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핵심내용

- 지놈 리서치誌 발표, “혈우병 등 질환의 신개념 치료제 개발 가능성 열어-

 □ 국내 연구진이 뒤집어진 혈우병 유전자를 다시 뒤집어 원상 복구하는 신기술을 개발하였다. 

 ○ 중증 혈우병 환자 대다수는 8번 혈액응고인자 유전자의 일부가 뒤집어져 단백질이 제대로 만들어지지 않아 발생한다.

 ○ 서울대 김진수 교수팀의 이번 연구결과는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무대행 김병국)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원을 받아 수행되었고, 생명과학 분야의 권위 있는 학술지 지놈 리서치(Genome Research)에 12월 19일자로 게재되었다.

     (논문명: Targeted Chromosomal Duplications and Inversions in the Human Genome Using Zinc Finger Nucleases)

□ 김진수 교수 연구팀은 인간 염색체의 일부가 뒤집어지기도 하고 중복되기도 하는 과정을 실험실에서 인위적으로 재현하는데 처음으로 성공하였다.

 ○ 사람들의 유전체 염기서열을 서로 비교해 보면, 어떤 사람은 다른 사람에 비해 특정 유전자의 일부가 뒤집어져 있기도 하고 삭제되어 있기도 하며 중복되어 있기도 하다. 이러한 변이를 ‘구조변이’라고 하는데, 이 구조변이는 여러 질병의 원인이 되기도 한다.

 ○ 김 교수팀은 유전자 염기서열을 맞춤 인식하여 절단하는 유전자가위 기술을 이용하여 인간배양세포에서 염색체 두 군데를 절단한 결과, 가운데 부분이 삭제되기도 하고 중복되기도 하며 때로는 뒤집어지기도 한다는 사실을 확인하였다.

□ 유전자가위 기술을 이용해 염색체의 일부를 뒤집을 수도 있고 뒤집어진 부분을 원상 복구할 수도 있다는 사실은 이번 연구를 통해 처음으로 밝혀졌다.

 ○ 김진수 교수팀은 올해 유전자가위 기술을 개발해 ‘Nature Methods’지에 논문을 2편 발표한 후, 그 후속 연구로 이번에는 이를 이용해 인간배양세포에서 유전체의 일부를 연구자가 원하는 대로 뒤집거나 삭제하거나 중복을 일으킬 수 있음을 증명하였다.  

 ○ 유전자가위는 인간 세포를 포함해 모든 동물, 식물세포에서 특정 유전자를 절단해 돌연변이를 일으키는데 사용되는 생명공학의 새로운 도구이다. 이번 연구에는 우리나라에서 독자적으로 제작된 유전자가위를 사용했다.

□ 김진수 교수는 “암, 지중해빈혈증, 혈우병 등 다양한 질환이 특정 유전자의 일부가 뒤집어져 발생한다. 이를 다시 뒤집어 원상 복구할 수 있다고는 우리를 포함해 아무도 상상하지 못했다. 이번 연구는 혈우병을 포함한 다양한 질환의 원천적인 치료제 개발 가능성을 제시하였다”고 연구의의를 밝혔다. 
○ 김진수 교수팀은 중증 혈우병 환자 다수에서 발견되는, 뒤집어진 유전자에 작용하는 유전자가위를 만드는데 성공했다. 이를 인간배양세포에 도입한 결과 실제로 14만개 염기쌍에 달하는 염기서열을 뒤집을 수 있음을 확인하였다. 

 ○ 이 기술을 세포치료제로 개발하기 위해서는 환자 맞춤형 분화만능줄기세포를 만들고, 이에 유전자가위를 도입해 염색체를 복구시키는 후속 연구가 필요하다. 환자 맞춤형 줄기세포 그 자체는 돌연변이를 그대로 가지고 있기 때문에 치료제로 바로 사용할 수 없다. 따라서 유전자가위를 이용한 유전체 교정이 반드시 수반되어야 한다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

Targeted Chromosomal Duplications and Inversions in the Human Genome Using Zinc Finger Nucleases, Genome Research, in press.

사람들 사이의 유전적 차이는 크게 단일염기다형성과 구조변이 두 종류로 구분할 수 있다. 단일염기다형성은 개인별로 한 개의 염기쌍이 다른 것을 말하고 구조변이는 최소 수백 개에서 수백만 개에 달하는 염기쌍이 서로 다른 경우를 말한다. 구조변이에는 결실, 중복, 역위, 전좌 등이 있다. 예를 들어 어떤 사람의 염색체가 ABCD 서열로 구성되어 있다면 다른 사람들의 염색체는 AD(BC의 결실), ACBD(BC가 뒤집어진 역위), ABCBCD(BC의 중복) 등의 구조변이가 있을 수 있다. 여기서 A, B, C, D 각각은 단일 염기쌍이 아니고 수백 개에서 수백만 개에 달하는 염기서열이다.

구조변이는 유전병은 물론이고 정신질환, 비만, 암 등 다양한 질병과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려지고 있다. 그러나 이번 논문 발표 이전에 특정 구조변이를 인위적으로 만들거나 이미 형성된 구조변이를 원상복구 시키는 방법은 전혀 없었다. 김진수 교수팀은 처음으로 유전자가위 기술을 이용해 이러한 구조변이를 일부러 만들 수도 있고 교정할 수 있음을 증명하였다. 즉 유전자가위 두 개를 만들어 염색체 두 곳을 절단하면 가운데 부분에 결실이 일어나기도 하고 중복, 역위가 일어나기도 한다. 김 교수팀은 이 방법을 이용해 혈우병 환자에서 흔히 발견되는 역위를 인위적으로 유도할 수도 있고 교정할 수도 있음을 증명하였다(그림 1).

그림 1. 혈우병 유전자 교정. 혈액응고인자 유전자를 편의상 F8, 유, 전, 자, 네 부분으로 구성되었다고 가정하자. 중증 혈우병 환자 상당수는 이 유전자의 일부가 뒤집어져 있어 정상적인 혈액응고인자 단백질을 만들지 못해 혈우병이 발생한다. 유전자가위를 이용하면 뒤집어진 부위를 잘라내어 원상 복구 시킬 수 있다.

유전자가위를 이용한 유전체 재배열 방법은 구조변이를 연구하는데 있어 매우 중요한 도구가 될 뿐만이 아니라 구조변이에 의해 초래되는 유전병을 치료할 수 있는 가능성을 제시한다(그림 2).

그림 2. 줄기세포와 유전자치료. 환자의 피부세포를 채취하여 역분화시키면 환자 유래 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell, iPS cell)이 만들어진다. 그러나 이 세포는 환자의 돌연변이를 그대로 가지고 있어 치료제로 활용하기 위해서는 유전자가위 기술을 이용한 유전자 교정이 반드시 필요하다.

용 어 설 명

1. 혈우병

 ○ 혈우병은 X 염색체에 존재하는 혈액응고인자 8번 또는 9번 유전자에 돌연변이가 있을 때 발생하는 질병으로 혈우병 환자들은 내상이나 외상을 입었을 때 혈액이 응고되지 않아 치명적이다. 8번 인자에 변이가 있는 경우를 A형, 9번 인자에 변이가 있는 경우를 B형으로 구분하는데 A형은 대략 1만 명 당 한 명의 비율로 발생하고 B형은 4만 명 당 한 명의 비율로 발생한다. 여성은 X 염색체를 두 개 가지고 있고 남성은 한 개 가지고 있기 때문에 혈우병은 거의 항상 남성들에게만 발병한다. 현재 혈우병을 완치할 수 있는 방법은 없으며 환자는 혈액응고인자 단백질을 평생 투여 받아야 한다. 국내 혈우병 환자 숫자는 약 4천 명 정도로 추정되는데 이들 환자에 대한 진료비로 연간 수백억 원이 건강보험에서 지출된다.

혈우병은 왕족 질병(royal disease)이라고도 한다. 그 이유는 유럽의 왕가에서 혈우병이 다수 발생했기 때문이다. 혈우병 유전자를 가지고 있는 역사상 최초 인물은 영국의 빅토리아 여왕으로 알려져 있는데 빅토리아 여왕의 아들, 손자들 다수가 혈우병으로 사망하였다.

2. 유전자가위

○ 유전자가위는 학술용어는 아니고 zinc finger nuclease(ZFN)를 의미한다. ZFN은 특정 염기서열을 인식하여 절단을 일으키도록 고안된 인공 제한효소로서 인간세포를 포함한 모든 동물, 식물세포에서 연구자가 원하는 유전자에 맞춤형 돌연변이를 도입하는데 사용되는 생명공학 신기술이다. 김진수 교수팀이 이 기술 개발과 보급에 선도적인 역할을 하고 있다.