유전체교정연구단 김진수 단장 연구팀이 미국 오리건 보건과학대학(OHSU) 미탈리포프(Mitalipov) 교수 연구팀 등과 함께 인간배아에서 비후성 심근증의 원인이 되는 돌연변이 유전자를 크리스퍼 유전자 가위*로 교정하는데 성공했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민)와 기초과학연구원(원장 김두철, 이하 IBS)은 밝혔다.

* 크리스퍼 유전자가위(CRISPR Cas9) : 박테리아의 면역 체계에서 유래한 DNA 절단효소로 특정 유전자를 없애거나 더할 수 있고, 다른 염기서열로 교체할 수도 있다.

연구진은 인간배아 유전자 교정을 통해, 비후성 심근증 변이 유전자가 자녀에게 유전되지 않을 확률을 자연상태*의 50%에서 72.4%로 높여서, 유전자가위로 유전병을 예방할 수 있는 새로운 길을 열었다.

* 부모 중 한 명이 변이 유전자 보유 시, 유전될 확률 50%

세계보건기구(WHO)에 따르면 단일 유전자 변이로 인한 유전질환은 1만 가지 이상이다. 혈우병, 겸상 적혈구 빈혈증, 헌팅턴병 등 희귀질환이 많고, 환자 수는 수백만 명에 달하기 때문에 이번 연구의 파급효과는 매우 클 것으로 기대된다.

비후성 심근증은 선천적으로 좌심실 벽이 두꺼워지는 심장질환으로, 인구 500명중 1명의 비율로 발생하는데, 심부전 증상이 나타나며 젊은 나이에 돌연사*를 일으키는 주요 원인 중 하나다.

* 정확한 통계는 없으나 대한법의학회지(광주전남지역)에 따르면 2007∼2010년 심장질환 관련 사망자의 7%가 비후성 심근증에 의한 사망으로 조사된 바 있다.

이번 연구에서 IBS 김진수 단장 연구팀은 배아 실험에 사용할 유전자가위(크리스퍼 Cas9)를 제작하여 제공하고, 실험 후 DNA 분석을 통해 유전자가위가 표적 이탈 효과 없이 제대로 작동했음을 확인하였으며, 인간배아에 유전자가위를 도입하여 유전자를 교정하는 실험은 미국 OHSU 연구팀이 수행하였다.

IBS 유전체교정연구단은 정교한 유전자가위 제작기술과 우수한 유전자교정 정확도 분석기법을 보유하고 있어서, 미국 OHSU 연구진의 제안으로 이번 연구에 참여하였다.

OHSU 연구팀은 미국 국립과학원과 국립의학원의 가이드라인과 기관 자체 가이드라인 및 과학윤리위원회 검토 등 미국의 적법한 절차에 따라 인간배아 유전자교정 실험을 안전하게 수행하였다.

* 미국은 유전적 난치병 치료목적 기초연구를 위한 인간배아와 생식세포 변경 허용

특히, 이번 연구는 유전자 교정의 성공률을 높였다는데 의미가 크다. 기존에는 수정 후 유전자가위를 주입해서, 같은 배아에 유전자가 교정되지 않은 세포가 섞여있는 모자이크 현상이 발생했는데, 이번 연구에서 정자와 유전자 가위를 동시에 난자에 주입해서 모자이크 현상을 극복함으로써, 유전자 교정의 성공률을 높였다.

* 모자이크 현상이 일어난 배아는 변이된 유전자를 후세대로 물려 줌

연구결과는 국제적인 학술지 네이처(Nature, IF 38.138) 온라인에 한국시간 8월 3일 새벽 2시에 공개되었다.

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성

크리스퍼 유전자가위는 동식물 유전자에 결합해 특정 DNA의 염기만 자르는 인공효소다. 이를 이용하면 특정 유전자를 없애거나 추가하거나 교체할 수 있다. 유전병의 원인이 되는 돌연변이를 교정하거나 항암 세포치료제를 개발하는데 활용될 수 있어 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있다.

인간 유전병의 근본적인 치료를 위해, 크리스퍼 유전자가위로 유전질환을 일으키는 변이 유전자를 배아 수준에서 정교하게 교정하는 연구를 수행하였다.

2. 연구 내용

IBS 유전체 교정 연구단 연구진은 크리스퍼 유전자가위를 제작했다. 크리스퍼 유전자가위는 교정해야 할 염기를 인식하는 가이드 RNA(sgRNA)와 절단효소 Cas9 단백질로 구성된다. 이번 연구에서는 변이된 MYBPC3 대립유전자를 인식하는 가이드 RNA를 만들고, 환자 역분화줄기세포를 이용해 효과를 확인한 뒤 크리스퍼 유전자가위를 오리건 보건과학대학 연구진에게 제공했다.

* 대립유전자 : 부(父)계와 모(母)계에서 하나씩 받는 유전자(상동 염색체에 서로 대응)로, 이번 연구에서는 변이가 일어난 MYBPC3 대립유전자를 지닌 정자와 정상적인 MYBPC3 대립유전자를 보유한 난자를 제공 받아 실험하였다.

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. 이를 통해 MYBPC3 변이 유전자를 가지지 않을 확률이 72.4%로 자연상태의 50%보다 22.4% 증가하였다.

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.

3. 연구 성과

이번 연구는 유전자가위로 유전질환을 지닌 변이 유전자를 인간배아에서 정확하게 교정할 수 있음을 증명했다. 유전자가위를 구성하는 Cas9 단백질과 가이드 RNA(guide RNA)를 정자와 동시에 난자에 주입하여 유전체 교정 분야의 난제인 모자이크 현상을 극복했다. 단일배아에 교정되지 않은 유전자가 섞여서 변이 유전자를 다음 세대로 유전하는 모자이크 현상을 극복하여 유전체 교정 분야에서 매우 큰 기술적 진전을 이뤘다고 평가할 수 있다.

또한 외부 DNA 도입 없이 유전자가위만 적용할 경우, 세포 내 존재하는 정상적인 대립 유전자(정상인 난자)를 이용해 변이가 일어난 유전자를 교정할 수 있음을 확인했다. 유전자가위로 배아 내 복구 시스템을 유도한 결과, 배아 내 복구 시스템이 작동하고 교정이 효율적으로 일어남을 입증했다. 이는 인간배아 연구를 수행하지 않고서는 결코 확인하기 어려운 결과로 향후 유전질환을 연구하는데 큰 도움이 될 것으로 예상된다.

향후 크리스퍼 유전자가위의 효율을 높이고 안정성이 입증된다면 다양한 유전질환 관련 연구가 이루어져서 유전질환을 지닌 부모들이 건강한 아이를 가질 수 있는 길이 열릴 것으로 보인다.

김진수 단장은 “이번연구는 돌연변이를 가지고 있는 인간배아에서 유전자가위의 효과와 정확성을 입증 했다는데 큰 의미가 있다.”고 밝혔다.

※ 생명윤리 관련

미국은 미래 세대에 영향을 줄 수 있는 유전질환과 관련해 연구 목적의 인간배아 실험을 허용하고 있음. 이번 연구는 오리건 보건과학 대학 내 심의기구(Institutional Review Board)에서 세운 가이드라인과 과학적․윤리적 검토를 위한 전문 위원회(ad-hoc committee)에 의해 승인되었음. 또한 올해 미국국립과학원․의학원에서 발간한 인간 유전체 교정 가이드라인에 따라 수행되었음.

국내 생명윤리법은 인간배아 연구를 엄격하게 제한하고 있으나, 인간배아에 대한 실험은 미국 연구팀이 수행하였고, 한국 연구팀은 실험에 사용할 유전자가위를 제작하여 제공하고, 미국 연구팀의 실험 후 DNA에 대한 분석을 통해 오작동 여부를 분석하는 역할을 담당하였으므로, 국내 생명윤리법에 저촉되지는 않는 것으로 판단됨.