DNA '가위' 대신 '연필'로…인간배아 유전자 정밀 분석·부작용 감소

DNA를 자르는 '가위' 대신 한 글자씩 고쳐 쓰는 '연필' 방식의 유전자 편집 기술이 인간배아 초기 발달 연구에 적용돼, 기존 기술보다 부작용을 줄이면서 유전자 기능을 정밀하게 분석할 수 있는 가능성을 확인했다.

국가생명공학정책연구센터는 17일 발간한 'BioINwatch'에서 9일(현지시간) 네이처 뉴스앤드뷰스(Nature News & Views)를 인용해 이같이 소개했다.

인간 초기 발달 연구는 불임·보조생식, 유전질환, 재생의학의 기초 원리를 이해하는 데 중요하다. 그러나 초기 포유류 발생 지식 상당수가 마우스 배아 연구에서 나와 인간 배아와의 차이로 적용에 한계가 있었다.

기존 크리스퍼-카스9(CRISPR-Cas9)은 DNA 이중가닥을 절단한 뒤 세포 복구 기전을 이용한다. 이 과정에서 큰 DNA 결실, 염색체 구조 이상, 서로 다른 편집 결과를 가진 세포가 섞이는 모자이크 현상 등이 발생해 정밀한 해석을 어렵게 했다.

이에 연구진은 DNA를 자르지 않고 특정 염기만 바꾸는 염기편집(Base editing)을 인간배아에 적용했다. 이번에 활용한 아데닌 염기편집기(ABE)는 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 바꿔 원하는 단일염기 변이를 유도한다.

보워(Bower) 연구진은 NANOG 유전자를 정밀 편집해 이 유전자가 인간 초기 발달에서 상배엽 형성에 필수적임을 규명했다. NANOG가 교란된 인간 배아줄기세포는 다능성의 분자적 특징을 잃고 줄기세포 상태를 유지하지 못했다.

같은 방법을 인간배아에 적용한 결과 NANOG 기능이 없어도 배반포 형성 자체는 가능했지만 상배엽 형성은 저해됐다. 연구진은 마우스와 달리 원시내배엽 형성에는 NANOG 기능을 보완하는 인간 특이적 분자기전이 존재할 가능성을 시사했다.

예라벡(Jerabek) 연구진은 인간배아에서 PCSK9, HBG1, HBG2 유전자를 표적으로 아데닌 염기편집의 효율성과 안전성을 분석했다. 염기편집기를 단백질 형태로 수정란에 직접 전달하면 일관된 편집이 가능했고, 배반포 발달을 방해하지 않으면서 표적 유전자의 두 대립유전자 모두에 원하는 변이가 도입됐다.

반면 염기편집기를 mRNA 형태로 전달하면 다수 배아가 초기 발달 단계에서 정지했다. 연구진은 편집기 자체뿐 아니라 전달 방식도 중요한 변수라고 평가했다.

이번 연구는 어떤 유전자가 정상적인 인간배아 발달에 필수적인지, 인간 발생이 다른 동물과 어떻게 다른지 등을 직접 연구할 수 있는 가능성을 제시했다. 향후 불임 치료와 보조생식, 재생의학의 기초지식을 넓히는 데 기여할 것으로 기대된다.

다만 단백질 형태의 염기편집을 적용한 경우에도 일부 배아에서 염색체 이상, 비표적 편집, 모자이크 현상이 관찰됐다. 인간배아 염기편집은 임상적으로 활용하기에는 정밀성과 전달 효율 측면에서 추가 기술개선이 필요한 단계다.

특히 편집된 인간배아가 출생으로 이어지면 변이가 다음 세대로 전달되는 유전 가능한 생식세포계열 편집이 된다. 연구진은 현재 인간배아 염기편집의 가장 적절한 활용은 임상적 유전자 교정이 아니라 적절한 윤리적 틀 안에서 인간 생명의 초기 발달 원리를 규명하는 기초연구 도구라고 강조했다.