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[바이오리포트] 유전자 가위를 이용한 유전병 치료가 코앞으로

김대식 / 한국생명공학연구원 유전자교정연구센터

노벨상 위원회는 올해 노벨화학상 수상자로 '유전자 가위' 기술의 선구자인 에마뉘엘 샤르팡티 교수와 제니퍼 다우드나 교수를 공동 수상자로 선정했다. 이들은 DNA의 원하는 부분을 자를 수 있는 크리스퍼 유전자가위를 개발하였다. 노벨위원회는 유전자 가위 기술을 이용하여 생물체의 DNA의 원하는 위치를 변형할 수 있게 되었으며 이 기술은 생명과학 분야에 혁명을 불러왔을 뿐만 아니라 유전병 치료의 꿈을 실현할 수 있을 것이라고 수상 이유를 설명했다. 꿈처럼 보였던 유전자 가위를 이용한 유전병 치료 시도는 이미 시작되고 있다.

선천성 희귀망막질환인 레버선천성 흑암시는 전세계적으로 10만명당 3명 정도 발생하는 유전질환으로 출생 시 또는 출생 직후에 실명을 일으키는 안과 질환이다. 환자 중 16% 정도가 CEP290이라 불리는 유전자에 변이가 생김으로써 망가진 CEP290 단백질이 만들어져 빛을 감지하는 역할을 하는 망막의 광수용체가 기능을 못하게 됨으로써 시력을 잃게 된다. 하지만, 아직까지 이를 치료할 수 있는 치료법은 없다.

올해 3월 미국의 생명공학회사인 에디타스메디신은 미국 오리건보건과학대 의대 교수 연구진과 함께 유전자 가위를 망막에 전달함으로써 망가진 CEP290 단백질을 정상 단백질로 바꾸어 주는 임상시험에 들어갔다. 이를 이용하여 환자의 실명을 회복 할 수 있는 기대를 가지고 있다. 눈에 전달된 유전자 가위는 다른 부위로 이동 할 수 없기 때문에 다른 장기에 유전자 가위를 적용하는 것에 비해 부작용이 적을 것으로 예측된다.

유전자 가위에서 프라임에디터까지

생명체의 유전 정보를 담고 있는 DNA는 아데닌(A), 티민(T), 시토신(C), 구아닌(G)등 네 개의 서로 다른 염기로 구성되어 있다. 인간의 DNA 염기 수는 32억쌍 정도 이며, 이 중 단 하나의 염기에 변이가 있을 경우에도 유전질환이 발병할 수 있다. 예를 들면 낭성 섬유증, 겸상 적혈구 빈혈증 등은 유전자 전체에서 단 하나의 특정 염기가 잘못되어 발생하는 대표적인 유전질환이다. 특히 적혈구가 낫 모양으로 변형되는 겸상 적혈구 빈혈증은 특정 위치에 존재하는 단 하나의 티민(T)이 아데닌(A)으로 바뀜으로써 발생된다. WTO의 보고에 따르면 유전자 하나의 변이에 의해 발생되는 유전질환의 수는 10,000가지가 넘으며, 신생아 100명 중 1명은 선천적인 유전질환을 가지고 태어난다고 한다. 이러한 유전질환을 근본적으로 치료할 수 있는 방법으로 유전자 가위 기술이 각광 받고 있다.

2013년 서울대 김진수 교수 (현 기초과학연구원 단장)를 비롯한 세계 여러 그룹에서 크리스퍼 유전자가위를 이용하여 인간 세포 DNA의 원하는 부위를 절단함으로써 인위적으로 변이를 일으킬 수 있다는 사실이 발표되었다. 하지만 유전자 가위는 유전자가 기능을 하지 못하도록 망가트리는 기능은 뛰어나지만 망가진 유전자를 고치기 위해 사용하기는 힘들었다. 그 후 2016년 염기교정 유전자가위 (Base Editor)가 개발되었다. 염기교정 유전자가위는 DNA를 잘라서 무작위로 변이를 일으키는 유전자가위와는 달리 특정 위치에 있는 염기를 다른 종류의 염기로 바꿔준다. 염기 교정 유전자가위는 시토신 염기교정 유전자 가위와 아데닌 염기교정 유전자 가위가 있으며 시토신 염기교정 유전자가위는 특정 위치에 있는 시토신(C)을 티민(T)으로 바꿔주고, 아데닌 염기교정 유전자가위는 특정 위치에 있는 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 바꿔준다. 하지만 염기 교정 유전자 가위는 시토신(C)을 티민(T)으로 바꾸거나 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 바꾸는 것을 제외한 다른 변이를 유도할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 프라임에디터라는 새로운 시스템이 2019년 개발되었다. 프라임에디터는 DNA의 원하는 위치에 모든 종류의 염기변이를 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 특정 염기를 삽입하거나 제거할 수 있다. 프라임에디터 기술을 이용하면 이론적으로 유전질환을 일으키는 유전자 변이의 약 90%를 정상 유전자로 바꾸는 것이 가능하며, 이를 통해 유전질환을 치료할 수 있을 것으로 기대된다. 예를 들면 32억쌍 중 단 하나의 염기가 티민(T)에서 아데닌(A)으로 바뀜으로써 발생되는 겸상 적혈구 빈혈증은 프라임에디터를 이용하여 아데닌(A)을 티민(T)으로 교정 시켜 줌으로써 치료가 가능하다.

유전자가위의 다양한 활용 범위

유전자가위 기술은 유전질환을 치료하기 위해 사용할 수 있을 뿐만 아니라 여러 분야에 적용 가능하다. 소의 뿔은 서로에게 상처를 입히며 또한 인간에게 위협적이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 미국에서는 2016년 2세대 유전자 가위인 탈렌(TALEN)을 이용하여 뿔 없는 소를 만들었으며, 이들의 새끼도 뿔이 없는 것을 확인 할 수 있었다. 우리나라에서는 유전자 가위를 이용하여 ㈜툴젠이 기존 콩에 비해 항산화와 항노화에 도움을 주는 성분인 올레익산이 2배 이상 함유된 콩을 만들었으며, 충남대학교와 ㈜툴젠이 공동으로 새로운 색상(pale pinky purple, 연한 분홍빛이 도는 자주색)인 신품종 페튜니아를 만들었다. 유전자 가위를 이용하여 만든 콩과 페튜니아는 미국 농무부에서 GMO로 규제하지 않겠다고 승인됨으로써 이를 이용한 상용화 가능성을 보이고 있다.

이처럼 유전자가위 기술은 다방면에 적용 가능한 기술이며, 2013년 이후 빠르게 발전하고 있다. 2018년 미국의 NIH에서 유전자가위 기술 개발을 위해 190만 달러(~2,200억)를 투자를 결정하였다는 것은 이 기술이 가진 가능성을 간접적으로 보여준다. 우리나라는 기초과학연구원의 김진수 단장과 연세대 의과대학의 김형범 교수와 같은 유전자가위 분야의 세계적 권위자가 있을 뿐만 아니라 유전자 가위 기술의 원천 특허를 가지고 있다. 또한 이를 상업적으로 이용하고자 하는 여러 기업이 있다. 앞으로도 유전자가위 분야에 대해 공격적이고 꾸준한 투자가 이루어진다면 우리나라 미래 먹거리로써 큰 역할을 할 것이다.

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