국내 연구진 개발한 신기술 활용
비싼 연구용 생쥐 자체 생산 성공절단 전후 구별… 정확도 높아져
줄기세포 치료제 등 활용 기대
기초과학연구원(IBS) 유전체교정연구단 김진수 단장(서울대 화학과 교수) 등 연구진과 서울아산병원 아산생명과학연구원 이상욱·성영훈 교수 연구팀은 제4세대 ‘크리스퍼-Cpf1 유전자 가위’를 만드는 데 성공하고 생명과학 및 화학 분야 국제학술지 ‘네이처 바이오테크놀로지’ 7일자에 논문 3편을 발표했다.
●유전자 가위는 생명과학 ‘마법의 지팡이’
인류는 히포크라테스 시대부터 질병을 정복하기 위해 끊임없는 노력을 해 왔다. 1950년대 이후 분자생물학이 급속히 발전하면서 많은 질병들이 유전자 이상으로 발생한다는 것이 밝혀지고 있다. 이 때문에 과학자들은 단순히 증상을 치료하는 것이 아니라 유전자 자체를 바꿔 질병을 없애려 시도하면서 ‘유전자 치료’ 기술을 본격적으로 연구하기 시작했다.
유전자 치료는 이상이 생긴 세포에 정상 유전자를 삽입하거나 비정상적 유전자를 제거해 정상 유전자로 교체하는 형태로 시행된다. 1990년 미국에서 선천성면역결핍증 환자를 대상으로 인류 첫 유전자 치료가 시도된 뒤 암과 같은 악성 종양을 중심으로 유전자 치료 기술 개발이 활발하다.
유전자 치료 분야에서 현재 가장 주목받고 있는 기술은 ‘유전자 가위’ 기술이다. 이 기술은 화학물질로 만들어진 ‘가위’를 이용해 DNA를 자르고 붙이는 편집을 가능하게 만드는 유전체 교정 기법이다.
유전자 가위 기술은 유전병 치료뿐만 아니라 특정 병균에 강한 식물이나 동물 품종도 만들어 낼 수 있기 때문에 생명과학 분야에서는 그야말로 ‘마법 지팡이’로 통한다. 유전자 가위는 2003년 1세대인 ‘징크 핑거 뉴클레이즈’가 나온 이후 2011년 말에는 2세대 유전자 가위 ‘탈렌’, 2013년 초에는 3세대 ‘크리스퍼-Cas9 유전자 가위’ 기술이 나왔다. 특히 크리스퍼-Cas9 유전자 가위는 김 단장이 미국 연구진과 함께 개발해 낸 기술이다.
크리스퍼-Cas9 유전자 가위에서 쓰이는 Cas9은 특정 DNA 염기를 잘라내는 효소 이름이다. 이번에 새로 개발된 크리스퍼-Cpf1 가위는 Cas9 대신 Cpf1이라는 새로운 절단효소를 붙인 것이다. 사실 Cpf1은 지난해 미국 매사추세츠공과대(MIT) 펑 장 교수가 처음 발견해 학계에 보고했지만 원하는 위치에서 정확히 유전자를 자르고 붙일 수 있는지 여부는 아직까지 알려지지 않았고 유전자 가위로도 만들어지지 않은 상태였다.
이 같은 상황에서 김 단장팀은 자체 개발한 유전체 시퀀싱 기법을 사용해 크리스퍼-Cpf1 유전자 가위와 크리스퍼-Cas9의 오작동 확률을 측정한 결과 크리스퍼-Cpf1 유전자 가위가 더 정밀하다는 사실을 처음으로 밝혀냈다. 유전체 시퀀싱 기법은 유전자 가위 처리 전과 후를 한눈에 파악해 잘린 위치를 구별할 수 있는 기술이다. 특히 이번에 신형 유전자 가위의 성능이 확인됨에 따라 4세대 유전자 가위로 연구자들에게 인정받을 수 있을지 주목된다.
연구팀은 크리스퍼-Cpf1 유전자 가위를 사용해 생쥐의 면역체계에 관여하는 ‘폭슨원’(Foxn1)이라는 유전자를 교정하는 데 성공했다. 폭슨 유전자에 이상이 생기면 면역체계 교란이 생겨 각종 질병에 쉽게 걸리고 털이 자라지 않게 된다. 연구진은 크리스퍼-Cpf1 유전자 가위로 이 유전자를 교정해 정상적인 생쥐를 만든 것이다. 김 단장은 “이번에 개발된 크리스퍼-Cpf1 유전자 가위는 크리스퍼-Cas9에 비해 정확성이 높기 때문에 생명공학이나 분자의학의 여러 분야에서 널리 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
●암 유발·면역 억제 생쥐 만들어내
이와 함께 이상욱·성영훈 교수팀은 크리스퍼-Cpf1 유전자 가위를 이용해 실험 쥐의 특정 유전자 기능을 없애는 ‘유전자 녹아웃’에도 성공했다. 연구팀은 유전자 녹아웃 기술을 이용해 암을 유발하는 생쥐와 면역이 억제된 쥐를 만들어 냈다.
암이나 파킨슨병 등 난치성 질환을 연구하기 위해서는 해당 유전자 변형 동물이 필요한데 국내 대부분의 실험실에서는 시설이나 기술 부족으로 미국이나 일본 등에서 수입해 사용해 왔다. 그렇지만 이번 이 교수팀의 연구 덕분에 한 마리에 수십만원에서 수백만원에 이르는 연구용 유전자 변형 생쥐를 국내에서 자체적으로 생산할 수 있게 됐다.
이 교수는 “생명과학 분야 연구자들의 연구비 중 적지 않은 비용이 동물 모델 수입에 쓰이는데 이번 연구 덕분에 외화 낭비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 기초 분야 연구가 산업으로 바로 연결될 수 있다는 사실을 보여줬다”고 설명했다.
유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr
2016-06-07 25면
