06 01 02 03 밀, 쌀, 옥수수 다음으로 많이 소비되는 식량은 바나나입니다. 다른 농산물과는 달리 식용바나나는 씨가 없어 꺾꽂이 방식으로 재배하고 있기 때문에 세계적으로 같은 품종의 바나나가 재배되어 소비되고 있습니다. 그러나 현재 전 세계 바나나 수출 비중의 약 96%를 차지하는 품종인 캐번디시(Cavendish) 품종이 치명적인 곰팡이균에 감염되어 과거 멸종된 그로미셜(Gros Michel) 품종처럼 멸종할 것이라는 전망이 있습니다. 이에 최근 국내 연구진은 새로운 생명공학기술인 유전체 교정 기술을 활용해 바나나의 멸종을 막기위해 바나나 세이빙 국제 컨소시엄 을 구성하겠다는 발표를 했습니다. 유전체 교정 기술로 곰팡이균 감염을 일으키는 유전차를 찾아 교정해 곰팡이균의 감염을 막는 원리입니다. 이 유전체 교정 기술은 바나나 구하기 뿐만아니라 에이즈 바이러스 감염경로 차단, 작물 품종의 개발, 혈우병 치료 등 다양한 분야에서 연구되고 있고 활용될 전망입니다. 바이오세이프티 이번호 핫토픽 코너에서는 최근 주목받고 잇는 새로운 생명공학 기술인 유전체 교정 기술과 그 응용 분야에 대하여 자세히 살펴볼 수 있는 자리로 꾸며 보았습니다. BIOSAFETY VOL.16 NO. 2 07
01 08 01 유전자가위 기술 소개 및 활용 유전자가위 기술은 2011년과 2013년에 각각 권위 있는 학술지 Nature methods와 기초과학연구원, 유전체교정연구단 김은지, 김진수 Science에 의해 올해의 실험기법(Method of the Year), 올해의 혁신적인 기술(Breakthrough of the Year runner-up)로 선정되었고 최근 Norvatis, Johnson & Johnson, Pfizer 등 빅 파마(다국적 제약회사)가 경쟁적으로 이 기술에 투자하여 이목이 집중되고 있다. 그러나 최근 중국 연구진이 유전자가위 기술을 이용하여 인간 배아의 유전자를 교정한 논문이 발표되면서 BBC, Time지를 비롯한 언론 매체에서도 윤리적인 문제를 부각시키며 유전자가위 기술과 유전체 교정에 대한 우려의 목소리를 높이고 있다. 이렇게 양면의 날과 같이 기대와 우려가 동시에 이슈화 되고 있는 유전자가위 기술은 두 가닥의 DNA가 소분자 화합물, 활성산소, 방사능, 자외선(UV) 르고자 하는 부위를 결정하고, 유전자가위로 정밀하게 자르고, 잘 어떠한 기술일까? 그리고 과연 위험한 기술일까? 기술에 대한 정확한 이해가 있어야 등에 의해 절단되는 것이다. 다행히, 우리 몸의 세포는 이에 대응 려진 DNA를 세포가 가진 교정 방법을 활용하여 수선하는 세 막연한 두려움을 제거할 수 있고 이를 활용하여 인간과 환경에 이롭게 사용될 수 있는 하여 손상된 DNA를 수선할 수 있는 복구시스템을 가지고 있다. 가지 과정으로 유전자가위기술은 표적 특이적인 수선을 할 수 있 방향을 제시할 수 있을 것이다. 이에 본 세부에서는 유전자가위의 작동 원리와 이 도구의 유전자가위는 바로 이와 같은 세포의 자연적인 내부 복구시스템을 는 대표적인 도구로써 활용되고 있다. 활용 분야를 소개하고자 한다. 활용한다. 자연적으로 발생하는 DNA 이중나선절단은 어느 특정한 한 곳이 유전자가위 유전자가위의 작용 원리 우리 몸은 수십조 개의 세포로 구성되어있고 한 세포의 핵 안에는 3Gbp(Giga base 아닌 다양한 범위에 걸쳐 무작위로 일어난다. 고전적 유전학 연구는 비정상적인 형질을 나타내는 개체를 확보한 후 어느 부분의 변이에 의해서 돌연변이가 생겼는지 역으로 추적하는 방식으로 DNA이중나선 절단 pair)길이의 DNA가 존재한다. 이중 일부 DNA만이 단백질을 발현하는 유전자로서의 기능을 하게 되는데 이와 같은 DNA는 다음 세대로 형질정보를 전달하는 유전물질이 므로 그 안정성이 매우 중요하다. 그러나 지금 이 순간에도 DNA는 자발적이거나 자외 선과 같은 여러 외부 요소에 의해 손상될 수 있는 가능성에 노출되어 있다. 이러한 DNA 손상은 잘못된 유전정보를 다음 세대로 전달하게 되거나 세포가 죽게 되는 등의 치명 수행되었다. 이와 달리 오늘날의 염기서열 분석 기술의 비약적인 발전과 더불어, 세포내의 수선 시스템을 활용하여 원하는 유전 자만 정확하게 변이를 일으킬 수 있다면 연구하고자 하는 유전 자의 기능을 훨씬 빠르고 정확하게 연구할 수 있을 것이다. 유전 자가위는 이에 가장 최적화된 도구로서, 원하는 DNA부분만을 에러수반 교정 시스템 (NHEJ) - Doner + 에러 없는 교정 시스템 (HR) Donor DNA 적인 결과를 초래 하게 된다. DNA손상 중에서 가장 심각한 것은 이중나선절단이다. 정밀하게 자를 수 있는 큰 장점 가지고 있다. 유전자가위에 의해서 잘린 DNA가닥을 교정하기 위하여 크게 두 가지의 세포 내부 수선시스템이 교정을 시작한다. 첫 번째로 가장 빈번하게 일어 나는 수리기작은 에러를 수반하면서 DNA 절단부분을 잇는 그림1. 세포내 DNA수선시스템을 이용한 유전자가위 작용 메커니즘 Non-homologous end joining(nhej)이다. 에러를 수반하는 교정시스템은 잘린 DNA 절단 부분에 몇 개의 염기서열을 더하 거나 제거하는 삽입과 결실을 수반하는 세포내에서 자주 사용 유전자가위의 개발 역사 되는 교정 방법이다. 두 번째로, 유사한 염기서열을 주형으로 개발 초기의 유전자가위 기술은 원하는 부위만을 표적하는 이용하여 DNA를 에러 없이 정확하게 수리하는 Homologous 유전자가위를 얻기가 어려웠고, 확보했다고 하더라도 그 효율이 Recombination(HR) 교정 방법이 있다. 세포 내에서 에러 없는 낮았기 때문에 성공률과 효율을 높이기 위한 연구가 높은 비중을 교정방법(HR)은 보통 1/10 6 ~1/10 7 의 매우 낮은 효율로 일어나지 차지하였다. 이후 개발된 유전자가위의 새로운 염기서열 인식 방식 만, 유전자가위와 함께 자르고자 하는 부분과 유사한 염기서 으로 인해 높은 효율을 가진 유전자가위로 진화 되었으며 현재는 열을 가진 donor DNA를 함께 도입하면 원하는 부위에서의 HR 얼마나 정확하게 표적부위만을 자르고 교정할 수 있는지 그 효율을 최대 수십만 배 이상까지 유도할 수 있다. 이처럼 자 정교함을 향상시키고 검증할 수 있는 연구들을 통해 인간과 BIOSAFETY VOL.16 NO. 2 09
01 10 3세대 유전자가위: CRISPR-Cas system 제 3세대 유전자가위는 앞의 두 유전자가위와 달리 표적하고자 하는 DNA염기서열에 가이드 RNA가 상보적으로 결합하고, 인식한 DNA를 자르는 데에는 Cas9 단백질을 사용 한다. 가장 널리 사용되는 S. pyogenes에서 유래한 CRISPR-Cas9 시스템은 가이드 RNA가 표적 DNA의 20 개 염기서열에 결합하고 Cas9 단백질이 그 바로 뒤에 존재하는 5 -NGG-3 염기서열을 인식한다. Cas9이 인식하는 염기서열을 protospacer adjacent motif(pam)이라고 한다. 1,2세대 유전자가위가 서로 다른 단백질의 상호작용으로 유전자가위가 구성되었다면 3세대 유전자가위는 RNA와 단백질이 DNA를 표적하여 자르는 특징이 있다. 이 시스템은 박테리아가 외부 DNA의 침입을 막고자 형성한 CRISPR 면역 시스템을 유전자가위로 차용한 것이다. CRISPR-Cas 유전자가위는 현재까지 개발된 가위 중에 가장 제작이 용이하고 저렴할 뿐 아니라 정확성과 효율성도 높은 것으로 확인되었다. 환경에 유리한 실제 응용 연구를 한층 가속화시키고 있다. 유전 자가위는 현재까지 1세대 유전자가위인 Zinc finger nuclease(zfn)을 시작으로, 2세대 유전자가위 Transcription activator-like effector nuclease(talen)을 거쳐 현재는 3세대 Clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)-Cas(CRISPR-associated) 시스템을 이용한 유전자 가위에 이르기까지 끊임없는 기술의 진화를 거쳐 발전하고 있다. 정교한 도구로써의 유전자가위는 정확히 원하는 부분만을 표적 할 수 있어야 하고, 표적한 부분을 효율적이고 정밀하게 자를 수 있어야 한다. 이를 위해 개발된 현재까지 개발된 유전자가위는 공통적인 구조로써 표적 DNA염기서열을 인식하는 부분과 표적 DNA를 자르는 부분으로 구성된다. 1세대 유전자가위: ZFN ZFN은 DNA를 인식하는 역할은 징크핑거 단백질(Zinc Figner protein)이 수행하고, DNA를 자르는 역할로써 foki 제한효소의 DNA 절단도메인을 연결하여 만든 1세대 유전자가위이다. DNA를 인식하는 징크핑거 단백질은 1개가 3bp DNA를 인식하므로 레고 블록과 같이 원하는 DNA염기서열에 맞추어 조립식으로 쉽고 편리하게 조합할 수 있는 장점이 있다. FoKI은 2개의 monomer가 1쌍으로 작용하기 때문에 이를 사용한 ZFN 또한 항상 짝을 이루어 작동한다. 각각의 monomer는 3개에서 6개 징크핑거단백질로 구성되어 9-18bp DNA염기서열을 인식하기 때문에 1쌍의 ZFN은 약 18-36bp DNA를 인식하여 자른다. 2세대 유전자가위: TALEN 제 2세대 유전자가위 TALEN의 DNA를 자르는 기능은 ZFN과 마찬가지로 foki 제한효소의 절단도메인을 사용한다. 그러나 DNA를 인식하는 단백질은 식물을 감염시키는 박테리아 Xanthomonas spp.의 DNA 결합도메인인 TALE 단백질을 사용 하여 1bp단위로 DNA를 좀 더 정교하게 인식할 수 있다. 1개의 TALE은 33-35아미노산 서열로 구성되고 그 중 12,13번째 아미노산 서열이 repeat variable diresidues(rvds)라 불리며 특정 1bp DNA염기서열을 인식하는 큰 장점을 가지고 있다. 이 RVD의 염기가 Asn-Asn, Asn-Ile, His-Asp, Asn-Gly일 때 각각 G,A,C,T 염기를 인식하므로 TALEN 또한 원하는 DNA 염기서열에 맞춰 조립식으로 만들 수 있다. 그러나 대략 20개 가량 많은 수의 RVD를 연결하여 만들기 때문에 각각의 유사한 염기서열로 인한 세포내에서의 재조합을 막기 위한 다양한 합성 법이 개발되었으며 현재 18000개 이상의 유전자와 다양한 표적에 대해 미리 만들어진 유전자가위가 확보되어 있어 누구나 쉽게 사용 가능하다. 1세대 ZFN이 5 -GNNGNNGNN-3 과 같은 서 열에만 잘 작동하는 제약이 있었다면 TALEN은 작용하는 DNA 부위에 5 -T 염기서열을 필요로 한다는 점과 메틸화 cytosine에 작동하지 못하는 것, size가 ZFN보다 크기 때문에 세포내로 전 달이 더 어렵다는 점에 주의하여 사용해야 한다. 1세대 유전자가위 : ZFN 2세대 유전자가위 : TALEN TALE 단백질 Fokl Fokl Fokl Fokl 3세대 유전자가위 : CRISPR-CAS9 가이드 RNA NGG 징크핑거 단백질 Cas9 그림2. ZFN, TALEN, CRISPR-CAS9 유전자가 위 구조 표1. 개발된 유전자가위의 특징 1세대 유전자가위 ZFN 2세대 유전자가위 ZFN 3세대 유전자가위 ZFN DNA인식 기능 징크핑거 단백질 TAL effector 단백질 가이드 RNA DNA절단 기능 FoKl FoKl CAS9 DNA절단 성공률(%) 낮음(~24%) 높음(~99%) 높음(~90%) DNA절단시 변이 생성 효율(%) 대체적으로 낮음 (~10%) 높음(~20%) 특이적 DNA인식 범위 18-36bp 30-40bp 23bp 작용에 필요한 염기서열 원치 않는 DNA부분 절단 가능성 주로 5 - GNNGNNGNN-3 유전자 교정 활용 분야 높음(~20%) 5 - T로 시작 주로 5 - NGG - 3 높음 낮음 다양함 원하는 부위를 자를 수 있는 유전자가위의 종류, 세포에 전달한 유전자가위의 개수, 유사염기서열을 가진 공여체(donor)를 함께 전달했는지 등의 여부에 따라 유전자를 다양한 방법으로 교정할 수 있다. 유전자 녹아웃(Gene knockout) 유전자가위로 잘린 DNA를 수선할 때 세포내에서 가장 빈번하게 일어나는 에러수반 교 정시스템(NHEJ)은 종종 잘린 부분에 몇 개의 염기서열을 더하거나 빼면서 DNA를 연결 한다. 유전자는 DNA 염기서열 순서에 따라 3개의 DNA염기서열 묶음이 1개의 아미 노산으로 번역되는 질서를 유지하는데 이와 같이 몇 개의 염기서열이 더해지고 빠지면 BIOSAFETY VOL.16 NO. 2 11
01 12 결과적으로 번역부위의 이러한 질서가 깨지면서 원하는 단백질을 길이의 합성단일가닥DNA single-strand oligodeoxynucle- 생산하지 못하게 된다. 이를 유전자 녹아웃이라고 한다. 이 기작을 otides(ssodns)를 사용할 수 있다. 특히 합성단일가닥 DNA는 이용하면 원하는 유전자만을 골라서 기능을 망가뜨린 후 해당 제작기간이 짧고 경제적이므로 그 활용도가 높으며 정확한 메커 유전자의 본래 기능을 연구할 수 있는 방법으로 활용될 수 있다. 니즘이 알려지지는 않았지만 짧은 길이를 이용한 국소부분 교정을 유전자가위를 이용한 활용 중 가장 빈번하게 유도할 수 있고 인간세포와 동물세포에서 효율적으로 일으킨 바 있다. 효율적으로 유도할 수 있는 방법이다. 염색체 재배열 및 구조변이(chromosome rear- 유전자 삽입(Gene insertion) rangement and structural variation) 원하는 유전자에 형광 단백질을 함께 발현되도록 하여 세포내에서 2007년 Science에 올해의 혁신적인 연구로 선정된 인간 유전체의 관찰을 용이하게 한다든지 혹은 세포내에 원래 없거나 망가져 다양성은 단일 염기 다형성과 함께 인간의 염색체 구조 변이가 있던 유전자의 기능을 보완하기 위해서 위치 특이적으로 새로운 정상인 사이의 차이를 설명해주는 동시에 특정 질병과 연관되어 유전자를 도입할 수 있다면 특정 유전자의 기능연구를 위해 있음을 알려주는 중요한 연구결과였다. 이러한 염색체의 구조 변이의 유용한 도구가 될 수 있을 것이다. 기존 연구는 이를 위해 plasmid DNA나 genome상에 끼어들어갈 수 있는 바이러스 vector를 사용했는데 이 방법은 삽입 위치가 다양하여 genome에 어떤 부분에 도입이 되었는지 알기 어렵고 그 정확성을 검증하기 에도 어려운 점이 있다. 유전자가위 기술은 이와 달리 표적 부분에 특이적인 유전자 삽입을 할 수 있다. 이때, 유전자가위와 함께 Donor vector라는 전달물질 하나를 더 필요로 한다. Donor vector는 자르고자 하는 DNA의 주변 염기서열을 보유하고 있고 그 유사 염기서열의 길이와 형태에 따라 세포내의 에러없는 교정 시스템(HR)을 이용한 정확한 유전자 삽입이나 에러수반 교정 시스템(NHEJ)을 이용한 이중나선 DNA 접합을 유도함으로써 유전자 삽입뿐 아니라 짧은 염기서열을 접합하는 방법(tagging) 으로도 활용할 수 있다. 종류에는 특정 염색체의 긴 부분이 없어진 결실(deletion), 특정 부위가 반복되어 나타나는 중복(duplication), 그리고 염기서열이 뒤집어져서 읽히는 역위(inversion) 및 서로 다른 염색체(chromosome)간의 접합이 일어나는 염색체 재배열(전좌)이 있다. 위와 같은 구조적 변이를 일으켜 기능을 연구하고 더 나아가 질병의 상관관계를 연구하기 위해 유전자가위를 활용할 수 있다. 유전자 결실, 삽입, 국소 교정이 1개의 유전자가위로 유도할 수 있었다면 염색체의 구조 변이는 서로 다른 곳을 표적하는 유전자가위 2개를 동시에 사용하여 일으킬 수 있다. 2개의 서로 다른 부분에 DNA 이중나선 절단을 일으키면 세포가 자발적으로 에러수반교정 시스 템을 주로 사용하여 잘린 부분을 이으며 교정한다. 이 때 변이 특이 적인 PCR 방법을 사용하여 원하는 구조를 가진 세포를 골라낼 수 있고 이를 통해 다양한 질병 모델을 연구하는데 활용할 수 있다. 유전자 교정 연구 동향 유전자가위 기술의 발전은 현재 기술 개발과 더불어 더 나아가 인간과 환경을 이롭게 하기에 적합한 도구로써 활용될 수 있도록 연구되고 있다. 이전에는 한 개의 유전자 녹아웃을 일으키기 위해 오랜 시간이 걸렸다면 유전자가위 기술을 이용하여 한 번에 여러 개 유전자를 동시에 결실을 일으킬 수 있음이 보고되었고, 더 나아가 여러 가지 유전자를 동시에 표적할 수 있는 library를 제작 후 세포에 전달 하여 특정 형질에 관여하는 유전자를 골라내는 스크리닝 기술이 개발되어 약물 개발 및 질병치료에 한층 더 박차를 가하게 되었다. 유전자가위 기술의 실제 임상치료에 사용하기 위해서는 유전자 교정의 안정성에 대한 연구가 필수적이다. 먼저 정확한 분석을 위한 연구들이 진행되고 있다. 차세대 염기서열 분석방법의 발전과 더불어 실제로 세포에 전달한 유전자가위가 얼마나 효율적 으로 원하는 위치에서만 교정하는지 1/10000 이하의 수준까지 확인 가능한 분석법이 개발되었고, 원치 않는 위치에서 작용하지 않는지 여부를 미리 예측할 수 있는 다양한 컴퓨터 프로그램도 개발되어 상호보완적으로 검증이 가능하게 되었다. 또한 CRIS- PR 유전자가위를 세포에 도입하는데 있어 DNA 형태로 도입 하여 발현시키지 않고 가이드 RNA와 단백질 복합체(ribonucleoprotein, RNP)로 전달하는 방법도 개발되었다. RNP는 DNA 형태로 전달될 때와는 달리 발현시간이 필요하지 않아 세포 내에서 빠른 시간 내에 효율적으로 작용하면서도 세포 내 효소들에 국소부위 유전자 교정(Gene correction & point mutagenesis) 의해 신속히 제거되기 때문에 표적외 염기서열에 작용할 가능성이 현저히 낮아진다. 또한 DNA 조각이 표적 염기서열 또는 표적외 특정부분의 DNA염기서열 한 개가 차이나는 단일염기 다형성은 한 개의 염기서열이 다름으로 인해서 정상인 개개인의 서로 다름을 설명하고 있고, 겸상적혈구 빈혈증과 같은 질병은 특정 유전자의 단 1개의 DNA 서열에 변이가 일어남으로써 그 유전 자가 망가져 질병으로 많은 사람들이 고통을 받고 있다. 이러한 변이를 위치 특이적으로 유도할 수 있다면 그 기능을 연구하거나 더 나아가 질병치료에 필수적인 도구로 사용될 수 있을 것이다. 이를 위해 유전자가위와 함께 Donor vector를 함께 도입함으로써 좁은 부위의 유전자를 1개 DNA 염기서열 단위로 정밀하게 교정할 수 있다. Donor vector로는 plasmid DNA 혹은 짧은 유전자 녹아웃 유전자 삽입 국소부의 유전자교정 A B C A C 결실 A B B C 중복 A B C 역위 A B a b 전좌 염색체 재배열 및 구조변이 그림3. 유전자가위를 활용한 유전자 교정 염기서열 내에 삽입될 가능성이 없어 이 방법으로 생산된 동식 물이 GMO로 규제되지 않을 것으로 기대되고 있다. 또한, 세포 내의 DNA 수선시스템 중 에러없는 수선시스템만을 이용한다면 더 정확한 유전자 교정이 가능하므로 이중나선DNA가 아닌 단일가닥 DNA를 자르는 유전자가위를 개발하여 에러없는 정확한 교정을 할 수 있음이 보고되었으며 유전자가위 기술의 확장을 위해 5 -NGG-3 가 아닌 다른 DNA염기서열을 이용한 유전자 교정을 할 수 있도록 다양한 이종 박테리아를 이용한 유전자가위 개발도 활발히 되고 있는 등 다양한 연구를 통해 안정성을 올리 면서 직접 적용 가능한 기술로서 진화하고 있다. BIOSAFETY VOL.16 NO. 2 13
02 14 02 기초과학연구원, 유전체 교정연구단 김상태, 김혜란, 김상규, 윤재영 유전자가위를 활용한 식물 유전체 교정 현대의 식량, 의약, 공업의 주요 자원으로 사용되는 다양한 식물(작물)은 대량 생산을 위해 필요한 외부 유전 물질을 도입하거나 자체 유전자를 변형시킴으로 인류의 필요를 위해 사용되고 있다. 앞서 소개된 유전체 교정 기술 또한 여러 작물에서 적용되어 사용 될 것이고, 이미 그 가능성이 확인되고 있다. 특히, 흥미로운 것은 유전체 교정 기법은 기존에 주로 사용되어온 유전공학적인 기법과 달리 외부 유전물질을 도입하지 않고도 원하는 유전체 교정을 이룰 수 있기에, 기존 유전자변형(GM)작물에 대한 규제와 합의에 대해서 근본적인 재논의가 필요하다. 이에 본 장에서는 현재까지 주요 작물에서 보고된 유전체 교정 기법 적용 사례를 제시하고, GMO 규제에 대한 원론적인 이해를 논하며, 앞으로의 응용 가능성에 대하여 구체적으로 제시하고자 한다. 주요 작물을 대상으로 한 유전체 교정 기술 도입 보고 주요 작물인 벼, 밀, 보리, 옥수수, 수수 등의 외떡잎 작물, 콩, 오렌지, 토마토 등의 쌍떡잎 작물에서 유전체 교정은 2.2% 에서 91% 까지의 높은 효율성을 보인다고 보고되었다(표1). 이들 유전체 교정은 대부분 DNA 염기 서열상의 정확한 위치를 찾아 DNA를 끊어주고, 생체 내에 존재하는 수선 작업(DNA repair)으로 짧은 indel(일부 염기서열의 삽입이나 제거, insertion/deletion)이 도입된 경우와 목적에 따라 외부 유전자 삽입을 유도하는 경우가 있다. 벼와 밀을 대상으로 병 민감성 관련 유전자의 기능을 파괴함으로써 병저항성 작물을 유도하기도 하며, 옥수수에서 인산기 물질의 감소를 유발하도록 관련 유전자의 기능을 표1. 주요 작물에서 유전체 교정 기술을 이용한 유전변이 보고의 실례 작물 사용기법 변이양상 효율성 확인조직 벼 TALEN, CRISPR/Cas9 indel, DNA조각 도입 3.1 91% 원형질체, 캘러스, 식물체 보리 TALEN indel 16 31% 부분식물체 밀 TALEN, CRISPR/Cas9 indel 옥수수 ZFN, TALEN, CRISPR/Cas9 3.7%, 28.5% 원형질체, 식물체 indel, 유전자 도입 3.4-100% 캘러스, 식물체, 원형질체 수수 CRISPR/Cas9 특정되지않음 28% 미성숙배아 콩 ZFN, TALEN indel 25%, 33.3% 식물체 토마토 TALEN indel 2.5% 식물체 오렌지 CRISPR/Cas9 indel 3.2-3.9% 잎 파괴하여 영양 성분의 향상을 유도한 예가 보고되었다. 또한, 쌀의 향을 조절할 수 있는 유전자의 교정이 보고되었다. 작물 유전체는 많은 경우 다양한 배수체로 존재 해서 기존 분자생물학적인 방법으로 유전자 기능을 밝히는 데 한계가 있었다. 하지만 유전체 교정 기술을 활용해 육배수체인 밀에 존재하는 병 민감성 관련 삼배수 유전자의 기능을 모두 파괴하는 등 이 기술을 통해 식물 유전자 기능 연구의 걸림돌을 해결할 수 있게 되었다. 또한, 유전체 교정 시스템은 잎, 원형질체, 유도된 캘러스 등 기존 조직배양에 사용되고 있던 다양한 식물 조직에 성공적으로 도입되었다. 유전체 교정의 효율성을 확인하는 방법이 연구자마다 차이가 있어서 정확한 비교는 어렵 지만, 특별히 작물 종류에 따른 효율성의 차이는 없는 것으로 보인다(표1). 그러나 아직 여러 제한이 있는 것도 사실이다. 특히 원하지 않는 위치에서 유전자가위가 작동하는지(off-target) 계속 살펴봐야 할 부분이다. 이미 유전체 교정 연구단에서는 이러한 off-target 효과를 전체 유전체 수준에서 검토할 수 있는 효과적인 컴퓨터 도구를 개발하였다. BIOSAFETY VOL.16 NO. 2 15
02 16 유전체 교정 기술 개발에 따른 새로운 GMO 규정 교정이 된 작물이 GM작물인지 아닌지를 판단해야 할 것이다. 유전자가위를 식물 세포 내로 전달하기 위해서 크게 두 가지 만약 유전자가 같은 식물종에서 혹은 근연종에서 온 것이라면 방법이 개발되어 있다. 유전자가위를 발현시킬 수 있는 DNA를 이 작물을 GM작물로 규정할 이유가 없다. 이는 전통적인 교배를 세포 내로 주입하는 방식과 유전자가위 자체를(RNA/CAS9 통해서 만들어지는 작물과 구분 짓기 어렵기 때문이다. 오히려 단백질 복합체) 세포 내로 전달하는 방식이다. 첫 번째 방식은 훨씬 빠르고 정확하게 원하는 형질을 가진 작물을 만들 수 있다. 유전자가위를 식물체 내에서 발현시켜 원하는 유전체 교정을 유 도한다. 그 뒤 교정된 식물과 교정 전 식물의 검정교배(backcross)를 통해서 쉽게 유전자가위 DNA를 제거해 줄 수 있다. 응용 가능성 이렇게 교정된 작물은 미국이나 캐나다에서는 GM작물이 아니다. 주요 작물에서의 유전체 교정 기법은 앞에서 살펴본 것처럼 하지만 외부 유전자를 도입하는 과정 자체를 중요시하는 활발히 진행 중이고 곧 실용화될 전망이다. 그리고 주요 작물 EU에서 이 작물은 여전히 GM작물로 취급되고 있다. 이외에 다양한 식물에서의 응용 가능성 또한 무궁하다. 본 연구단에서 작년에 발표한 새로운 유전체 교정 기술인 RN- P(RNA-CAS9단백질 복합체) 시스템은 유전 정보 물질(DNA)의 형질 제거 전달 없이 목적하는 유전자를 효과적으로 교정할 수 있다. RNA/ 새로운 품종을 만들기 위해서 식물에서 특정 형질을 제거하기도 CAS9단백질 복합체는 생체 내에 존재하는 다른 RNA나 단백 한다. 캐놀라(Canola) 라고 불리는 유채 종자에서 짠 식용 기름의 유전체 교정 기술을 이용한 식물체는 GMO인가? 질과 마찬가지로 분해작용을 통해 빠르게 제거되기 때문에 원 하는 유전자를 교정한 후 생체 내에 남아있지 않는다. 즉 RNP 개발이 그 대표적인 예이다. 기존 유채 기름은 독성이 있는 것으로 알려진 이루식산(Erucic acid)이 많이 포함되어 있어 식용으로 유전자변형생물체(GMO/LMO) 정의 유전자변형생물체(Genetically Modified Organism, GMO; Living Modified Organism, LMO)란 LMO 법 제2조 2호에 명시된 바에 따르면 현대 생명공학 기술을 이용하여 새롭게 조합된 유전물질을 포함하고 있는 동물, 식물, 미생물들을 말한다. 이들은 인간에게 유용한 물질이나 형질을 가지도록 외부 유전자를 도입하여 원하는 형질을 갖게 된 개체들이다. 이런 유전자변형생물체를 활용한 연구는 생명공학 기술의 비약적인 발전으로 인해 꾸준히 증가하고 있다. 유전자변형이 된 식물의 종류도 계속 증가하고 있지만, 시장에서 판매되고 있는 GM작물은 제초제 내성 작물(콩, 옥수수, 캐놀라나), 해충 저항성 작물(면화, 옥수수) 등에 불과하다. GM작물 이용에 가장 큰 걸림돌은 GMO의 인체적 환경적 위해성에 대한 불확실성과 사회적으로 형성된 부정 적인 인식이다. 또한, GM작물이 시장으로 나오기 위해서 통과해야 되는 각종 위해성 평가에 천문학적인 비용이 들기 때문에 현재 다국적 종자 회사가 아니면 승인을 받아 상업화하기 힘든 상황이다. 현재 크게 두 가지 방법으로 GM작물을 규정하고 있다. 미국과 캐나다에서는 외부에서 인위적으로 넣어준 유전자를 가지고 있는 작물을 GM작물로 규정하고 있다. 즉 인위적 으로 유전자가 변형된 식물이라고 해도 외부에서 넣어준 유전자가 없으면, 혹은 제거해 주었을 경우 이 작물은 GM작물이 아니다. 유럽연합(EU)은 좀 더 엄격한 기준을 가지고 GM작물을 규정하고 있다. 작물의 형질 개선 과정 중에 외부 유전자가 도입된 적이 있다면 나중에 외부 유전자를 제거해주었어도 그 작물은 GM작물로 판단한다. RNP기술을 적극적으로 활용할 수 있는 단계에서는 GMO 논란 자체가 소모적인 논쟁이 될 것으로 예상하기에, 하루빨리 과학적이고 사회적인 논의를 통해 이 기술에 대한 규정을 만들어 가야 할 것이다 시스템은 GMO 정의에서 가장 중요하게 생각하는 외부 유전자의 도입 없이 표적 유전자의 교정을 유도한다. 따라서 RNP 시스템을 이용해서 만들어진 작물은 가장 엄격한 유럽연합 국가의 규정을 적용해도 GM작물로 분류되지 않을 수 있다. 특히 RNP기술을 적극적으로 활용할 수 있는 단계에서는 GMO 논란 자체가 소모 적인 논쟁이 될 것으로 예상하기에, 하루빨리 과학적이고 사회 적인 논의를 통해 이 기술에 대한 규정을 만들어 가야 할 것이다. 유전체 교정 기술은 기존에 사용하던 어떤 육종 방식보다 유전체 변이를 가장 적게 일으킨다. 전통적인 육종은 동종 간 혹은 이종 간의 교배를 통해 유용한 형질을 가진 작물을 만든다. 이 경우 관심 형질을 조절하는 유전자가 섞이고 심지어 다른 종에 있던 유전 자가 도입되기도 한다. GM기술로 분류되지 않은 방사선이나 화학 물질 처리를 통해 도입되는 유전체 변이와 비교해도 유전자가위를 이용한 유전체 변이는 훨씬 정교하고 국소적이다. 나라별로 유전체 교정 기술을 통해 만들어진 작물에 논의가 현재 활발히 이루어 지고 있지만 유전 물질의 도입 없이 indel을 통한 변이가 작물에 도입된 경우 현행 규정상 GM작물로 분류되지 않는다. 유전체 교정 기술을 이용해서 외부에 있는 유전자를 원하는 위치에 넣어줄 수도 있다. 이 경우 어떤 유전자를 넣었느냐에 따라 유전체 적합하지 않았다. 그래서 1970년대에 이루식산을 합성하지 못하는 새로운 품종의 유채가 캐나다에서 개발되었다. 캐놀라 품종은 이루식산 합성에 중요한 역할을 하는 FAE1 유전자에 자연 적인 변이가 도입되면서 만들어졌다. 이제는 RNP 기술을 이용 해서 자연적으로 발생한 FAE1 유전자 변이와 같은 수준의 변이를 유도할 수 있다. 이처럼 특정 형질을 제거하고 싶을 때 RNP 기술이 활발히 사용될 것으로 예상한다. 이미 작물의 특정 형질을 제거하기 위해 유전체 교정 기술이 활용 되고 있다. 카사바는 아프리카 등 저개발 국가의 주요 식량자 원이다. 하지만 사이아나이드 계통의 유독한 물질을 포함하고 있어 조리과정 중에 이 물질을 반드시 제거해야 한다. 그래서 사이 아나이드 합성에 관련된 유전자를 유전체 교정 기술을 이용해서 제거하는 연구가 진행 중이다. 이와 비슷한 방식으로 카페인 합성에 관여하는 유전자를 교정해서 카페인이 없는 커피나무도 만들 수 있을 것이다. 디카페인 커피를 만드는 복잡한 과정이 필요 없어지고 무엇보다 카페인을 제거하면서 같이 사라지는 커피 향이나 맛 등을 보존할 수 있다. 갈변 현상이 줄어든 사과도 RNP 방법으로 만들 수 있을 것이다. 사과의 갈변 현상을 일으키는 유전자(PPO, polyphenol oxidase)의 발현을 RNAi 방법을 통해 BIOSAFETY VOL.16 NO. 2 17
02 18 낮춘 GM 사과가 미국과 캐나다에서 승인되었으며, 재배를 시작해 2016년 말 정도에는 판매가 될 예정이다. 까다로운 GM 규제와 소비자의 심리적인 거부감이 이 GM작물의 성공적인 판매에 걸림돌이다. 하지만 RNP를 통해서 PPO 유전자가 교정된 사과 나무를 만들어 낼 수 있다면 이와 같은 장벽이 문제가 되지 않을 것이다. 형질 도입 유전체 교정 기술을 활용하면 단백질을 구성하는 아미노산 일부를 치환하거나 외부 유전자를 도입해서 원하는 형질을 도입할 수 있다. 현재 판매되고 있는 제초제 저항성 작물은 미생물 등에서 유래한 제초제 저항성 유전자를 도입해서 만들어진 GM작물이다. 제초제는 주로 식물의 광합성 혹은 필수 아미노산 합성에 사용되는 단백질이 제 기능을 못 하게 해서 결국 식물을 죽인다. 하지만 제초제를 과도하게 사용하면서 특정 제초제에 저항성을 가지는 식물이 자연적으로 나타났다(이런 식물은 작물의 성장을 방해하는 잡초로 여겨진다). 즉 제초제 저항성 작물을 만들기 위해서 미생물에서 유전자를 가져오는 것이 아니라 식물에 있는 유전자를 이용해도 된다. 이런 발견을 응용해서 작물에 있는 제초제 목표 단백질을 저항성 식물의 것과 유사하게 바꿀 수 있다면 미생물 유전자의 도입 없이 제초제 저항성 작물을 만들 수 있게 된다. 이미 유전체 교정 기술로 원하는 부분만 바뀐 벼의 유전자를 다시 벼에 도입 하여 특정 제초제에 저항성을 가진 벼를 만드는 데 성공했다. 바나나 구하기 프로젝트 본 유전체 교정 연구단은 이러한 유전체 교정 기법을 이용하여 다양한 식물에서 GMO 논란을 잠재울 여러 프로젝트를 시도하고 있다. 이 중 하나의 프로젝트를 좀 더 자세히 소개하고자 한다. 그로미셜(Gros Michel)의 멸종 과거에 그로미셜 이라는 바나나 품종이 있었다. 아마도 할아버지 혹은 증조할아버지 세대에서나 접하고 맛볼 수 있었던 이 품종은, 1800년대부터 대량으로 경작된 최초의 바나나로서 맛도 좋고 대량 경작에 적합한 바나나 품종이었다. 하지만 이 바나나를 더는 먹을 수가 없게 되었다. 1900년대 중반에 파나마병(Panama disease)에 걸려 거의 절멸했기 때문이다. TR1이라는 곰팡이가 파나마병을 일으켰고, 당시 어떠한 방법으로도 이 곰팡이를 제거할 수 없었기 때문에 그로미셜이라는 우수한 품종은 역사의 뒤안길로 사라지게 된 것이다. 사실 이러한 바나나 절멸의 근본적인 문제는 영양생식에 의한 바나나 증식에서 찾을 수 있다. 수정을 통해 유성생식 하는 작물과 달리 상용 바나나는 거의 100% 뿌리줄기에 의한 무성생식을 통해 재배가 이루어지기 때문에 유전적으로 모든 개체는 유사하다. 결국, 유전적 다양성이 없는 단작물(monocrop)에서 파나마병을 일으키는 병원균이 발견된 지 반세기도 안 되는 이른 시일 안에 그로미셜 품종은 멸종되었다. 하지만 이 품종이 완전히 멸종되기 전에 TR1에 내성을 가진 상용 바나나 카벤디쉬(Cavendish) 품종을 발견하게 되었고 이 품종이 현재까지 우리가 즐기는 바나나이다. 바나나의 가치 현재 카벤디쉬로 대표되는 상용 바나나는 없어서는 안 될 중요한 작물이다. 통계에 의하면 전 세계적으로 1년에 1000억 개가 넘는 바나나가 소비되어, 밀, 쌀, 옥수수에 이은 네 번째로 중요한 식량 자원이며, 미국이나 유럽으로 수출되는 15%를 제외한 85%의 생산량은 주로 개발도상국 지역에서 소비된다. 적어도 4억 명 이상의 사람들이 하루 에너지의 15~27%를 바나나에 의존하고 있으며 약 440억 달러 시장가치를 가지고 있어서 개발도상국 지역의 영양 공급과 서민경제에 중요한 버팀목이 된다. 바나나게돈(Bananageddon)의 도래? 하지만 그 무서운 바나나 절멸의 역사가 다시 되풀이되고 있다. TR1보다 훨씬 강한 전염성과 병원성을 가지고 있는 파나마병을 일으키는 곰팡이 변종, TR4가 1990년대에 동남아에서부터 창궐하여 카벤디쉬를 쓰러트리고 있다. TR4에 의한 감염 역시 치료법이 없어 현재 이 병은 아시아/호주 지역을 휩쓸었으며, 최근에는 모잠비크 등 아프리카 지역까지 발생하였다. 전 아프리카 대륙에 확산과 중남미 지역에 상륙하는 것은 시간 문제로 보인다. 현재 그 피해액은 막대하다. 일례로 현재까지 필리핀에서만 TR4 감염 으로 입은 피해액은 약 4억 달러를 웃돈다고 알려졌 고, 말레이시아의 바나나 경작지를 5년도 안 되어서 초토화할 정도로 그 피해 규모가 크고 전파가 빠르다. 가장 큰 문제는 TR1 사례 때와는 다르게 이번에는 TR4에 내성을 가진 대체 품종이 아직 발견되지 않았다는 것이다. 바나나 유전체 교정 머지않아 카벤디쉬가 절멸하게 될 위기 상황에 우리가 대처할 수 있는 과학적인 해결책은 TR4에 내성을 가지는 품종을 찾거나 개발하는 것이다. 카벤디쉬를 비롯한 거의 모든 식용 바나나 품종은 불임에 종자가 생성되지 않기 때문에, 현실적으로 유성생식을 통한 유전적 다양성 확보는 가능하지 않다. 설령 유성생식이 가능하여, 육종이 가능하다 해도, 내성을 가지면서 식용으로 적합한 상용화된 형질을 동시에 찾아내어 개량하기엔 많은 시간적 제약과 천문학적 노력이 따른다. 일례로 현재 인류가 경작하는 대부분의 바나나 품종들은 약 10000년 동안 야생 바나나의 품종개량을 통해 확보된 것이다. 유전체 교정 기술을 활용하면 원하는 유용한 형질을 유지하면서, 병원균에 내성을 가지 도록 단시간 내에 개량할 수 있고 앞서 기술한 대로 CRISPR/Cas9을 이용한 현재의 유전체 교정 방법은 최근 눈부신 발전을 거듭하여 매우 높은 정확도를 자랑하고 있다. 현시점에서 유전체 교정을 통한 TR4 내성 바나나의 개량은 필수 불가결한 선택이라고 본다. 외래 유전자 도입 없이(비GMO), 내부 유전자에 변이를 유도하여 내성 바나나를 만들어 내는 연구는 멸종할지도 모르는 바나나를 구하는 강력한 대안이 될 것이다. BIOSAFETY VOL.16 NO. 2 19
03 20 03 유전체 교정 기술의 질병치료 분야 응용 1 유전체교정치료 연구소, 툴젠 2 유전체교정연구단, 기초과학연구원 김석중 1, 구태영 2, 김윤영 1, 송동우 1, 정민희 1, 유호성 1 유전체 교정()이란 생명체의 유전정보를 자유롭게 교정하는 기술이다. 생명과학분야의 진보와 유전체 서열 분석 기술의 발전을 통해 우리는 다양한 유전정보에 대해 폭넓게 이해할 수 있게 되었다. 예를 들어 동식물의 번식, 질병과 성장, 다양한 인간 유전질병을 일으키는 유전자 변이, 바이오연료의 생산 등을 위한 유전자에 대한 이해는 이미 확보된 상황이지만 이를 직접적으로 활용하여 생명체를 개선하고, 인간 질병을 치료하는 수준에까지 이르기 위해서는 그 이상의 기술 진보가 필수적이다. 유전체 교정 기술은 인간을 포함하여 동물, 식물, 미생물의 유전정보를 변화시켜 그 활용범위를 획기적으로 확장시킬 수 있다. 유전자가위는 원하는 유전정보를 정확히 자를 수 있도록 설계되어 만들어지는 분자 도구로 유전체 교정 기술에서 핵심역할을 하고 있다. 유전자 서열분석 분야를 한 차원 발전시켰던 차세대시퀀싱(Next generation sequencing) 기술과 같이, 유전자가위는 유전정보 활용의 속도와 그 범위를 확장 시키고 새로운 산업분야를 창출해 내는 핵심 기술이 되고 있다. 이에 본 섹션에서는 유전체 교정 기술이 인간 질병의 치료에 활용될 수 있는 가능성 및 실제 사례를 제시하고 이를 바탕으로 유전체 교정 치료제 개발을 위한 기술 발전의 방향성을 논하고자 한다. 유전체 교정 기술 원리 세포 내에서 원하는 유전체 위치의 유전정보를 자유롭게 교정하는 기술은 연구 분야만이 아니라 산업/치료 분야에서 높은 가치를 가진다. 이러한 기술의 현실화를 주도하는 기술은 유전자가위 기술로 이는 세포 내에서 유전체상 원하는 위치만 정확하게 절단 하는 분자 도구를 개발하는 기술이다. 세포내에서 정확하게 유전정보를 교정하는 유전체 교정기술의 핵심 도구인 유전자가위 및 이의 활용 기술의 지속적인 발전을 통해 연구자 들이 자유롭게 정교한 유전정보 교정을 수행할 수 있게 되었다. 실제 2000년대 중반 1세대 유전자가위인 zinc finger nuclease(zfn)이 개발된 이래 지난 몇 년간의 지속적인 혁신을 통해 2세대 유전자가위인 TAL effector nuclease(talen)을 거쳐 현재는 3세대 유전자가위인 CRISPR/Cas9(또는 RNA-Guided ENdonuclease, RGEN) 까지 새로운 유전자가위가 개발되어 왔다. 이를 통해 정교하게 원하는 위치에 대한 분자도구를 만들 수 있게 되었으며 안전하게 세포 내에서 원하는 곳만을 절단할 수 있게 되었다. 유전체 교정기술은 2011년 Nature Methods에서 올해의 기술, 2013년 Science에 의해 breakthrough of the year의 runner-up으로 선 정되는 등 학계의 넓은 관심을 반영하고 있다. 세포 내에서 유전자가위를 이용해 원하는 유전체 위치를 절단하면 세포 내의 DNA 손상 치료 작용이 활성화 된다. 유전자가위에 의해 절단된 유전체상 위치는 크게 두 가지 치료 작용을 통해 복구 되는데 각 과정을 연구자가 이용하면 특정 위치의 유전자 기능을 효율적으로 제거하거나 변형 또는 외부 유전자를 추가 하는 등 다양한 유전체 교정을 일으킬 수 있다. 유전자가위를 이용한 유전체 교정 과정은 기존 기술에 비해 수천에서 수십만배에 이르는 효율을 보이기 때문에 연구실에서 정교한 실험을 수행하는 것만이 아니라 산업 및 치료 목적의 활용이 가능하여졌다. 이러한 특징으로 유전체 교정 기술은 이 기술이 비교적 최근에 개발된 최신 기술임에도 연구/산업/ 치료용 응용이 종합적으로 동시에 개발되는 특징을 보이고 있다. Engineered Nucleases Double strand break NHEJ - Doner + HR Gene Knockout Gene Correction Gene Addition GeneTagging 그림 1. 유전자가위를 이용한 유전체 교정 기술의 응용 유전체 교정과 신약개발 3세대 유전자가위 플랫폼인 CRISPR/Cas9의 유행과 함께 연구용 도구로서의 유전체 교정 기술은 기초생명과학 연구에서 시작하여 제약사와 바이오텍 등 산업계에 이르기 까지 인간 질병 치료제 개발의 다양한 단계에서 보다 정교하고 정확한 실험을 가능하게 하는 도구로 널리 사용되고 있다. 최근에는 아스트라제네카와 노바티스 등 국제적 제약사가 유전체 교정 원천 기술 보유 기업 또는 연구진과의 적극적인 협력을 바탕 으로 유전체 교정 기술을 신약개발의 핵심 도구로 확장시키는 노력을 시작하고 있다. 세포 및 동물에서의 유전체 교정 기술 활용을 통해 인간 질병을 잘 반영하는 질병모델을 개발하는 것이 용이해져 인간 질병의 이해를 돕고 있다. 예를 들어 특정 질병 유도 유전자에 표적지 향적 변이를 도입해 유전자를 녹아웃 시켜 질병을 유도하는 특징을 가지는 동물 모델을 개발할 수 있다. 신약개발 과정에서 임상 진입 전에 인간의 질병을 잘 반영하는 동물 모델에서의 효능 및 안전성 연구는 추후 임상시험 중 성공확률을 높여 종합 적인 신약개발 비용을 낮추는데 중요하다. 유전체 교정 기술은 기존 질병 모델로 널리 사용되던 배양 세포 및 마우스에서의 빠르고 정교한 인간질병 모델 구축의 도구로 자리 잡고 있으며 또한 돼지, 원숭이 등 다양한 동물에서의 유전체 교정 또한 효율적으로 수행되어 보다 인간질병을 잘 표현할 수 있는 대동 물 기반 질병모델 활용의 가능성을 열고 있다. (표 1). 또한 최근에는 CRISPR/Cas9 유전자가위를 라이브러리 형태로 활용하여 세포에서 유전체 수준의 타겟 유전자 스크리닝을 수행하면 기존 RNA 간섭 방식을 통한 스크리닝 방식보다 더욱 높은 신뢰도를 갖는 결과를 도출할 있음을 보였다. 현재 RNA 간섭 기반 스크리닝은 신약발굴 분야의 주요 기술로 자리 잡고 있으며 유전체 교정기술이 빠르게 이를 대체하여 갈 수 있을 것 으로 예상된다. 유전체 교정 기술은 이외에도 신약물질 발굴 스크리닝 용도의 리포터 세포개발, 후보물질 표적 유전자 검증, 약물 기작 연구 등 신약개발의 다양한 단계에서 널리 활용되면서 신약개발의 효율 및 속도를 개선하는데 기여하고 있다. BIOSAFETY VOL.16 NO. 2 21
03 22 표 1. Generation of disease models using the CRISPR/Cas9 system Type of Diseases Target Genes Modelling type Lung adenocarcinoma CD74-ROS1,EML4- ALK,andKIF5B-RET HEK 293T cells Myeloid leukemia RUNX1 HEK 293T cells Ewang's sarcoma EWSandFLI1 HEK 293T cells Treacher Collins- Franceschetti syndrome1 Cancer TCOF1 Tet1,2,3,Sry, anduty--8 Cancer Tet1andTet2 Mice HEK 293T cells MouseEScells 유전체 교정 치료제 개발 현황 유전체 교정 기술은 기존 신약개발 과정을 빠르고 효율적으로 돕는 역할뿐만 아니라 직접적으로 기존의 기술로는 치료할 수 없던 인간 질병에 대한 새로운 치료기술로 활용될 수 있다. 유전체 교정 기술이 치료에 직접 활용되는 형태로는 크게 환자의 체내에서 직접 유전체 교정을 수행하는 생체 내 유전체 교정 치료 그리고 외부에서 배양된 세포에 유전체 교정을 수행하여 치료효능을 유도하거나 증강시켜 환자에게 도입하는 ex vivo 유전체 교정 세포 치료가 시도되고 있다. 현재 유전체 교정 기술의 대중화는 CRISPR/Cas9에 의해 주도되고 있으나 치료제 개발의 과정은 긴 시간이 소요되는 이유로 현재 임상 진행 중인 또는 임상 진행을 앞두고 있는 유전체 교정 기술기반 치료제 개발은 ZFN이나 TALEN을 이용하고 있다. CCR5 유전자 제거 세포를 이용한 에이즈 치료 CCR5는 에이즈를 일으키는 바이러스인 Human Immunodeficiency Virus(HIV)가 숙주세포를 감염시킬 때 보조 수용체 역할을 하는 유전자이다. CCR5 유전자는 특이하게 유럽지역의 일부 지역 에서 높은 빈도로 돌연변이에 의해 망가진 형태로 존재하는데 이렇게 CCR5 유전자가 망가진 사람들은 HIV 바이러스에 대해 높은 저항성을 갖는 것으로 알려져 있다. 특히 CCR5 유전자에 변이가 있는 사람의 골수를 이식받은 에이즈 환자가 에이즈에서 완치된 경우가 보고되면서 유전체 교정 기술을 이용해 CCR5 유전자를 제거 하는 방식의 세포치료제 개발의 배경이 되었다. 유전체 교정 기술은 기존 신약개발 과정을 빠르고 효율적으로 돕는 역할뿐만 아니라 직접적으로 기존의 기술로는 치료할 수 없던 인간 질병에 대한 새로운 치료기술로 활용될 수 있다 되고 있다. 특히 발표된 임상시험 결과는 유전자가위 자체의 기능성 및 전달효율성의 문제로 낮은 CCR5 제거 효율(5~20%)을 보였으며 이러한 낮은 효율은 치료 효능의 제한 점으로 작용했을 것으로 예상된다. 따라서 높은 기능성의 최신 유전자가위 활용 및 개선된 전달 방식 등을 적용하면 더욱 향상된 효능의 항 에이즈 세포치료제 개발이 가능할 것으로 기대할 수 있다. 바이러스와 유전체 교정 기술을 이용한 체내 유전자 전달 치료 유전자 치료제는 오랫동안 차세대 질병 치료 형태로 각광받아 왔으나 현재까지 선진국 에서 허가를 받은 유전자 치료제는 희귀 질병인 지질단백 지질분해효소 결핍증(Lipoprotein lipase deficiency, LPLD)에 대한 치료제인 네덜란드 Uniqure사의 Gybera 가 유일하다. Gybera는 아데노 부속 바이러스(Adeno-associated virus, 이하AAV) 라는 바이러스 기반 유전자 전달 벡터를 이용하여 LPL 유전자를 전달하는 방식의 유전자치료제이다. AAV는 눈/근육/간 등 여러 인간 장기에 효율적으로 외부 유전자를 전달할 수 있는 유전자 전달 벡터로 특히 다양한 희귀 질환 및 난치 질환에 대한 유전자 치료 임상시험에 활용되고 있다. 유전자 전달 벡터로서 AAV의 단점 중 하나는 AAV에 의해 전달된 치료유전자가 세포에서 유전체에 도입되지 않은 상태로 유지되기 때문에 높은 안정성을 갖지만 치료효과의 유지 기간이 수개월에서 2~3년 정도로 제한된다는 점이다. AAV의 안전하고 효율적인 외부 유전자 전달 기능과 유전체 교정 기술을 융합하면 기존 AAV 유전자치료와 다르게 이론적으로는 영구적인 치료효과를 갖는 유전자치료의 개발이 가능 할 것으로 예상할 수 있다. HIV ZFN and CRISPR/Cas 9 or Viral vector Immnodeficiency B2m,Il2rg,Prf1, Prkdc,andRag1 Mice DMD DMD Rats DMD DMD Monkeys Immnodeficiency Ppar-γandRag1 Monkeys Von Willebrand disease Oculocutaneous Albinism Sickle cell anemia vwf Tyrosinase b-globin gene(hbb) Pigs Pigs Human Tripronuclear zygotes SB-728은 세계적으로 환자에 임상시험이 진행 중인 유일한 유전체 교정 치료제 파이프라인으로 에이즈 환자의 CD4+ T cell을 분리 후 ZFN 처리를 통해 CCR5 유전자를 제거하고 세포 증식 후 생산된 세포를 환자에게 다시 넣어주는 형태의 ex vivo유전체 교정 자가 세포치료이다. CCR5가 제거된 CD4+ T cell이 환자 체내에서 생착하게 되면 이는 HIV에 저항성을 갖는 면역세포로 수 개월~1년 이상 생존할 수 있다. 아직 장기간의 관찰이 이루어 지지 않아서 정확한 효능 및 안전성에 대한 결론을 내릴 수는 없지만 현재까지 유전자가위를 이용해 교정된 면역세포는 큰 부작용 없이 에이즈 환자에서 혈중 바이러스 조절 및 HIV 저장소 (reservoir) 조절에 있어서 긍정적인 효과를 보이는 것으로 관찰 CD4+Tcell 분리 HIV에 감염된 환자 Gen Knockout 그림 2. 유전체 교정 기술을 이용한 CCR5 유전자 제거 세포치료 개념 HIV에 감염된 환자에 투입 BIOSAFETY VOL.16 NO. 2 23
03 24 실제 현재 AAV를 이용하여 ZFN과 위치 특이적 치료 유전자 도입 시스템을 간으로 전달하여 희귀 유전질병을 치료하는 파이프 라인이 미국에서 개발 중이며 이에 대한 전임상 data로는 원숭이 에서 생체 내 유전자교정을 통해 치료 유전자를 치료 효과가 기대되는 수준으로 발현 시킬 수 있음이 보였다. 이를 바탕으로 혈우병B, 헐러증후근(Hurler s syndrome), 헌터증후군(Hunter s syndrome) 등 3가지 유전질병에 대한 유전체 교정 치료제가 2015년 말까지 임상에 진입될 것으로 예상되고 있다. BCL11A 유전자제거 자가 혈액줄기세포를 이용한 희귀 유전병 치료 겸상 적혈구 빈혈증(Sickle cell anemia)나 지중해빈혈(beta-thalathemia)등은 헤모글로빈 구성요소인 인간 헤모글로빈 베타(human haemoglobin beta, 이하 HBB ) 유전자의 돌연 변이로 인해 헤모글로빈 기능성에 문제가 생겨서 빈혈증이 발생 하는 선천성 유전병이다. 인간 유전체 상에는 HBB유전자의 기능을 대신할 수 있는 인간 헤모글로빈 감마 1/2(human hemoglobin gamma 1/2, 이하 HBG1/2) 유전자가 있는데 이 유전자는 인간의 발생과정에서 일시적으로 사용되고 태어난 후에는 사용되지 않는 유전자이다. 일부 사람들에서 HBG1/2 하여 정상 유전자로 고치는 것이 가능하지만 이러한 방식은 단순하게 유전자를 망가트리는 방식에 비해 효율이 크게 떨어질 뿐 아니라 HBB 유전자에 환자별로 발생하는 다양한 돌연변이들 각각에 대한 유전자가위가 따로 필요한 방식이 될 수 있어 치료제 개발 및 사업화에 있어 장벽이 있을 수 있다. 따라서 현재 개발되고 있는 유전체 교정 치료제는 망가진 HBB 유전자를 고치는 대신 HBG1/2 유전자가 탄생 후에는 발현되지 않도록 유지하는 기능을 하는 전사조절 유전자인 BCL11A를 제거하여 HBG1/2유전자의 발현을 유도하고 이를 통해 HBB 돌연변이에 대한 빈혈증을 치료하는 전략을 사용하고 있다. 이러한 과정이 환자의 자가 골수줄기세포에 적용 되면 장기적인 치료 효과를 기대할 수 있다. 이러한 치료 접근은 HBB 유전자에 일어나는 다양한 돌연변이에 대해서 같은 전략으로 치료가 가능 하다는 장점이 있다. Nuclease-mediated DSB + Gene of interest HDR Safe harbor locus Functional proteins 최근에는 TALEN을 이용한 T세포 수용체 유전자 제거를 통해 타인 유래 CAR-T 세포를 생산하고 이를 혈액암에 사용하는 치료제 개발이 진행되어 유럽에서 올해 임상 진입을 앞두고 있다 동종 항암 T 세포 치료제 Chimeric Antigen Receptor(CAR)는 인공 단백질로 특정 항원을 인식하는 항체 단백질과 면역 T 세포의 활성화에 중요한 단백질 부위가 결합되어 있다. 이를 T 세포에 발현 시키면 T 세포가 효율적으로 암세포의 특정 항원을 인식하여 제거하는 것이 가능하다. 최근 진행된 CAR-T 세포 치료는 다양한 혈액암에 대해 놀라운 치료 효능을 보여 여러 다국적 제약사 및 전문 바이오기업들이 활발하게 개발을 진행하고 있다. 지금 사용되고 있는 CAR-T는 높은 치료 효과를 보이고 있지만, 자가 세포를 이용한 유전자 세포 치료이기에 각 환자별로 독립적인 맞춤 치료제 생산 과정이 필수적으로 요구되며, 이에 따라 높은 약가와 함께 환자가 필요한 시기에 바로 투약을 할 수 없다는 단점이 예상되고 있다. 다른 사람의 T 세포를 이용하는 동종 CAR-T 치료제가 가능하다면 위에서 언급된 단점을 극복할 수 있겠지만 타인의 면역세포가 환자의 체내에 들어가면 심각한 부작용인 이식편대숙주병(Graft-versus-host disease)이 유도된다. 이식편대숙주병은 외부 에서 들어온 면역세포가 특정 표적 세포뿐만이 아니라 환자의 모든 세포를 항원으 로 인식 하여 공격하면서 일어나게 되는데, T 세포가 항원을 인식하는데 중요한 T세포 수용체 (T cell receptor, TCR) 유전자를 제거하면 이식편대숙주병을 막을 수 있다. 2012년 ZFN을 이용하여 이러한 가능성이 실험실 수준에서 시험된 이래 최근에는 TALEN을 이용한 T세포 수용체 유전자 제거를 통해 타인 유래 CAR-T 세포를 생산하고 이를 혈액암에 사용하는 치료제 개발이 진행되어 유럽에서 올해 임상 진입을 앞두고 있다. 유전자가 태어난 후에도 지속적으로 발현되는 특징을 보이고 있는데 이런 사람들은 HBB 유전자에 돌연변이가 있더라도 빈혈증의 증상이 보이지 않거나 약하게 나타나는 것이 알려져 있다. 유전체 교정 기술을 이용하면 망가진 HBB 유전자를 교정 Recombinant AAV virion 그림3. AAV 기반 유전체 교정 치료 개념 Hemophilia A Gaucher Fabry MPSⅡ(Hunter) Others... 유전체 교정 치료 응용의 의의 및 극복할 점 이와 같이 안전한 방식으로 유전정보의 자유로운 활용을 가능하게 하는 유전체 교정 기술은 인간 질병 치료의 새로운 가능성을 열고 있다. 특히 외부에서 새로운 유전자를 도입하여 치료 효과를 유도하는 단순한 유전자 치료에서 벗어나, 기존에 이미 가지고 있던 유전자의 기능을 다양한 방식으로 조절하는 것이 가능하며, 이를 통해 기존의 면역세포 항암 표적항체 전달 항암 면역세포 면역거부반응 유전체 교정 동종이형/성능개선 항암면역세포 그림4. 유전체 교정 기술을 이용한 동종 CAR-T 항암 세포치료 개발 BIOSAFETY VOL.16 NO. 2 25
26 생명과학의 발전과 더불어 축적된 여러 유전자의 기능 및 질병 연관성에 대한 이해가 유전자 제거 방식의 다양한 유전체 교정 치료제 개발을 더욱 촉진시킬 것으로 예상된다 유전자 치료에서는 가능하지 않던 새로운 방식의 치료제가 개발 될 수 있다. 위에서 살펴본 실례에서 볼 수 있듯이 현재 개발되고 있는 유전체 교정 치료법들은 세포에서 표적 유전자의 기능을 제거하는 방식으로 치료효과를 유도하는 경우가 많다. 일면 이는 현재의 수준에서는 원하는 부위에 외부 유전자를 정확히 도입 하거나, 특정 세포의 유전자를 정확히 의도된 형태로 바꾸는 방식의 유전체 교정이 특정 유전자를 망가뜨리는 방식에 비해 기술적으로 어렵기 때문이다. 하지만, 최근의 여러 연구들을 통해서 특정 유전자의 기능이 제한되어 있는 사람이 질병에 저항성을 갖는 경우들이 속속 밝혀지고 있으며, 이를 바탕으로 특정 유전자의 기능을 제한하거나 제거하는 방식의 유전자 치료가 새로운 방식의 치료법으로 활용되고 있다. 따라서 생명과학의 발전과 더불어 축적된 여러 유전자의 기능 및 질병 연관성에 대한 이해가 유전자 제거 방식의 다양한 유전체 교정 치료제 개발을 더욱 촉진시킬 것으로 예상된다. 이와 함께 유전자가위에 의해 유전체의 특정 위치에 도입된 DNA 절단이 세포 내에서 치료 기작에 의해 복구 되는 과정을 조절할 수 있는 기술이 개발된다면 외부 치료 유전자의 도입 또는 유전 정보의 정교한 교정이 가능해져 특정 유전자의 기능을 원하는 대로 조절할 수 있게 될 것이다. 따라서 이러한 유전자 교정 효율을 향상시키는 기술의 개발이 앞으로 중요한 과제가 될 것이다. 유전체 교정 기술은 특정 유전체 위치에서의 유전정보 교정을 극대화하기 위해 유전자가위를 활용하기 때문에 이를 치료 목적 으로 활용하기 위해서는 적합한 유전자가위를 선택하는 것이 매우 중요하다. 이 유전자가위의 선택에는 표적 위치를 얼마나 잘 절단하는지에 대한 효율성이라는 측면과 함께 유전체 상에서 다른 곳이 아닌 표적하는 위치만을 절단하는 특이성이 함께 고려되어야 한다. 특히 특이성은 유전자가위라는 새로운 인공적 분자도구의 활용에 있어서 치료제의 안전성 측면과 밀접히 연결 되기 때문에 이를 잘 이해하고 향상시킬 수 있는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 마지막으로, 각국의 치료제 규제 및 허가 기관에서 유전자가위에 대해 어떠한 가이드라인을 가지고 있는지에 대한 이해를 기반 으로 유전자가위를 토대로 한 유전체 교정 치료를 어떻게 바라 보고 이에 대한 명확한 기준을 제시할 것인지에 대한 선재적인 대 비가 중요할 것이다. 유전체 교정 기술은 이미 생명과학 분야의 보편적 기술로 자리 잡고 있으며, 이의 치료용 활용 역시 급속 도로 늘어날 것이 분명해 보인다. 앞서 살펴본 선례에서 언급된 1세대 또는 2세대 유전자가위를 이용하는 유전체 교정 치료제 임상시험 4~5건이 미국 및 유럽에서 2015년~2016년에 걸쳐 시작될 것이며, 최신 기술인 CRISPR/Cas9 3세대 유전자가위 기술을 바탕으로 한 유전체 교정 치료 또한 선진국에서는 2016~2017년에 걸쳐 임상에 돌입할 것으로 예고되고 있다. 한국은 유전체 교정 기술 개발의 측면에서는 세계적인 선두 수준을 유지하여 왔으나 유전체 교정 치료제의 임상적 개발은 해외에 비해 수년 이상 뒤쳐져 있는 것으로 보인다. 하지만 유전체 교정 치료제의 경우 여전히 세계적으로 초기 단계에 있기에 국내 연구/산업계 및 정부기관의 유기적인 협력을 통해 새로운 치료 기술을 선도할 수 있다면 국내 생명과학 산업이 한 단계 발전하는 중요한 계기가 될 수 있을 것으로 기대한다.