 대상으로 실험해 이와 같은 결과를 얻어 논문을 발표했다.
 
<3세대 유전자 가위-논문·특허기술 전쟁> 논문 분석 보고서를 낸 차원용 아스팩미래기술경영연구소 대표 소장은 "2017년 한국 김진수 박사와 미국의 슈크라트 미탈리포프(Shoukhrat Mitalipov) 박사팀의 논문을 보면 외부에서 주입한 주형을 이용해 복구가 일어나는 것이 아니라 모계의 정상 상동 염색체를 주형으로 사용하고, 인간이 가진 자연적인 복구시스템인 HDR를 이용해, 결실된 부계 대립유전자를 교정하고 있다"며, "SF 영화 가타카(Gattaca, 1997)처의 '맞춤식 아기 탄생' 환상이 깨졌다"(No designer babies)고 말했다.
 
이어 "우성 정상 유전자들을 주입하여 언젠가는 맞춤식 아기가 탄생하겠지만, 이번 논문의 결과는 외부에서 주입한 ssODNs을 주형으로 하여 복구되지 않았다는 것이 중요한 연구 결과 중 하나라는 점"이라고 말했다.
 
자세한 분석 내용은 다음 보고서에서 볼 수 있다. 관련 분석 기사: 워드처럼 마음대로 교정 가능한 4세대 유전자가위 프라임 에디터(Prime Editor)

김들풀 기자 itnews@