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[바이오토픽] 드디어 올 것이 왔다: CRISPR, 생존가능 인간배아의 질병초래 유전자 교정 성공
생명과학 양병찬 (2017-08-03)
미국의 슈크라트 미탈리포프 박사, 한국의 김진수 박사. 유전자편집 실험은 과학적·윤리적 경계를 넘어설 수 있을까?

이번 연구의 주역들. 좌로부터 후안 카를로스 이스피수아 벨몬테(소크 연구소), 슈크라트 미탈리포스(OSHU), 김진수(IBS 유전체 교정연구단)
이번 연구의 주역들. 좌로부터 후안 카를로스 이스피수아 벨몬테(소크 연구소), 슈크라트 미탈리포프(OSHU), 김진수(IBS 유전체 교정연구단) / @ Cetus News

한 다국적 연구팀이 비교적 쉽고 정확한 유전자편집 기술인 CRISPR–Cas9을 이용하여, 생존가능 인간배아(viable human embryo) 수십 개에서 질병을 초래하는 변이를 교정했다. 이번 연구에서는 기존의 연구들에 비해 효율과 정확성이 유의하게 향상되었다.

연구진은 MYBPC3라는 유전자의 변이를 겨냥했다. 이 변이는 심근을 두껍게 하는 비대심근병증(hypertrophic cardiomyopathy)을 초래하는데, 이 질병은 젊은 운동선수들의 돌연사를 초래하는 주요 원인으로 알려져 있다. 이 변이는 우성(dominant)인데, 이는 부모 중 한 명에서만 변이 유전자를 물려받아도 그 영향을 경험할 수 있음을 의미한다.

8월 2일 《Nature》에 실린 유전자편집 실험에서(참고 1), 해당 배아들은 착상(implantation)이 의도되지 않았다.

또한 연구진은 CRISPR–Cas9을 인간의 유전치료에 적용하는 데 있어서 걸림돌로 작용하던 안전성 문제 두 가지를 해결했는데, 하나는 추가적이고 예기치 않은 유전자 변화(비표적 변이)이고, 다른 하나는 하나의 배아에 상이한 시퀀스를 가진 세포들이 혼재하는 모자이크 현상(mosaicism)이다. 연구진에 의하면, 그들은 비표적 변이의 증거를 전혀 발견하지 못했으며, 58개의 배아 중에서 모자이크를 형성한 것이 단 하나뿐이었다고 한다.

1. 가능성 있는 유전자편집 연구들

중국의 여러 연구팀들이 이미 "CRISPR–Cas9을 이용하여 인간배아의 질병관련 유전자를 바꿨다"고 보고한 바 있다(참고 2). 또한 스웨덴과 영국에서는 이 기술을 이용하여 인간 배아발달의 초기단계들을 연구하고 있는데(참고 3), 그 연구들은 초기 유산의 원인을 밝혀냄과 동시에, 생식생물학과 발생생물학의 기본적인 사항들을 이해하는 것을 목표로 하고 있다.

이번 연구를 위한 배아 실험은 미국에서 수행되었으며, 그 지휘자는 오리건 보건과학대학원의 생식생물학 전문가 슈크라트 미탈리포프 박사였다. 미국에서는 인간배아와 관련된 연구에 연방자금 지원을 허용하지 않지만, 사적(私的) 기부자에게 연구비를 지원받을 경우 불법은 아니다.

지난 2월, 미 과학·공학·의학 아카데미가 발표한 영향력 있는 보고서에서는 "과학자들에게 연구 목적의 인간배아 유전자 편집을 허용해야 한다"는 결론을 내렸다(참고 4). 또한 동(同) 보고서에서는 "심각한 질병을 치료하는 게 목적이거나 다른 대안이 없을 경우, 궁극적으로 착상용 배아편집 기술 사용이 용납될 수 있다"고 밝혔다.

2. 안전성 조치

미탈리포프가 이끄는 연구진은 CRISPR의 안전성을 향상시키기 위해 다단계 조치를 취했다. CRISPR 시스템은 Cas9라는 효소(유전자가위)를 필요로 하는데, 이것은 가이드 RNA(gRNA)가 겨냥하는 부위의 유전체를 절단한다. 유전체 편집을 원하는 연구자들은 전형적으로  CRISPR 요소가 코딩된 DNA를 세포에 삽입한 다음, 세포의 기구에 의존하여 필요한 단백질과 RNA를 생성한다. 그러나 미탈리포프가 이끄는 연구진은 달랐다. 그들은 Cas9 단백질 자체를 gRNA와 결합하여 세포에 직접 주입하는 전략을 구사했다(참고 5).

"Cas9 단백질은 그것을 코딩하는 DNA보다 신속하게 붕괴하므로, DNA를 절단할 시간여유가 별로 없다"라고 한국 기초과학연구원(IBS)의 유전체 교정연구단장으로 이번 연구에 공동저자로 참여한 김진수 박사는 말했다. "반면에 Cas9은 신속히 붕괴하는 만큼 비표적 변이가 축적될 시간도 별로 없다"라고 그는 덧붙였다.

하지만 아무리 그렇더라도, 김 박사에 의하면  CRISPR–Cas9의 오류율은 표적(겨냥되는 DNA 시퀀스)에 따라 달라질 수 있다고 한다. 특히 MYBPC3 유전자의 변이는 비표적 절단의 가능성이 비교적 낮을 것으로 예상되었다.

그러나 이번 연구가 비표적 변이의 우려를 완전히 잠재운 것은 아니다. 매사추세츠 종합병원에서 유전자편집을 연구하는 케이스 정 박사에 따르면, 연구진이 비표적 변화를 발견하지 못했다고 해서 그게 존재하지 않는다고 장담할 수는 없다고 한다. "이번 연구에서는 가장 광범위한 비표적 효과 검사를 행했지만, 이번 환경에서 비표적 효과가 발생했는지 여부를 확실히 확인하려면 좀 더 많은 연구가 필요하다"고 그는 지적했다.

3. 모자이크 최소화

또한 연구진은 난자를 수정시키기 위해 정자를 주입할 때, 그와 동시에  CRISPR–Cas9 요소를 주입함으로써 모자이크의 위험을 감소시키려 노력했다. CRISPR–Cas9 요소의 주입시점은 선행연구보다 배아발생단계가 앞선 것이며(참고 6), 마우스의 배아를 이용한 연구결과에 따르면 부친의 유전체를 겨냥할 때 모자이크를 제거할 수 있었다고 한다(참고 7).

미탈리포프가 이끄는 연구진은 MYBPC3 변이를 가진 정자와 수정된 58개의 인간배아를 대상으로 이번 연구를 수행했는데, 그중 42개가 두 개의 정상적인 MYBPC3 유전자를 보유하도록 편집되었고, 그중 모자이크는 단 하나였다. 그와 대조적으로, 수정한 지 18시간 후에 CRISPR–Cas9 기구를 도입했더니, 54개의 배아 중 13개가 모자이크인 것으로 나타났다.

"이번 연구가 돋보이는 것은, 모자이크 비율이 낮고 유전자편집 효율이 유례없이 높다는 점이다"라고 《Nature》에 논평을 게재한 스웨덴 카롤린스카 연구소의 프레드리크 란네르 박사(줄기세포생물학)는 말했다(참고 8). "다른 유전자편집 표적에 대해서도 낮은 모자이크율이 적용되는지를 증명하려면 추가적인 테스트가 필요하지만, 이번 연구결과는 당분간 커다란 진보로 받아들여질 것이다"라고 그는 덧붙였다.

란네르 박사의 경우, 발생생물학에 대해 좀 더 많은 것을 배우기 위해 인간 배아의 유전자를 편집하고 있다. 그러나 스웨덴의 경우에는 연구만을 목적으로 배아를 만드는 것이 불법이어서, 궁여지책으로 불임클리닉에서 제공하는 (수정된 난자를 이용해 만들어진) 잉여배아를 사용해야 한다. 따라서 그에게는 미탈리포프 팀과 같은 연구(정자와 함께 CRISPR–Cas9 기구를 도입하는 연구)는 그림의 떡이다.

4. 디자이너 베이비는 아직 힘들다

"이번 논문에 기술된 유전자편집의 효율은 흥미롭다"라고 보스턴 소아병원의 조지 데일리 박사(줄기세포생물학)는 말했다. "이번 연구는 'CRISPR 기술은 임상에서 작동할 가능성이 높다'는 주장에 힘을 실어주지만, 그렇게 단정하기는 아직 이르다."

데일리 박사가 우려하는 것은, 이번 연구가 의사들을 부추겨 완전한 테스트를 거치기도 전에 임상에 적용하려는 마음을 품게 하는 것이다. 그는 비근한 예로, 미토콘드리아 대체요법(MRT: mitochondrial replacement therapy)이라는 실험적 기법을 들었다. MRT는 '세포의 발전소'인 미토콘드리아를 무력화하는 장애를 치료하기 위해 배아를 조작한다. 작년 9월 미국의 한 의사가 멕시코의 불임 클리닉에서 MRT를 수행했다는 뉴스가 세상을 흥분시켰는데(참고 9), 많은 전문가들은 MRT를 임상에 적용할 준비가 아직 안 되었다고 믿고 있다. 그러나 그 뉴스가 보도된 이후, 다른 임상의들도 MRT를 수행한다는 보고가 줄을 잇고 있다(참고 10).

영국 프랜시스 크릭 연구소의 로빈 러벨-배지 박사(발생생물학)도 데일리 박사와 같은 우려를 품고 있다. 그러나 그는 "이번 연구로 인해, 디자이너 베이비(질병초래 변이를 교정하는 게 아니라, 인간적 능력을 향상시키기 위해 유전자가 조작된 어린이)에 대한 걱정이 어쩌면 완화되었을지도 모른다"고 지적한다. 불행 중 다행이라는 생각이 들지만, 왜 그럴까? 이번 연구에서, 미탈리포프 팀은 질병초래 변이(disease-causing mutation)를 다시 쓰기 위한 주형(template)으로 DNA 가닥 하나를 사용했는데, 놀랍게도 배아들은 연구진이 제공한 주형을 사용하지 않았다. 그 대신 배아들은 어머니의 DNA를 가이드로 삼아 아버지의 정자가 보유한 MYBPC3 변이를 복구한 것이다.

"이것은 디자이너 베이비를 향한 일보전진이 아니며, 배아의 유전체에 존재하지 않는 것이 뭐든 첨가될 수 있음을 시사한다"라고 그는 말했다.

【참고】 인간 배아 유전자 편집

a. 유전자편집 시스템인 CRISPR–Cas는 유전자의 변이를 복구할 수 있다. 세 건의 선행연구에서는 in vitro에서 배양한 인간배아에 이 기법을 적용했는데, 정자로 난자를 수정시킨 다음 유전자편집 요소들을 세포 안으로 주입하는 방법을 사용했다. 그 방법 중에는 Cas9라는 효소와 가이드 RNA(gRNA)가 포함되었는데, 이는 편집기구를 유전체 중의 특정 위치(예를 들면, 아버지에게서 물려받은 변이)로 인도하는 역할을 한다. 그러나 편집이 종종 비효율적이어서 후기단계의 배아에 '복구된 부분'과 '복구되지 않은 부분'이 혼재할 수 있는데, 이를 모자이크 현상(mosaicism)이라고 한다.

b. 이번 연구에서는 in vitro에서 배양된 인간 배아를 이용하여, (심장병과 관련된) MYBPC3 유전자를 교정하기 위해 다른 접근방법을 사용했다. 연구진은 유전자편집 요소와 정자를 (MYBPC3 변이가 존재하지 않는) 난모세포에 동시에 주입했는데, 그 시기는 제2 감수분열 중기(metaphase II)였다. 연구 결과, 58개의 배아 중 42개(72.4%)가 MYBPC3 변이를 보유하지 않았으며, 사후분석 결과 어머니의 유전자가 복구의 주형으로 사용된 것으로 밝혀졌다. 이번 연구에 사용된 접근방법은 배아의 유전자를 효과적이고 획일적으로 편집했으며, 편집된 배아들은 배아발생의 나중 단계로 진행했다.


※ 참고문헌
1. Ma, H. et al., “Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos”, Nature (2017); http://dx.doi.org/10.1038/nature23305
2. http://www.nature.com/news/second-chinese-team-reports-gene-editing-in-human-embryos-1.19718
3. http://www.nature.com/news/gene-editing-research-in-human-embryos-gains-momentum-1.19767
4. http://www.nature.com/news/us-science-advisers-outline-path-to-genetically-modified-babies-1.21474
5. http://www.nature.com/news/crispr-tweak-may-help-gene-edited-crops-bypass-biosafety-regulation-1.18590
6. Tang, L. et al. Mol. Genet. Genomics 292, 525–533 (2017); http://dx.doi.org/10.1007/s00438-017-1299-z
7. Suzuki, T., Asami, M. & Perry, A. C. F. Sci. Rep. 4, 7621 (2014); http://dx.doi.org/10.1038/srep07621
8. http://www.nature.com/uidfinder/10.1038/nature23533
9. https://www.nature.com/news/three-parent-baby-claim-raises-hopes-and-ethical-concerns-1.20698
10. https://www.nature.com/news/reports-of-three-parent-babies-multiply-1.20849

※ 출처: Nature 548, 13–14 (03 August 2017) http://www.nature.com/news/crispr-fixes-disease-gene-in-viable-human-embryos-1.22382

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
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