유전자 편집 위치까지 추적…'공간 기능 유전체학' 시대 열렸다

중국 연구진이 유전자 편집(CRISPR)의 효과를 조직 내 특정 위치와 연관지어 분석할 수 있는 획기적인 기술을 개발했다. 이 기술은 암세포의 면역 회피나 T세포의 종양 침투 과정을 공간적 맥락에서 이해하는 새로운 길을 열었다.

베이징대학교 쩡쩌시엔 교수 연구팀이 칭화대학교, 화다생명과학연구원(BGI)과 공동으로 개발한 공간 크리스퍼 스크리닝 기술 'SPAC-seq'에 대한 연구 결과가 지난 26일 국제학술지 '셀(Cell)'에 게재됐다. SPAC-seq은 유전자 기능과 표현형의 인과관계를 조직 원위치에서 규명하는 공간 기능 유전체학의 새 장을 연 기술로 평가받는다.

기존 크리스퍼 스크리닝은 유전자 변형 후 세포의 변화를 관찰했지만, 이 변화가 조직의 어느 위치에서 일어나는지는 알기 어려웠다. SPAC-seq은 이 한계를 극복해 유전자 교란이 일어난 세포의 위치와 주변 미세환경의 상호작용까지 분석할 수 있다.

연구팀은 크리스퍼 스크리닝에 사용되는 가이드RNA(sgRNA)가 공간 전사체 분석 칩에 포착되기 어렵다는 문제를 해결했다. sgRNA 서열을 고발현 mRNA 전사체에 삽입하는 새로운 벡터 시스템을 설계해, mRNA와 함께 sgRNA가 안정적으로 검출되도록 했다. 이 방식은 기존 기술 대비 생쥐 원대 세포 감염 효율을 38배, sgRNA 검출량을 9배 높였다.

연구팀은 SPAC-seq의 활용 가능성을 세 가지 동물실험 모델을 통해 입증했다. 첫 번째로, 종양 전이 과정에서 면역 회피가 일어나는 기전을 분석했다. 그 결과, 면역 상호작용 유전자인 'ICAM1'이 결손된 암세포가 면역세포가 없는 배타적 미세환경에 자리를 잡는 경향을 확인했다. ICAM1 결손은 T세포 침투를 줄이고 면역 억제성 M2형 대식세포를 늘려 종양의 면역 회피를 도왔다.

두 번째 연구에서는 T세포의 종양 침투에 영향을 미치는 유전자를 탐색했다. 연구팀은 대식세포가 분비하는 'SPP1' 단백질이 T세포 표면의 'CD44' 수용체와 결합해 T세포 기능을 억제하는 'SPP1-CD44' 신호 축을 발견했다. 실제로 생쥐 모델에서 T세포의 'Cd44' 유전자를 제거하거나 SPP1 항체를 투여하자 항암 면역 반응이 강화됐다. 이는 SPP1-CD44 축이 새로운 암 면역 치료 표적이 될 수 있음을 시사한다.

마지막으로 T세포의 종양 내 공간 분포를 결정하는 요인을 밝혔다. 연구 결과, 전사 인자 'BHLHE40'와 케모카인 신호 축 'CXCR4-CXCL12'가 길항적으로 작용해 T세포의 위치를 조절하는 것으로 나타났다. BHLHE40이 결손된 T세포는 종양 가장자리에 머물러 핵심부로 침투하지 못했다.

연구팀은 "SPAC-seq과 분석 툴킷 'TARDIS'는 공간 면역학, 종양 생물학, 발생 생물학 등 여러 분야의 발전을 이끌 것"이라며 "특정 공간 환경에서 유전자가 어떻게 기능하는지 이해하는 새로운 연구 패러다임을 제공할 것"이라고 밝혔다.