미토콘드리아 DNA, 더 다양하고 정확히 교정한다..IBS, 새로운 DNA 염기교정 기술 개발

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 유전체 교정 연구단(단장 김진수) 연구팀은 새로운 핵 및 미토콘드리아 DNA 염기교정 기술인 '징크핑거 염기교정효소(ZFD, Zinc Finger Deaminase)'개발에 성공했다.

미토콘드리아는 에너지를 만들어내는 세포 내 소기관이다. 미토콘드리아 DNA에 변이가 일어나면 시력·청력 뿐 아니라 중추신경계·근육·심장 등에 치명적인 결함을 야기한다. 미토콘드리아 질환은 5000명 중 한 명 꼴로 발생하는 비교적 흔한 유전질환이다. 그러나 현재 유전체 교정 기술로 널리 활용되는 크리스퍼 유전자가위(CRISPR-Cas9)로는 미토콘드리아 DNA 교정이 불가했다. 2020년 세균 유래 DddA 탈아미노 효소와 탈이펙터 단백질을 이용한 새로운 염기교정효소 DdCBE가 개발되었다. 이는 유일한 미토콘드리아 DNA 염기교정 기술이었다.

연구진은 기존의 DddA 탈아미노 효소와 징크핑거 단백질(Zinc finger protein)을 융합하여 새로운 핵 및 미토콘드리아 DNA 염기교정 기술인 '징크핑거 염기교정효소'를 개발했다. 징크핑거 단백질은 기존에 사용된 탈이펙터 단백질보다 크기가 절반 이상 작아 다양한 구조로 디자인할 수 있고 활용이 용이하다. 세포투과 능력이 있어 핵산 없이도(nucleic acid-free) 유전체 교정이 가능한 장점도 있다.

연구진은 우선 24개의 ZFD 구조 쌍을 제작하여 최적의 구조를 찾아냈다. 이어 ZFD를 이용해 핵 및 미토콘드리아 DNA의 시토신/구아닌(C/G) 염기쌍을 티민/아데닌(T/A)으로 치환하는 데 성공했다. 개발한 ZFD나 ZFD-DdCBE 하이브리드(ZFD-DdCBE hybrid)를 사용하면, 기존의 DdCBE만으로는 만들 수 없었던 변이를 다양하게 유도할 수 있다. 나아가 징크핑거 단백질을 개량하거나 전달 형태에 변화를 줌으로써 비표적 효과(off-target)를 개선하여 정확성을 획기적으로 높였다.

김진수 단장은 “앞으로 미토콘드리아 질환을 비롯한 난치병 연구 및 치료 뿐 아니라 식물의 엽록체 DNA 등 다른 소기관의 DNA 교정에도 다양하게 활용될 것”이라며 “ZFD는 작은 크기 덕분에 세포 전달에 많은 이점이 있는 만큼 여러 기술들과 접목하여 활용도가 클 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구결과는 생물학 분야의 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature communications, IF 14.919) 1월 18일자 온라인 판에 게재되었다.

김영준기자 kyj85@etnews.com