한양대 연구팀, DNA 절단없이 대용량 유전자 삽입 기술 개발

황규호 한양대학교 화학과 교수.

한양대학교 화학과 황규호 교수가 공동 제1저자로 참여한 국제공동연구팀이 DNA 이중가닥을 절단하지 않고 최대 1만2100 염기 길이의 DNA를 원하는 위치에 삽입하는 유전자 편집 기술 ‘프라임 어셈블리(prime assembly)’를 개발했다.

미국 하버드 의과대학·보스턴아동병원 연구팀과 공동으로 진행한 이번 연구는 9월 16일 국제학술지 ‘Nature’에 온라인 게재됐다. 논문 제목은 ‘Targeted genomic integration and rearrangement using prime assembly’다.

기존 크리스퍼(CRISPR) 유전자 편집은 DNA 이중가닥을 절단한 뒤 원하는 부위를 편집하는 방식이 주로 쓰인다. 하지만 절단 과정에서 의도하지 않은 변이가 생길 수 있고, 새로운 유전자를 삽입하는 상동재조합 방식은 세포 분열에 의존해 치료용 세포 등에 적용하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 시험관에서 여러 DNA 조각을 연결하는 ‘깁슨 어셈블리(Gibson assembly)’에서 착안해 이와 유사한 DNA 조립 과정을 살아 있는 세포 안에서 구현했다.

표적 부위 양쪽의 DNA 한 가닥에 각각 흠집을 내 짧은 단일가닥 영역을 만든 뒤, 이 부위와 결합하도록 설계된 공여 DNA를 넣는 방식이다. 이후 세포의 복구 효소가 DNA 사이의 틈을 메우면서 여러 DNA 조각이 연결된다.

이를 통해 연구팀은 최대 1만2100 염기의 DNA를 원하는 유전체 위치에 삽입했다. 삽입 부위를 분석한 결과 대부분 설계한 서열대로 연결됐으며, 이중가닥 절단 방식에서 나타날 수 있는 접합부 변이도 적게 관찰됐다고 연구팀은 설명했다.

프라임 어셈블리는 대용량 DNA 삽입뿐 아니라 유전체 구조를 크게 바꾸는 데도 활용됐다. 연구팀은 최대 100만 염기 규모의 결손과 역위를 구현했으며, 세포 분열을 멈춘 세포와 휴지기 T세포에서도 유전자 편집이 이뤄지는 것을 확인했다.

황 교수는 대규모 유전자 편집 결과를 분석하는 프로그램 ‘크리스퍼룽고(CRISPRLungo)’도 제1저자로 개발했다. 관련 연구는 지난 8월 20일 ‘Nature Biomedical Engineering’에 게재됐다.

크리스퍼룽고는 긴 DNA 서열을 한 번에 읽는 롱리드 시퀀싱 데이터를 활용해 대규모 삽입·결손·역위 등 유전자 편집 결과를 유형별로 구분하고 정량하는 분석 기술이다.

연구팀은 이 프로그램을 기존 겸상적혈구빈혈 치료 연구 데이터에 적용해 기존 분석에서 발견되지 않았던 역위 변이를 확인했다. 별도의 프로그램 설치 없이 웹브라우저에서 사용할 수 있도록 설계한 것도 특징이다.

황규호 교수는 “이중가닥 절단 없이 큰 유전자 서열을 삽입할 수 있는 방법을 제시했다”며 “편집 기술과 함께 그 결과를 정확히 분석하는 기술도 지속해서 발전시키겠다”고 말했다.

한편 크리스퍼룽고 연구는 한국연구재단 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.

김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr