유전자가위 기술인 ‘크리스퍼(CRISPR)’는 정말 강력한 기술이다.

세포 안에 있는 유전자를 넣고 뺄 수 있기 때문에 유전자의 잘못된 부분을 제거해 문제를 해결하는 것은 물론 형질 변경도 가능하다.

그러나 완벽한 것은 아니다. 어떤 경우 엉뚱한 유전자를 교체하거나, 세포를 엉망진창으로 만들어놓는 등 오류가 발생하고 있다. 또 이런 오류들은 농업, 의약품 연구 등에 있어 안전성 문제를 유발하고 있다.

기존 유전자가위보다 훨씬 더 정교해   

과학자들은 그동안 유전자편집 과정에서 발생하는 이런 오류들을 줄이기 위해 많은 노력을 기울여왔다.

그리고 최근 오류를 대폭 해소한 새로운 유전자가위 기술을 선보이고 있는 중이다.

22일 ‘사이언스’ 지에 따르면 하버드대학 유전학자인 조지 처치(George Church) 교수는 ‘네이처’ 지 22일 자 온라인 판을 통해 기능이 업그레이드된 CRISPER를 소개했다.

‘프라임 에디팅(prime editing)’이라 부르는 이 최신 유전자가위 기술은 표적 유전자에 손상을 주지 않으면서 자연스럽게 새로운 유전자 염기서열을 그 안에 주입하거나 기존의 DNA 안에서 문제가 되고 있는 염기서열을 제거하는 것이 가능하다.

연구를 이끈 사람들은 브로드 인스티튜트(Broad Institute)의 생화학자 데이비드 류(David R. Liu) 박사가 이끄는 연구팀이다.

데이비드 류 박사는 “기존의 유전자가위 기술이 특정 상황에서 오류가 발생해 어려움을 겪고 있었지만 ‘프라임 에디팅’ 기술은 표적 유전자에 대해 매우 뛰어난 정교함과 함께 유연성을 함께 갖추고 있다.”고 설명했다.

류 박사는 하나의 효소를 표적 부위로 배달한 다음 하나의 DNA 염기를 다른 것으로 변경할 수 있는 ‘염기교정(base editing)’이라 불리는 CRISPR를 개발해 유전자편집의 영역을 크게 확대시킨 인물이다.

그는 연구팀과 함께 다수의 사람‧쥐의 세포를 대상으로 175번에 걸쳐 새로운 유전자가위 기술인 ‘프라임 에디팅’을 테스트했다고 말했다.

그리고 이 검증 과정에서 유전성 질환인 겸상적혈구빈혈증(sickle cell anemia), 테이삭스병 (Tay-Sachs disease) 등 난치병을 유발하고 있는 돌연변이 과정을 교정할 수 있었다고 밝혔다.

관련 논문은 22일 자 ‘네이처’ 지 온라인 판에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA’이다.

신기술로 돌연변이 유전자 치료 가능해져  

겸상적혈구빈혈증은 변이유전자 때문에 낫 모양으로 변형된 적혈구가 다수 나타나 발생하는 유전성 빈혈이며, 테이삭스병은 열성 유전자 2개가 모여서 생기는 질환이다.

그동안 과학자들은 이들 질환의 원인을 알고 있었지만 유전자편집 과정에서 발생하고 있는 오류 때문에 유전자편집을 시도하지 못하고 있었다.

연구팀은 논문을 통해 그동안 유전자편집을 시도하고 있는 많은 과학자들이 난치병 등을 유발하는 유전자 변형에 직면해 우발적인 오류와 정교함의 한계 때문에 큰 어려움을 겪어왔다고 말했다.

이를테면 3세대 유전자가위 기술인 ‘CRISPR-Cas9’의 경우도 촉매반응으로 인해 고밀도 세포 안에서 오류가 발생하고 있었다고 설명했다.

그리고 문제를 해결하기 위해 새로 개발한 기술이 ‘프라임 에디팅’이다. 연구팀은 이 기술을 적용해 그동안 난치병을 유발하는 것으로 알려진 유전자변형 사례 가운데 89%를 교정할 수 있었다고 밝혔다.

류 박사 연구팀의 이런 연구 결과는 이전의 개발한 염기교정(base editing) 기술을 발전시킨 것이다.

염기교정이란  DNA가닥을 그대로 놔두고 염기를 바로 대체하는 기술이다. 기존 3세대 유전자가위처럼 가위(효소)를 이용해 DNA를 자르고 붙이는 것이 아니라 DNA 안의 단일 염기 하나만 바꾸어 염기서열을 조절할 수 있다.

그러나 이 방식에도 한계가 있었다. 고밀도 돌연변이 세포에서 표적을 놓치면서 오류가 자주 발생하고 있었다.

연구팀은 오류가 발생하는 원인을 근본적인 원인을 차단하려 했다. Cas9 단백질이  crRNA라는 RNA 서열에 따라서 DNA를 자른다는 점을 감안, Cas9 단백질과 안내 RNA의 속성을 수정함으로써 유전자가위의 결점을 보완할 수 있었다.

하버드대 조지 처치 교수는 “이번에 개발한 ‘프라임 에디팅’이 기존 유전자가위 기술과 비교해 월등한 정교함을 지니고 있어 그 적용 범위를 크게 넓힐 수 있을 것”이라고 말했다.