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유전자편집기술

생명체의 유전자 정보를 원하는대로 바꿀수 있는 유전자편집기술(유전자가위라고도 함)은 질병 치료 및 농수축산 분야의 발전에 크게 기여하고 있으며, 이러한 공로로 제3세대 유전자편집 기술인 크리스퍼(CRISPR-Cas9) 유전자편집기술을 개발한 과학자들에게 2020년 노벨화학상을 수상하였습니다.

유전자편집기술

개념

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유전자편집기술은 인류의 난제인 질병, 식량, 에너지 문제 등을 해결할 수 있는 혁신적인 기술로 자리매김 했으나 안전성과 효능의 입증, 사회적 합의 및 법적·윤리적 문제 해결이 선행되어야 한다. 2018년 ‘유전자편집 아기’ 탄생 사건은 유전자편집기술에 대한 국제적인 논의 및 가이드라인 제정을 촉발시키는 계기가 되었고, 의도치않은 편집을 야기하는 오프타켓(off-target) 문제를 해결하기 위한 다양한 시도가 이뤄지고 있다.


여기에서는 바이오인에서 담고 있는 유전자편집기술에 관련된 다양한 자료들을 종합적으로 살펴볼 수 있다.




유전자 편집기술 관련

연구개발 동향






인간과 동식물 유전체에서 특정 DNA를 인식하여 자르거나 교정하는 유전자편집기술은 유전·난치 질환의 치료 및 동·식물의 품종 개량 등에



활용되고 있다. 2003년 1세대 유전자편집기술 ZFNs(Zinc Finger Nucleases) 등장 이후 지속적인 발전, 기존 기술보다 정확도와 효율성이



획기적으로 높은 크러스퍼 유전자편집기술(CRISPR/Cas9)이 등장하면서 유전자편집기술은 본격적으로 활용 범위를 넓히기 시작하였다.





유전자편집기술을 활용한 유전질환, 암 등의 치료제 개발이 활발, 임상단계에 진입한 사례도 있다.그러나 유전자편집 기반 치료제의



효능 및 안전성을 입증하는데는 더 많은 연구가 필요하다.






유전자편집기술 관련

이슈들

(특허, 제도, 규제 등)






시장 성장 잠재력인 높은 크리스퍼 유전자편집 원천기술에 대한 특허 소송이 UC 버클리(미국), 브로드연구소 (미국), 툴젠(한국)의 3자 구도로



진행중이다. 지속된 특허 분쟁은 유전자편집기술을 활용하는 기업들의 사업 및 수익에 불활실성을 높이고 있다.





2018년 중국 과학자에 의한 ‘유전자편집 아기’ 탄생 사건으로 유전자편집기술의 윤리 문제가 촉발되면서 국제사회는 인간유전자편집 가이드라인



제정에 대해 논의하기 시작하였다. 영국, 미국, 중국 등은 연구 목적에 한해서 인간배아 유전자편집을 허용하고 있으나, 한국은 금지하고 있다.





유전자편집 동·식물에 대한 GMO 규제 적용 여부는 나라마다 상이하다. 미국, 호주, 일본 등은 유전자편집 작물을 규제하지 않고 있으나



유럽은 GMO와 같은 규제를 하고 있다. 그러나 최근 유럽에서도 유전자편집 작물에 대한 규제 완화 움직임이 있다.






유전자편집기술 시장






글로벌 유전자편집기술 시장은 2018년 36.2억달러(약 4조 860억원)에서 연평균 14.5%로 성장하여 2023년 71.2억달러(약 8조 370억원)



규모로 확대될 전망이다(출처: Frost&Sullivan, 2019).현재 유전자편집 시장은 3세대 유전자편집기술인 CRISPR/Cas9을 활용한 시장이



전체의 54%로 가장 큰 시장을 형성하고 있으며, 2세대 유전자편집기술 TALENs이 23%, 1세대 유전자편집기술 ZFNs이 11%를 차지하고 있다.





글로벌 유전자편집기술을 선도하는 기업들은 Horizon Discovery Group, CRISPR Therapeutics, Sangamo Therapeutics



, GeneScript Biotech, Editas Medicine 등으로, 최근 혁신적 기술을보유한 스타트업에 대한 투자도 활발하다.






내용 출처






생명공학정책연구센터, BioINdustry 134호, 글로벌 유전자편집 시장 현황 및 전망, 2019.2





생명공학정책연구센터, BioINwatch 17-85, 세계 최초의 인체 내 유전자 편집 임상시험, 2017.12.12.





동아사이언스, 유전자 가위 노벨상 받고 다시 세기 특허전쟁 속으로, 2021.1.11.





바이오안전성정보센터, EU 집행위, 유전체신기술(NGT) 관련 검토 결과 발표, 2021.4.30






지식

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  • BioINpro[LMO 규제 동향] 신기술(합성생물학, 유전자편집기술) 발전에 따른 LMO 규제 동향

      신기술(합성생물학, 유전자편집기술) 발전에 따른 LMO 규제 동향 LMO 규제 동향 한국생명공학연구원 바이오평가센터 선임연구원   이주석 ◈ 목차 1. 개요 2. LMO의 정의와 범위 3. 바이오신기술의 정의와 범위 4. LMO승인 현황 5. 합성생물학 산물의 사례별 규제 논의 동향 6. 정책 제언 ◈본문 1. 개요 가. LMO의 상업화를 위한 규제  ① 개발된 유전자변형생물체(LMO)는 상업화를 위하여 반드시 국가별 국제적 법령 또는 규정에 따라 승인 절차를 거쳐야 하며, 적정한 규제 없이는 사회적 신뢰, 시장 진입, 국제 거래 등 전 분야에서 사업화가 불가능 함  ② LMO의 국가 간 이동 시 발생 가능한 위험 및 환경과 인체에 미치는 위해를 방지하는 것을 주요 내용으로 하는 생물다양성협약(CBD; Covention of Biological Diversity)의 부속 의정서인 카르타헤나의정서(Cartagena Protocol on Biosafety to the Conventi

    이주석/한국생명공학연구원 바이오평가센터

    2025-08-20

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  • BioINwatch신기술(합성생물학, 유전자편집기술 등) 발전에 따른 유전자변형미생물(GMM)의 합리적 규제 방안

    신기술(합성생물학, 유전자편집기술 등) 발전에 따른 유전자변형미생물(GMM)의 합리적 규제 방안 BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 25-21          ◇  합성생물학, 유전자편집기술 등 신기술의 발전으로 맞춤형 GMM을 정교하게 제작할 수 있게 되면서 농업과 환경정화 용도를 넘어 다양한 분야에서 GMM 연구와 활용이 증가하는 추세. 그러나 신기술의 정의와 규제 범위가 불분명하여 상업적 활용뿐 아니라 신기술 자체의 발전을  제한. 최근 리뷰 논문에서 GMM의 정교한 기능과 안전성을 동시에 담보하는 유전공학적 설계 및 합리적 규제 방안을 제안 ▸주요 출처 : Nature Microbiology, Design and regulation of engineered bacteria for environmental release, 2025.2.4    ◆︎ 유전자변형미생물(GMM)*의 정교한 기능과 안전성을 동시에 담보하는 유전공학적 설계 및 합리적 규제 방안을 제안

    2025-03-27

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  • BioINwatch크리스퍼 유전자편집기술의 새로운 트렌드

        크리스퍼 유전자편집기술의 새로운 트렌드 BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 24-2 ◇ 1세대 크리스퍼 기술(CRISPR-Cas9, CRISPR 1.0)을 넘어 더 정밀하고 안전하며 효율적인 차세대 크리스퍼 기술(CRISPR2.0)로 도약을 기대. DNA 이중 가닥을 절단하여 표적 유전자의 기능 상실(loss-of-function)만 유도했던 1세대 기술에 비해 차세대 크리스퍼 기술은 DNA 절단 없이 단일 염기쌍을 치환거나 특정 염기서열을 표적 부위에 삽입하는 방식으로 치료 가능 범위를 확장할 것으로 전망 ▸주요 출처: Nature News, CRISPR 2.0: a new wave of gene editors heads for clinical trials, 2023.12.14 ■ 최초의 크리스퍼 유전자편집 치료제인 카스게비*가 승인된 상황에서 1세대 크리스퍼 기술(CRISPR-Cas9, CRISPR 1.0)을 넘어 더 정밀하고 효율적인 차세대 크리스퍼

    2024-01-04

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  • BioINwatch유전자편집기술 발전과 국내 역량, 그리고 규제 방향

        유전자편집기술 발전과 국내 역량, 그리고 규제 방향 BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 23-85 ◇ 유전자편집기술 개발 경쟁이 치열한 상황이지만 국내 역량이 우수하며, 발전 잠재력 또한 높은 것으로 평가. 의료, 농업, 제조 등 유전자편집기술의 파급력을 감안했을 때, 기술 혁신의 꽃이 산업적 열매로 성장할 수 있도록 규제를 합리화(미래지향적 열린 규제 방식)하고, 허가·심사 역량을 강화해나가는 방향으로 지속 발전할 필요 ▸주요 출처 : 국가생명공학정책연구센터, BioINdustry No.187, 유전자편집기술의 발전 및 성장 전망, 2023.11; Cells, Cells, The bibliometric ladscape of gene editing innovation and regulation in the worldwide, 2022,11; Nature Biotechnologys, Worldwide CRISPR patent landscape shows st

    2023-12-19

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  • BioINwatch영국, 세계 최초로 크리스퍼 치료제 승인

        영국, 세계 최초로 크리스퍼 치료제 승인 BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 23-80 ◇ 영국 의약품 규제청이 CRISPR-Cas9을 활용한 Ex-vivo 골수세포 치료제, ‘카스게비(Casgevy)’의 판매를 세계 최초로 승인(2023.11.16.). 크리스퍼 기술 발견 10년 만에 이룩한 역사적 이정표이나 높은 약가와 비표적 유전자편집에 대해 우려 ▸주요 출처: Nature News, UK first to approve CRISPR treatment for diseases: what you need to know, 2023.11.16 ■ 영국 의약품 규제청은 CRISPR-Cas9 유전자편집기술이 적용된 세포치료제, 카스게비(Casgevy,미국 상품명 Exa-cel)의 판매를 세계 최초로 승인 ○ 2020년 노벨화학상을 수상한 CRISPR-Cas9 기술이 발견 10년 만에 ‘카스게비’ 라는 사상 첫 크리스퍼 치료제로 재탄생 - ‘카스게비’는 유전성 혈액

    2023-11-24

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  • BioINwatch크리스퍼(CRISPR) 유전자 편집기술, 유전적 예방 접종 시대를 열까?

      크리스퍼(CRISPR) 유전자 편집기술, 유전적 예방 접종 시대를 열까? BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 23-18   ◇ 올해 초 네이처, 사이언스에서는 승인이 임박한 최초의 크리스퍼(CRISPR) 유전자 치료제가 올해 큰 이슈가 될 것으로 전망하고 있는 가운데, 전 세계 사망 원인 1위인 심혈관계 질환을 예방할 수 있는 크리스퍼 유전자 편집기술에 대한 임상시험이 지난해 7월 시작. 일반적인 백신과 달리 주사 한 번으로 DNA를 영구적으로 바꿔 평생 예방할 수 있을지 주목 ▸출처 : MIT Technology Review, Next up for CRISPR: Gene editing for the masses? 2023.2.17   ■ 세계 최초의 크리스퍼(CRISPR) 유전자 편집 치료제 승인이 임박한 가운데 유전적 예방 접종의 개념으로 시도되는 크리스퍼 치료법 임상시험을 주목 ○ Vertex Pharmaceuticals와 CRISPR Therapeuti

    2023-03-14

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  • BioINwatch유전자 편집 CAR-T에 의한 환자 맞춤형 암 치료

        유전자 편집 CAR-T에 의한 환자 맞춤형 암 치료 BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 22-81   ◇ 환자의 종양별로 특징적인 돌연변이 단백질을 인식할 수 있도록 유전자 편집기술로 고도화한 T세포는 2개의 첨단 바이오기술(CRISPR 유전자 편집기술, CAR-T 치료기술)을 결합한 새로운 치료방법으로, 그 효과를 확인하는 첫 번째 소규모 임상시험에서 가능성을 제시 ▸주요 출처 : Nature, CRISPR cancer trial success paves the way for personalized treatments, 2022.11.10   ■ CRISPR 등 유전자 편집기술을 활용하여 다양한 질병을 치료하기 위한 임상시험이 진행 중 ○ 임상시험은 유전자 편집기술에 의해 변형된 세포를 주입하는 ex vivo 방식과 유전자 편집 도구를 인체에 직접 주입하는 in vivo 방식으로 구분할 수 있으며, - HIV, 혈우병, 단일 유전질환, 혈액암 및 림프암,

    2022-11-23

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  • BioINwatch끝이 보이지 않은 크리스퍼 유전자가위/편집 특허 분쟁

      BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 22-29 끝이 보이지 않은 크리스퍼 유전자가위/편집 특허 분쟁 ◇ 2015년 이후 크리스퍼(CRISPR-Cas9) 유전자가위기술에 대한 미국 브로드 연구소와 UC버클리의 특허 분쟁이 지속. 미국과 EU에서 서로 다른 특허 결정을 내리고 있고 CRISPR 관련 신기술이 계속 개발되어 관련 특허가 증가함에 따라 크리스퍼 기술을 둘러싼 특허 이슈는 향후 수년간 더 복잡해질 것으로 예상 ▸주요 출처 : Nature, Major CRISPR patent decision won’t end tangled dispute, 2022.3.9.; 동아사이언스, 크리스퍼 유전자 가위 특허전쟁 다음 라운드가 오고 있다, 2022.3.7. ▣ 수십억 달러 이상의 가치가 예상되는 크리스퍼 유전자가위(CRISPR-Cas9) 원천 특허를 둘러싼 브로드연구소-UC버클리의 특허 분쟁 지속    ○ 유전체의 특정 DNA를 정확히 찾아 잘라내 교정할 수 있는 

    2022-04-26

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동향

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세대별 기술

세부 내용

1세대, 징크핑거

뉴클레이즈

(Zinc Finger

Nucleases, ZFN)

- 아연(Zn2+) 이온에 의해서 구조적으로 안정화되는 징크핑거 단백질 도메인과 뉴클레이즈(핵산 분해효소)가 결합한 형태

- 손가락과 유사한 구조를 이용하여 특정 DNA에 결합하며, 결합한 염기서열 절단을 위해 Fok1이라는 제한효소 사용

- 미국의 캘리포니아 상가모 바이오사이언스(Sangamo Bioscience)ZFN를 상용화하여 HIV, 혈우병, 알츠하이머 등의 치료제 임상시험 중

2세대, 탈렌

(Transcriptor

Activator-Like

Effector Nuclease,

TALEN)

- 식물성 병원체인 산토모나스(Xanthomonas)에서 유래한 유전자 가위로 ZFN보다 설계가 쉽고 비용이 저렴한 장점 보유

- 타겟하는 DNA의 염기서열에 상보적으로 결합하고, 인식한 염기서열을 자르기 위해 ZFN과 같은 Fok1 제한효소 사용

- 탈렌으로 만든 돌연변이를 이용하여, 질병 모델링 세포주 생성

3세대, 크리스퍼

(CRISPR-Cas9)

- 화농연쇄상구균(Streptococcus pyogenes)의 면역체계에서 유래

- 크리스퍼는 모든 유전체에서 규칙적으로 반복되는 짧은 염기서열인 팔린드롬(Palindrome)* 조각

* 팔린드롬이란 DNA 상에서 염기배열이 역방향으로 반복됨으로써 왼쪽과 오른쪽 방향이 똑같이 읽히는 구조

- 팔린드롬 조각들 사이에 끼어있는 염기서열인 가이드(Guide)는 외부 침입 바이러스의 염기서열 인식 및 기록의 기능

- 이러한 가이드에 의해 크리스퍼가 타겟 DNA에 정확하게 결합 가능

- DNA 염기서열을 자르기 위해 ZFN이나 탈렌과 달리 Cas9이라는 제한효소 사용

- 복잡한 단백질 구조가 없고, 깔끔한 염기서열에 절단효소만이 연결되어 세포전달이 쉽다는 장점 보유

- 2012년 스웨덴 우메오 대학교와 UC버클리의 연구팀은 크리스퍼로 모든 DNA를 절단할 수 있음을 입증

- 최근 MIT 연구팀은 FAH 유전자 돌연변이를 교정하여 타이로신혈증(Tyrosinemia)라는 희귀 유전질환을 치료하여 CRISPR의 잠재력 입증

- 타겟 유전자의 염기서열과 유사한 비표적 염기서열에도 변이를 일으킬 가능성을 해결하기 위한 다양한 연구 진행 중



세대별 유전자 가위기술 원리 및 응용 현황


구분

주요 내용

인간배아 연구

중국 중산대학 연구팀인간배아에서 치명적인 혈관질환인 지중해성 빈혈을 일으킬 수 있는 유전자에 대한 편집을 시도해 성공했다고 보고(2015.4)

독자 생존이 불가능한 인간 배아를 상대로 진행됐지만 인간 배아를 놓고 처음으로 유전자 편집 실험이 이뤄지면서 윤리 문제에 대한 뜨거운 논란을 불러일으킴

유전자치료제 개발

노바티스는 신약개발 임상시험에 사용하기 위해 CRISPR-Cas 유전자 가위기술 개발 업체(Intellia Therapeutics)1,500만 달러 투자(2014.11)

노바티스는 CRISPR-Cas9 기술 투자로 유전자치료제 개발이 가속화될 것으로 전망, 환자의 질병원인 유전자를 교정한 뒤 환자에게 재주입 하는 방식 집중

바이엘이 스위스의 유전자 가위기술 전문업체인 크리스프르(CRISPR)와 중증 유전병 치료제를 개발 및 판매하는 합작사를 설립하기로 합의(2015.12)

- 크리스프르는 혈액장애와 시력상실, 선천성 심장병 등 3개 표적질환에 대한 CRISPR-Cas9 유전자 편집기술 및 지식재산권을 바이엘과 공유

바이엘은 크리스프르의 일부 지분을 3,500만달러에 매입하고 향후 5년여 간 합작사에 최소 3억달러의 R&D 비용 투자 계획

유전자편집 동물 개발

중국 유전체연구소 BGI(Beijing Genomics Institute)는 바마(Bama)라는 돼지종에 유전자 편집기술을 이용해 인체 질환모델로써 미니돼지를 생산하던 중 애완용 돼지 판매 계획 발표(2015.9)

- 유전자 편집기술 중 TALEN(transcription activatorlike effector nucleases)이라는 재조합 효소를 이용하여 성장호르몬수용체 유전자를 제거하여 미니돼지 생산

향후 유전자편집기술을 이용하여 고객의 요구에 따라 다양한 털색과 패턴을 가진 돼지를 생산할 예정, 미니돼지 판매수익은 관련 의학연구에 재투자 계획

하버드의학연구소 연구팀CRISPR-Cas9 유전자 편집기술을 이용하여 인간 이식에 부적합한 유전자를 돼지 세포주에서 제거하였다고 발표(2015.10)

- 인체 이식용 장기를 생산하는 돼지 유전체에서는 인체 면역시스템에 의해 거부반응을 일으킬 수 있는 표면단백질 및 바이러스 유전자 제거 필요

인체이식 거부반응이나 혈액응고를 유발하는 돼지 세포의 표면단백질 관련 유전자 20개를 제거, 이식용 인체장기 수요를 바탕으로 지속적인 연구 추진 예정



유전자 가위기술을 활용한 연구개발 동향


세대별 기술

세부 내용

1세대, 징크핑거

뉴클레이즈

(Zinc Finger

Nucleases, ZFN)

- 아연(Zn2+) 이온에 의해서 구조적으로 안정화되는 징크핑거 단백질 도메인과 뉴클레이즈(핵산 분해효소)가 결합한 형태

- 손가락과 유사한 구조를 이용하여 특정 DNA에 결합하며, 결합한 염기서열 절단을 위해 Fok1이라는 제한효소 사용

- 미국의 캘리포니아 상가모 바이오사이언스(Sangamo Bioscience)ZFN를 상용화하여 HIV, 혈우병, 알츠하이머 등의 치료제 임상시험 중

2세대, 탈렌

(Transcriptor

Activator-Like

Effector Nuclease,

TALEN)

- 식물성 병원체인 산토모나스(Xanthomonas)에서 유래한 유전자 가위로 ZFN보다 설계가 쉽고 비용이 저렴한 장점 보유

- 타겟하는 DNA의 염기서열에 상보적으로 결합하고, 인식한 염기서열을 자르기 위해 ZFN과 같은 Fok1 제한효소 사용

- 탈렌으로 만든 돌연변이를 이용하여, 질병 모델링 세포주 생성

3세대, 크리스퍼

(CRISPR-Cas9)

- 화농연쇄상구균(Streptococcus pyogenes)의 면역체계에서 유래

- 크리스퍼는 모든 유전체에서 규칙적으로 반복되는 짧은 염기서열인 팔린드롬(Palindrome)* 조각

* 팔린드롬이란 DNA 상에서 염기배열이 역방향으로 반복됨으로써 왼쪽과 오른쪽 방향이 똑같이 읽히는 구조

- 팔린드롬 조각들 사이에 끼어있는 염기서열인 가이드(Guide)는 외부 침입 바이러스의 염기서열 인식 및 기록의 기능

- 이러한 가이드에 의해 크리스퍼가 타겟 DNA에 정확하게 결합 가능

- DNA 염기서열을 자르기 위해 ZFN이나 탈렌과 달리 Cas9이라는 제한효소 사용

- 복잡한 단백질 구조가 없고, 깔끔한 염기서열에 절단효소만이 연결되어 세포전달이 쉽다는 장점 보유

- 2012년 스웨덴 우메오 대학교와 UC버클리의 연구팀은 크리스퍼로 모든 DNA를 절단할 수 있음을 입증

- 최근 MIT 연구팀은 FAH 유전자 돌연변이를 교정하여 타이로신혈증(Tyrosinemia)라는 희귀 유전질환을 치료하여 CRISPR의 잠재력 입증

- 타겟 유전자의 염기서열과 유사한 비표적 염기서열에도 변이를 일으킬 가능성을 해결하기 위한 다양한 연구 진행 중



세대별 유전자 가위기술 원리 및 응용 현황

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