세포 자가포식 이용해 유전자 편집효율 3배 높여…희귀유전질환 치료 제시

화학연, 세포 자가포식 유도해 최대 3배 효율 증가
DNA 손상 복구 시 자가포식 기능 필수적 입증

한국화학연구원은 세포에 자가포식을 유도하는 방식으로 유전자 교정 효율을 3배 높이는 데 성공했다. 화학연 제공

연구진 모습. 화학연 제공

국내 연구진이 세포 내 자가포식 작용을 유도해 원하는 유전자만 정확하게 바꾸는 '유전자 정밀 편집' 효율을 높이는 데 성공했다.

한국화학연구원은 남혜진 박사 연구팀은 조동현·배상수 서울대 의대 교수 연구팀과 공동으로 세포에 자가포식을 유도하는 방법으로 손상된 DNA를 정밀 복구해 주는 '상동 재조합'(HR) 효율을 3배 가량 높였다고 25일 밝혔다.

유전자 가위(CRISPR-Cas9)는 DNA를 자를 수 있는 효소인 'Cas9'을 이용해 유전자를 교정할 수 있느 혁신적 기술이다. 다만 잘린 부위를 붙이는 DNA 복구 과정이 대부분 부정확한 '비상동말단 연결'(NHEJ)방식으로 이뤄지기 때문에 정확하게 유전자를 교정하는 상동 재조합(HR) 효율은 매우 낮다. 이를 높이기 위한 기존 방법들은 독성, 부작용, 적용범위 제한 등의 문제로 한계가 있었다.

비상동말단 연결은 세포가 이중가닥으로 끊어진 DNA를 설계도 없이 바로 이어 붙이는 응급 복구 방식으로, 먼저 복구를 한 뒤 이어 붙이는 과정에서 일부 염기가 빠지거나 순서가 바뀌어 원래 유전자의 기능이 망가질 수 있다.

연구팀은 굶주린 세포는 자가포식 과정에서 DNA 손상 복구에 영향을 미치는 단백질을 분비한다는 점에 착안, 세포가 손상된 성분을 제거·재활용하는 자가포식을 유도해 상동 재조합 효율을 높이는 데 성공했다.

상동 재조합은 외부에서 정상 DNA 조각을 넣어줌으로써 세포가 손상된 DNA를 고칠 때 그 조각을 참고해 정확하게 복구할 수 있도록 돕는 정밀 교정 기술이다.

우선 세포에 영양분이 없는 식염수만 주거나, 세포의 성장 신호 물질 억제제를 투입해 자가포식을 유도하자 DNA 손상 복구에 작용하는 다양한 인자들이 유전자 가위 효소인 카스9 주변에 많이 모여드는 모습이 나타났다.

실험 결과 자가포식이 유도된 세포에서는 HR 편집 효율이 적게는 1.4배에서 최대 3.1배까지 높아진 반면 자가포식 결핍 세포에서는 유전자 정밀 편집 효율에 변화가 없었다. 이는 세포가 정확하게 DNA를 복구하기 위해서는 자가포식 기능이 필수적임을 다시 한번 확인해 주는 결과라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 질병모델 실험에서도 의미있는 결과를 얻었다. 청각장애 유발 유전자인 MPZL2 변이를 보유한 환자 유래 세포에 기술을 적용한 결과, 정상 유전자가 도입된 RNA 발현량이 증가했다.

이어 유효성 검증을 위해 카스9 유전자 가위와 형광 단백질 유전자를 담은 DNA를 생쥐의 망막에 주입한 뒤 자가포식 유도제를 투여한 결과, 유전자 교정이 성공적으로 이뤄져 강한 형광 신호가 확인됐다.

남혜진 화학연 박사는 "자가포식을 활용한 HR 효율 증대는 기존의 여러 유전자 교정 기술의 한계를 극복할 수 있는 획기적인 방법"이라며 "다양한 질환 유전저 교정에 적용할 수 있도록 후속 연구를 통해 기술을 고도화해 나갈 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 생명과학 분야 국제 학술지 '핵산연구(지난 4월)'에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr