황규호 한양대 화학과 교수. (사진=한양대)
프라임 어셈블리는 기존 기술로는 어려웠던 대용량 유전자 삽입뿐 아니라 최대 100만 염기 규모의 유전체 재배열까지 구현할 수 있는 기술이다. 특히 세포 분열이 활발하지 않은 조건에서도 작동해 향후 유전질환 치료제와 세포치료제 개발에 활용될 가능성을 넓혔다.
기존 크리스퍼(CRISPR) 유전자가위는 DNA 이중나선을 절단해 원하는 부위를 편집하는 방식이 주로 활용돼 왔다. 그러나 절단 과정에서 의도하지 않은 변이가 발생할 수 있고 절단 부위에 새로운 유전자를 삽입하는 상동재조합 방식은 세포가 분열하는 시기에 주로 작동해 혈액줄기세포나 면역세포와 같은 치료용 세포에 적용하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 시험관에서 여러 DNA 조각을 이어 붙이는 분자생물학 기법인 ‘깁슨 어셈블리’(Gibson assembly)‘에서 착안해 이와 유사한 DNA 조립 과정을 살아 있는 세포 안에서 구현하는 전략을 고안했다. 표적 부위 양쪽의 DNA 한 가닥씩에만 흠집을 내 짧은 단일가닥 부위를 만들면 이와 서로 맞물리도록 설계된 공여 DNA가 결합하고 세포가 원래 가지고 있는 복구 효소가 그 틈을 메우면서 DNA 조각들을 하나로 이어 붙이는 방식이다.
연구 결과 최대 1만 2100 염기 길이의 DNA를 원하는 유전체 위치에 삽입하는 데 성공했다. 삽입 부위를 분석한 결과 대부분 의도한 서열대로 DNA가 이어졌으며 이중가닥 절단 방식에서 흔히 발생할 수 있는 접합부 변이도 적게 나타났다.
프라임 어셈블리는 대용량 DNA 삽입뿐 아니라 유전체 구조를 크게 바꾸는 데에도 활용됐다. 연구팀은 최대 100만 염기 규모의 결손과 역위를 유도하는 데 성공했고 분열을 멈춘 세포와 휴지기 T세포에서도 유전자 편집이 이뤄지는 것을 확인했다. 세포 분열에 의존하는 기존 방식과 달리 다양한 상태의 세포에 적용할 수 있다는 점에서 치료 목적의 유전자 편집 기술로 활용 가능성을 제시한 것이다.
황 교수는 이러한 대규모 유전자 편집 결과를 정확하게 분석하는 프로그램 ’크리스퍼룽고‘(CRISPRLungo)도 제1저자로 개발해 지난달 20일 국제학술지 ’네이처 바이오메디컬 엔지니어링‘(Nature Biomedical Engineering)에 발표했다.
황 교수는 “이중가닥 절단 없이 유전자 하나를 통째로 갈아 끼울 수 있게 된 만큼 돌연변이가 제각각인 유전질환에도 하나의 전략으로 대응할 수 있는 길이 열렸다”며 “새로운 편집 기술은 그 결과를 정확히 읽어낼 수 있을 때 비로소 치료로 이어지는 만큼 두 기술을 함께 발전시킬 것”이라고 말했다.
