크리스퍼 Cas9 유전자 가위로 유전병 예방의 새로운 길 열어

희귀질환 치료 연구의 파급효과는 매우 클 것으로 기대

 

인간배아에서 비후성 심근증의 원인이 되는 돌연변이 유전자를 크리스퍼 유전자 가위로 교정하는데 성공했다고 김진수 IBS 유전체 교정 연구단 단장이 설명하고 있다

인간배아에서 비후성 심근증의 원인이 되는 돌연변이 유전자를 크리스퍼 유전자 가위로 교정하는데 성공했다고 과학기술정보통신부와 기초과학연구원(IBS)은 밝혔다.

크리스퍼 유전자가위(CRISPR Cas9)는 박테리아의 면역 체계에서 유래한 DNA 절단효소로 특정 유전자를 없애거나 더할 수 있고, 다른 염기서열로 교체할 수도 있는 기초과학연구원(IBS) 유전체교정연구단 김진수 단장 연구팀이 미국 오리건 보건과학대학(OHSU) 미탈리포프(Mitalipov) 교수 연구팀 등과 함께 연구했다.

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

    사망 으로 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.

그림1. 비후성 심근증의 증상과 발병 원인

비후성 심근증은 MYBPC3 유전자가 망가지거나 변형되면 발생한다. 선천적으로 심장근육이 지나치게 두꺼워지는 질병이다. 유전적으로 발병할 확률이 매우 높지만 성인이 될 때 까지 징후가 나타나지 않는다. 인구 500명 중 1명의 비율로 발생하는 비교적 흔한 질병으로 젊은 나이에 돌연사를 일으키는 주요 원인 중 하나다. 또한, 유전으로 전달되는 비후성 심근증의 경우, 우성 유전의 특징이 있어 부모 중 1 명이라도 이 유전자에 변이가 있게 되면, 자식 2 명 중 1 명은 비대심근병증에 걸리게 된다. 

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 공개되었으며, 논문명과 저자는 다음과 같다.

논문명

Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos

저자정보  (31명)

Hong Ma*, Nuria Marti-Gutierrez*, Sang-Wook Park*(제1저자, IBS 유전체 교정 연구단), Jun Wu*, Yeonmi Lee, Keiichiro Suzuki,Amy Koski, Dongmei Ji, Tomonari Hayama, Riffat Ahmed, Hayley Darby,  Crystal Van Dyken, Ying Li, Eunju Kang, A-Reum Park(참여저자, IBS 유전체 교정 연구단), Daesik Kim, Sang-Tae Kim(참여저 자, IBS 유전체 교정 연구단), Jianhui Gong, Ying Gu, Xun Xu, David Battaglia, Sacha A. Krieg, David M. Lee, Diana H. Wu, Don P. Wolf, Stephen, B. Heitner, Juan Carlos Izpisua Belmonte(공동 교신저자, 美 솔크 연구소 유전자 발현 연구실) #, Paula Amato#(공동 교신저자, 오리건 보건과학 대학 배아 및 유전자 치료센터, 내분비과), Jin-Soo Kim#(공동 교신저자, IBS 유전체 교정 연구단) Sanjiv Kaul#(공동 교신저자, 오리건 보건과학 대학, Knight 심장의학 연구소) and Shoukhrat Mitalipov#(공동 교신저자, 오리건 보건과학 대학 배아 및 유전자 치료센터, Knight 심장의학 연구소)

□ 논문의 주요 내용

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 주요국 정책

○ 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.

 

2. 주요국 유전자 교정 관련 규제 동향

○ 인간배아 유전체 교정연구 허용범위

국 가	주요 내용
미 국	○ 미국 국립과학원과 국립의학원은 인간배아 및 생식세포 유전체 교정 허용 권고 - ‘실제 임신을 위한 배아 유전체 교정은 안 된다’고 전제하면서 ‘유전적 난치병 치료에 대한 기초연구를 위해 실험실에서 인간배아와 생식세포를 변경하는 것은 합당하다는 의견
영 국	○ 2016년 2월 인간배아에 대한 유전체 교정 연구 첫 허용 - 불임치료와 배아연구를 주관하는 영국의 인간생식배아관리국(HFEA, Human Ferilisation and Embryology Authority)은 인간배아의 유전체를 연구용으로 교정하는 것을 승인했다고 발표(2016.02) - 국가기관이 인간배아 유전체 교정 연구를 승인한 첫 사례로 프랜시스 크릭 연구소의 캐시 니아칸(Kathy Niakan) 박사 연구팀이 연구에 착수
일 본	○ 최근 인간배아에 대한 유전체 교정 불허 입장을 바꿔 기초연구에 한해 허용 - 일본 정부는 2016년 3월 인간배아 유전체 교정을 불허한다는 입장을 발표하였으나, 2달 만에 바꿔 기초연구에 한해 인간배아 유전체 교정을 허용하기로 결정
중 국	○ 특별한 규제 없이 인간배아 유전체 교정 연구를 가장 적극적으로 추진 - 중국 중산대학, 세계 최초로 인간배아의 유전체를 교정했다고 발표(Protein&Cell지, 2015.04)
스웨덴	○ 카롤린스카 인스티튜트에서 인간배아 대상 크리스퍼 유전자가위 적용을 허가 - 카롤린스카 인스티튜트는 불임을 유발하는 유전자들을 연구하는데 활용할 계획
한 국	○ 「생명윤리법」에 의해 인간배아 유전체 교정 금지 - 규제 완화 의견이 있어 의견수렴 중이나, 현재 관련 법상 배아, 난자, 정자 및 태아에 대한 유전자 교정 치료가 금지되어 있으며, 대통령령이 정하는 희귀, 난치병의 치료 등 일부 조건을 충족할 경우 잔여배아에 대한 연구만 허용

3. 용 어 설 명

1) Nature 誌

○ 미국의 Nature Publishing Group에서 발행하는 최고 권위의 학술지. 생물학, 물리학, 화학 등 기초과학 분야의 연구 내용을 담고 있다. (2016년 기준 인용지수 38.138)

2) 크리스퍼 유전자가위(CRISPR Cas9)

○ 박테리아의 면역체계에서 유래한 DNA 절단효소다. 특정 염기서열을 인식하는 작은 가이드 RNA(guide RNA)와 절단효소 Cas9 단백질로 구성된다. 교정할 염기를 찾아 가이드 FNA가 상보적인 염기서열을 인식하면 Cas9 단백질에 의해 DNA가 절단되는 원리다. RNA 유전자가위(RNA-guided endonuclease; RGEN)라고도 불린다.

○ 특정 유전자를 없애거나 더할 수 있으며, 다른 염기 서열로 교체할 수도 있다. 유전자가위는 질병의 원인이 되는 유전자를 사전에 차단하거나 난치성 유전질환의 치료법을 개발하는 도구로 각광받고 있다.

3) 비후성 심근증(hypertrophic cardiomyopathy)

○ 선천적으로 좌심실 벽이 지나치게 두꺼워져 호흡곤란, 통증, 심하면 사망에 이르게 되는 심장질환이다. 인구 500명 중 1명의 비율로 발생하는 비교적 흔한 질병으로 젊은 나이에 돌연사를 일으키는 주요 원인 중 하나다.

○ 11번째 염색체에 존재하는 MYBPC3 유전자 변이가 전체 가족성 비후성 심근증의 40%를 차지하며, 유전으로 발병할 확률이 높다.

4) 절단 유전체 시퀀싱(Digenome-seq)

○ 유전자가위에 의해 잘리는 표적 염기서열과 비표적 염기서열을 찾아 비교하는 기법. 이를 활용하면 교정하고자 했던 표적 염기서열이 교정이 되었는지, 의도치 않은 비표적 염기서열이 절단되어있는지 확인할 수 있어 유전자 가위의 정확성을 파악할 수 있다.

5) 전 유전체 시퀀싱(Whole Genome seq)

○ DAN는 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T), 4종류의 염기로 구성되어 있다. 전 유전체 시퀀싱은 DNA의 염기서열 순서를 규명하는 기법이다.

 

4. 그 림 설 명

그림2. 

유전자 교정을 위한 유전자가위 제작과 적용

IBS 유전체 교정 연구단 연구진은 비후성 심근증을 유발하는 MYBPC3 유전자 변이(4bp가 결실된 상태)를 교정하고자 크리스퍼 유전자가위를 제작했다. 정상인 난자에 변이된 유전자를 갖고 있는 정자와 크리스퍼 유전자가위를 주입한 결과,  MYBPC3 정상 대립유전자 (WT allele)를 이용한 유전자 교정이 일어났다. 이는 외부 DNA 도입 없이도 세포 내 존재하는 정상적인 대립 유전자를 이용해 망가진 유전자를 교정할 수 있음을 보여준 것이다.

 

그림 3. 

유전자가위 도입방식에 따른 유전자 교정 효율 향