‘유전자 가위’는 질병 치료에 활용할 수 있는 크나큰 잠재력 때문에 그동안 많은 주목을 받아 왔다. 그러나 유전자를 자른다거나 복제해 붙이는 과정에서 만에 하나 생각지 못한 ‘사고’가 일어날까 두려워 환자 치료에 적극적으로 활용되지는 못 했었다.

최근 미국 소크(Salk) 연구소 과학자들이 DNA에 손상을 일으키지 않고 유전자를 활성화시키는 크리스퍼/카스9(CRISPR/Cas9) 유전체 편집기술 새 버전을 선보여 큰 관심을 모으고 있다. 이 기술의 인체 대상 임상시험이 성공적으로 마무리되면 ‘유전자 가위’ 치료에 따르는 가장 큰 장애물 하나를 피할 수 있을 것으로 보인다.

이번 연구는 생명과학 저널 ‘셀’(Cell) 7일자에 발표됐다(관련 동영상).

“돌연변이 우려 성공적으로 해결”

대부분의 크리스퍼/카스9 시스템은 편집이나 삭제를 목표로 하는 게놈 영역에서 이중나선 절단[double-strand breaks(DSBs)]을 통해 작업을 수행한다. 그러나 많은 과학자들은 살아있는 인간의 유전체에 그런 절단 행위를 하는 것을 반대해 왔다.

소크 연구팀은 이번 새 기술의 개념 증명을 위해 쥐 모델에서 당뇨병과 급성 신장병, 근 위축증과 같은 여러 질병을 치료하기 위해 새로운 접근법을 사용했다.

논문의 시니어 저자인 후안 카를로스 이즈피수아 벨몬테(Juan Carlos Izpisua Belmonte) 교수(소크연구소 유전자 발현 랩)는 “크리스퍼/카스9이 유전자 치료를 위한 강력한 도구로 활용될 수 있다는 많은 연구가 있으나, 이 기술의 이중나선 절단에 따라 야기될 수 있는 원치 않는 돌연변이에 대한 우려가 커지고 있다”며, “우리는 그러한 우려를 성공적으로 해결했다”고 밝혔다.

이중나선 절단 하지 않는 효소 사용

원래의 CRISPR/Cas9 시스템에서 Cas9 효소는 작업을 수행할 게놈의 정확한 위치를 지정하는 가이드 RNA와 짝을 이뤄 이중나선을 절단한다. 최근 몇몇 연구자들은 게놈의 특정 장소를 겨냥하면서도 더 이상 DNA를 자르지 않는 ‘절단 기능 없는(dead)’ Cas9(dCas9)을 사용하기 시작했다. 대신 dCas9은 표적 유전자를 활성화시키는 전사 활성화 영역인 분자 스위치와 짝을 이룬다.

그러나 활성화 스위치에 부착된 dCas9 단백질은 너무 부피가 커서, 통상 살아있는 유기체 세포에 이런 종류의 치료법을 전달하는 매개체인 아데노 관련 바이러스 (adeno-associated viruses, AAV)에 탑재하기가 어려웠다. 이런 이유로 그동안 효율적인 전달시스템이 없어 환자 치료에 응용할 수가 없었던 것.

DNA염기서열 변경 없이 유전자 발현   

이즈피수아 벨몬테 교수팀은  Cas9 / dCas9을 다양한 활성화 스위치와 결합시켜 단백질들이 서로 융합되지 않았을 때도 작동할 수 있는 조합을 발견했다. 즉, Cas9 혹은 dCas9을 한 AAV에 집어넣고, 분자 스위치들과 가이드 RNA들은 다른 AAV에 집어넣었다. 그런 다음 가이드 RNA를 최적화해 모든 조각들이 게놈의 원하는 위치에 자리할 수 있도록 함으로써 표적 유전자가 강하게 발현되도록 했다.

논문 공동 제1저자인 신-카이 랴오[Hsin-Kai (Ken) Liao] 벨몬테 교수실 연구원은 “모든 구성요소들이 유기체 안에서 잘 작동해 목표로 한 내생 유전자에 영향을 미쳤다”고 밝혔다. 이 방식에서는 유전자 편집기술이 후생유전학적으로 작동하며, 이는 DNA 염기서열을 변경하지 않고도 유전자 활동에 영향을 미친다는 것을 의미한다.

신장, 당뇨, 근위축증 증상 호전 확인

연구팀은 이 방법을 급성 신장 손상과 1형 당뇨병 및 근위축증을 일으킨 쥐에게 적용해 시험해 봤다. 각각의 경우에서 CRISPR/Cas9 시스템을 공학적으로 조작해 내생 유전자 발현을 촉발함으로써 질병 증상을 가능성 있게 역전시킬 수 있었다.

신장질환에서는 신장 기능에 관여하는 것으로 알려진 2개의 유전자를 활성화시켜 이들 유전자와 관련된 단백질 수치가 증가하고 급성 손상을 입은 신장의 기능이 개선된 것을 관찰할 수 있었다. 1형 당뇨병에서는 인슐린 생산 세포를 생성하는 유전자 활동을 촉진하는 것을 목표로 삼았다. 여기서도 당뇨병을 일으킨 쥐의 혈당 수치가 내려가는 치료 효과를 나타냈다. 근위축증 유전자 치료에서는 기존의 바이러스 매개 유전자요법으로는 치료제를 쉽게 전달할 수 없었던 큰 유전자 하나를 포함해 이전에 질병 증상을 역전시키는 것으로 밝혀진 유전자를 발현시키는 성과를 거뒀다.

노화과정 역전 등 적용 영역 확대 연구

논문 공동 제1저자인 후미유키 하타나카( Fumiyuki Hatanaka) 벨몬테 교수실 연구원은 “쥐 실험 결과를 보고 우리는 크게 흥분했다”며, “이제 유전자 활성화를 유도하는 동시에 그에 따른 생리적 변화를 확인할 수 있게 됐다”고 말했다.

이즈피수아 벨몬테 교수팀은 현재 이 치료 시스템의 반응 특이성을 향상시키고 인체 질병을 더욱 폭 넓게 치료하기 위해 더 많은 세포 유형에 이 치료법을 적용하려 노력하고 있다. 여기에는 청력 손실이나 황반변성 같은 노화 관련 질환과 노화 과정의 역전 및 특정 장기의 회춘도 포함된다. 연구팀은 인체 임상시험 이전에 더 많은 안전성 시험이 필요하다고 말했다.