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유전자를 절단하지 않아도 염기교정이 가능한 초소형 고효율 유전자가위 기술 개발
연구책임자 : 김용삼
작성일 : 2022-08-16
조회수 : 481

유전자를 절단하지 않아도 염기교정이 가능한 초소형 고효율 유전자가위 기술 개발

- 유전자가위의 크기를 대폭 줄여 단일 아데노연관바이러스로 전달 가능한 초소형 염기교정 기술 개발…유효성과 안전성 동시에 갖춰
- DNA 절단 없이 염기교정이 가능하여 단일 염기변이 유전질환 치료제 개발에 활용 기대


□ 국내 연구진이 체내 다양한 장기에 보낼 수 있는 초소형 염기교정 유전자가위를 개발했습니다.

□ 한국생명공학연구원(원장 김장성) 유전자교정연구센터 김용삼 박사팀과 연구원 창업기업인 ㈜진코어(대표 김용삼)는 교정효율을 대폭 높인 초소형 유전자가위 기술 개발에 성공하였습니다.

□ 유전자가위 기술은 유전 정보가 들어있는 유전체에서 특정 염기서열을 인식한 후 해당 부위의 DNA를 제거 또는 삽입하거나 대체하는 기술로, 2020년 노벨화학상을 받은 크리스퍼(CRISPR) 기술이 가장 대표적입니다.

 ㅇ 크리스퍼 기반의 유전자가위는 크게 절단해야 할 부위를 알려주는 가이드 RNA와 실제 DNA를 절단하는 효소로 구성되며, 이를 전달체에 실어 필요한 곳까지 운반하여 유전자를 편집하게 됩니다.

□ 전달체로는 아데노연관바이러스(AAV, Adeno Associated Virus)나 지질 나노입자(LNP, Lipid Nano Particle)를 사용합니다.

 ㅇ 아데노연관바이러스 전달체는 다양한 체내 장기에 유전물질을 전달할 수 있지만, 현재까지 개발된 유전자가위의 크기가 큰 탓에 크리스퍼 유전자 편집 도구를 전달하는 데 기술적 한계가 있었습니다.

 ㅇ 지질 나노입자의 경우, 크기가 큰 유전자의 전달체로 이용할 수 있지만 도달할 수 있는 체내 장기가 간 정도로 매우 한정적인 단점이 있습니다.

□ 유전자치료의 혁명으로 일컬어지는 유전자가위 기술은 가파른 성장세에도 불구하고, 교정 성공률과 안전성 등에서 한계가 있다고 지적되고 있습니다.

□ 이러한 단점들을 극복하고 효율과 정확성을 충족한 기술을 확보하기 위해 전 세계적으로 다양한 연구가 진행되고 있는데, 그중 하나가 염기교정 유전자가위(Base Editor) 입니다.

 ㅇ 기존 절단 기반의 유전자가위는 유전질환 원인의 50%에 해당하는 것으로 알려진 점 돌연변이(point mutation)의 교정에 적용하기가 어려웠습니다. 

 ㅇ 점 돌연변이는 유전자 서열 중 한 개의 염기가 바뀌어 유전질환을 유발하는 것으로 해당 유전자를 제거하기보다는 다른 유전자로 바꾸어 주는 염기교정이 치료에 보다 효과적입니다.

□ 이에 연구팀은 아데노연관바이러스를 전달체로 이용하면서도 염기교정이 가능하도록 유전자 교정 효율을 대폭 높인 유전자가위 기술을 개발하였습니다.

 ㅇ TnpB라는 단백질의 유전자 편집 도구로서의 적용 가능성을 발견하여 이를 DNA 절단효소로 활용하고, 기존에 개발한 가이드 RNA와 결합하여 아데노연관바이러스에 실을 수 있는 유전자가위를 개발하였습니다. 이를 통해 그동안 문제가 되어 왔던 제한적인 전달 크기의 문제를 극복하였으며, DNA 절단 없이도 유전자 교정이 가능하게 하였습니다.

 ㅇ 또한, 두 개의 가이드 RNA를 사용할 수 있도록 하여 다중 타겟을 동시에 염기교정할 수 있게 하였으며, 동일한 타켓인 경우 교정효율을 대폭 향상시켰습니다.

□ 개발된 기술은 실제 동물모델에서 아데노연관바이러스를 통한 전달이 가능하고, 원하는 부위에서 교정이 가능함을 확인하여 기존의 유전자가위로 접근할 수 없었던 염기변이에 의한 유전질환 치료에 대한 적용 가능성을 높였습니다.

□ 특히, 해당 연구팀과 진코어는 2021년 DNA를 절단할 수 있는 초소형 유전자가위 기술인 CRISPR-Cas12f GE 시스템을 개발하여 세계적 저널인 '네이처 바이오테크놀로지'(Nature Biotechnology, IF 54.908)에 게재한 바 있으며, 

 ㅇ 이번 DNA 절단을 일으키지 않으면서도 교정을 할 수 있는 염기교정 유전자가위 기술을 개발함으로써 고효율 크리스퍼 유전자가위 기술을 확보할 수 있게 되었습니다.

□ 연구책임자인 김용삼 박사는 “유전자치료제 개발에 사용할 수 있는 가장 적합한 기술인 초소형 유전자가위 기술들을 개발했고, 특히 이번에 개발한 초소형 염기교정 유전자가위는 유전질환의 원인 중 50% 이상을 차지하는 단일 염기변이를 교정할 수 있는 기술”이라며,

 ㅇ “유전자치료를 위한 다양한 유전자가위 기술 중의 하나로 치료제 개발에 기여할 수 있는 중요한 기술이 되기를 기대한다”라고 밝혔습니다. 

□ 이번 연구는 바이오 분야의 세계적인 저널인 Nature Chemical Biology(IF 16.174) 2022년 8월 2일자 온라인 판에 게재되었습니다.

 ㅇ 논문명 : Hypercompact adenine base editors based on transposase B guided by engineered RNA
 ㅇ 저자정보 : (교신저자) 한국생명공학연구원 김용삼 박사 / (제1저자) ㈜진코어 김도연·정유희 박사

 
< 그림 설명 >

- 그림 1. 초소형 유전자가위 및 염기교정 기술

 기존 유전자가위(CRISPR-Cas9)의 큰 사이즈로 인한 아데노연관바이러스 전달의 어려움과 이를 극복한 초소형 유전자가위 기술(TaRGET) 및 이를 활용한 이번에 개발에 성공한 초소형 염기교정 기술(TaRGET-ABE)

- 그림 2. 초소형 염기교정 유전자가위 모식도

 개발한 초소형 염기교정 유전자가위의 전체 모식도와 교정이 가능한 window를 나타낸 그림

- 그림 3. 초소형 염기교정 유전자가위의 동물모델 적용

 개발한 초소형 염기교정 유전자가위의 동물모델(마우스)에 적용한 모식도. GFP를 통하여 원하는 조직에 전달을 확인했으며, 조직 분석을 통해 실제 염기교정이 발생함을 확인함

- 그림 4. TnpB 기술의 효율 비교

 a) 본 연구팀이 개발한 augment RNA를 사용한 기술과 canonical gRNA를 사용했을 때 효율 차이 비교
 b) TnpB 종류별로 효율을 비교한 데이터, 본 연구팀이 개발한 TaRGET 기술이 월등히 효율이 높음을 증명함

- 그림 5. 초소형 염기교정 유전자가위 오프타겟

 기존에 발표된 염기교정 유전자가위 기술과 개발한 초소형 염기교정 유전자가위 기술의 RNA 오프타겟을 비교한 데이터. 실제 원하지 않은 RNA 에디팅(RNA 오프타겟)이 발생하지 않음을 증명함