RNA 유전자 가위 이용한 유전체 교정기법 개발

김진수 교수(왼쪽)와 김형범 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내 연구진이 RNA 유전자 가위를 이용한 유전체 교정기법을 개발했다.

미래창조과학부는 기초과학연구원(IBS) 유전체교정 연구단 김진수 단장 연구팀이 단백질-RNA 형태의 RNA 유전자 가위를 전기 충격을 이용해 인간배아 줄기세포를 포함한 다양한 인간세포에 전달해 유전체 교정하는 방법을 개발했다고 1일 밝혔다.

김형범 한양대학교 의생명공학전문대학원 교수(교신저자)와 라마크리쉬나 연구교수(제1저자)가 주도한 연구팀은 별도 연구를 통해 세포내로 자동으로 들어가는 단백질과 RNA로 구성된 유전자 가위를 개발해 선택적이고 쉽게 유전자를 변형하는 것을 가능하게 해 김 단장 연구팀의 논문과 나란히 국제 저명 학술지인 지놈 리서치 6월호 표지에 동시 게재됐다.

두 개의 국내 연구팀이 서로 독립적으로 연구해 비슷한 결과를 세계적인 학술지에 나란히 표지로 게재하는 것은 이례적인 일이다.

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유전자 가위는 유전자의 특정 부위를 절단해 유전체 교정을 가능하게 하는 인공 제한효소를 말한다.

유전자 가위 단백질(Cas9)과 가이드RNA로 구성돼 있는 제3세대 유전자가위인 RNA 유전자가위는 유전자를 교정하는데 사용할 수 있지만 배양된 인간 세포 내로 전달하기 위해서 플라스미드를 이용해 세포에 전달해 오면서 플라스미드 자체가 세포의 유전체에 삽입돼 원하지 않는 돌연변이를 생성하는 문제가 있었다.

IBS 유전체교정연구단 김진수 단장팀(교신저자, 제1저자는 김소정 연수연구원(서울대 화학부 대학원 박사과정))은 RNA 유전자가위를 단백질 및 RNA 유전자가위의 DNA 특이성을 결정하는 작은 RNA 분자인 가이드 RNA의 형태로 인간 배아줄기세포에 전달해 보다 정밀하면서도 효과적인 유전자 교정에 성공했다.

연구진은 플라스미드 DNA를 세포 내에 주입해 세포 내에서 단백질 및 RNA 형태로 발현되게 하는 기존의 방법 대신에 RNA 유전자가위를 단백질과 RNA 형태로 직접 세포에 전달하는 방법을 통해 돌연변이 발생을 억제하면서도 정교한 유전자 교정에 성공했다.

연구진은 RNA 유전자가위를 구성하는 Cas9 단백질이라는 물질을 정제해 작은 RNA 분자인 가이드 RNA와 결합시킨 후 전기 자극을 가해 세포 내로 직접 전달해 RNA 유전자가위를 통한 유전자 교정에 성공했다.

김진수 단장은 “단백질-RNA의 형태로 RNA 유전자가위를 도입할 경우 기존 연구방법들에 비해 정확성이 크게 높아졌다는 것을 확인했다”고 밝혔다.

연구팀은 제1세대 유전자가위인 징크핑거뉴클리아제(ZFN)를 비롯, 제2세대 탈렌, 제3세대 RNA 유전자가위를 개발한데 이어 이번에는 RNA 유전자가위를 단백질과 RNA로 전달하는 개선된 방법을 개발해 학계의 주목을 받고 있다.

김형범 교수 연구팀은 세포투과 펩타이드를 유전자 가위 단백질 및 가이드 RNA와 각각 결합시키는데 성공하고 세포에 처리한 결과 유전자 가위 및 가이드 RNA가 자동으로 세포 내에 들어가 결합해 타겟 유전자를 선택적으로 바꾸는 것을 확인했다.

이번에 개발한 자동으로 전달되는 RNA 유전자 가위는 향후 생체 내에서 사용할 수 있어 차세대 유전자 치료법을 개발하는데 이용될 수 있을 것으로 전망된다.

개선된 전달 기술을 이용할 경우 의도하지 않은 DNA 염기서열이 잘리는 것도 줄어들어 유전자 가위의 선택성이 증가한다.

의도하지 않은 DNA 염기서열을 자르게 되면 세포독성을 일으키거나 원하지 않는 염색체 변이를 유발할 수 있어 유전자가위의 선택성은 유전자가위의 임상적 응용을 위한 핵심과제로 꼽힌다.

이 기술은 유전자 및 줄기세포 치료제 개발에 널리 활용할 수 있어 관련 연구에 활기를 불어넣을 것으로 기대된다.

이번 연구는 유전자 가위를 이용한 유전자 교정을 보다 용이하게 할 수 있고 생체 내 유전자 가위를 사용하는 유전자 치료법 개발의 초석을 마련했다는 데 의의가 있다.

김형범 교수는 “이번 연구는 유전자 가위의 전달을 안전하고 용이하게 해 향후 임상 적용 가능한 유전자 가위를 이용한 유전자 치료제 개발의 기반을 마련할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

유전체 교정 기술은 유전자 기능 연구, 차세대 유전체 치료법의 개발, 고부가가치 농작물 및 가축 개발 등에 활용할 수 있어 다양한 분야의 연구자들로부터 관심을 받고 있다.

김형범 교수팀 연구는 미래부의 바이오‧의료기술개발사업과 보건복지부의 공동 지원, 김진수 단장 연구는 미래부의 인공제한효소를 이용한 동식물 및 인간 유전체 교정 사업의 지원으로 수행됐다.

세포에 들어간 RNA 유전자 가위에 의해 유전자의 선택적인 절단 및 교정이 이뤄지는 것을 표현한 논문표지