새로운 CRISPR 시스템 발견, 유전자 편집 정밀도 향상

우리를 독특하게 만드는 것은 무엇일까요? 대부분과는 다르면서도 몇몇과는 비슷한가요? 우리의 신체적, 행동적, 그리고 심지어 정신적 구성은 무엇에 의해 형성될까요? 답은 우리의 유전자에 있습니다.

부모에게서 자손에게 전달되는 유전자는 신체적 및 생물학적 특성을 지정하는 정보를 담고 있습니다.

하지만 그것이 전부는 아닙니다. 유전자는 질병의 원인이 되기도 합니다. 결함이 있는 유전자는 선천적 결함, 만성 질환, 혹은 발달 문제 등 다양한 문제를 일으킬 수 있습니다.

이를 해결하는 고도로 진보된 방법은 유전자 또는 게놈 편집이며, 이를 통해 과학자들은 DNA를 정밀하게 변경할 수 있습니다. 유전자 편집은 특정 위치에서 유전 물질을 추가, 제거 또는 변형하는 것을 포함합니다.

DNA에 대한 이러한 특정하고 표적화된 변화는 신체적 특성이나 질병 위험을 변화시킬 수 있습니다.

이 기술은 결함이 있는 유전자를 교정하여 유전 질환을 치료하는 데만 사용되는 것이 아니라, 새로운 치료법을 개발하고 유전자 기능에 대한 깊은 이해를 얻는 데에도 활용됩니다. 또한, 식물의 DNA를 정밀하게 변경하여 작물을 개선할 수 있습니다. 널리 알려지고 널리 사용되는 유전자 편집 기술은 박테리아의 자연 방어 시스템을 기반으로 한 CRISPR-Cas9입니다.

CRISPR-Cas9은 CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)에서 유래했으며, 이는 박테리아가 바이러스 DNA를 인식하고 파괴함으로써 바이러스 감염으로부터 방어하는 면역 시스템입니다.

이 시스템에서 CRISPR은 유전적 표적 장치 역할을 하고, 단백질인 Cas9은 특정 위치에서 DNA를 절단하는 분자식 ‘가위’ 역할을 합니다. 이전의 유전자 편집 기술보다 더 간단하고, 저렴하며, 정밀합니다.

CRISPR-Cas9 기술을 기반으로 한 게놈 편집 방법이 실제로 2020년 화학 분야 노벨상을 수상했습니다. 이는 역사상 처음으로 두 여성에게 노벨상이 수여된 사례였습니다.

CRISPR: 현대 생물학을 유전자 편집으로 혁신

CRISPR은 수십 년 전 처음 확인되었습니다. 1987년, 오사카 대학의 이시노 요시즈미와 팀은 (E. coli) 박테리아 게놈에서 이를 관찰했습니다. 그러나 2000년대 초에야 CRISPR이 박테리아 면역 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다.

최근 몇 년간 이 기술은 크게 발전했으며 현대 생물학을 변화시키고 있습니다.

그 한 예로 CRISPR–Cas9을 사용해 인간 배아 세포를 수정함으로써 유전적 변화를 미래 세대에 전달할 수 있게 한 경우가 있습니다. 이는 널리 비판받고 있으며, 유전적 변형을 금지하자는 목소리가 있습니다.

이 외에도 CRISPR–Cas9 및 관련 기술은 생명을 위협하는 질병을 치료하는 데 성공적으로 활용되고 있습니다.

올해 첫 3개월만에 여러 연구자들이 CRISPR을 이용해 여러 돌파구를 이뤄냈습니다.

이달 초, Colossal Biosciences의 과학자 팀은 ‘털이 긴 쥐’—멸종된 털복숭이 매머드와 유사한 긴 털을 가진 쥐—를 만들었습니다. 이들은 털 성장, 색, 질감과 관련된 7개의 유전자를 동시에 편집했습니다.

팀은 매머드 외에도 티라노사우루스와 도도새 등 여러 복원 프로젝트를 진행 중이며, 매머드가 대표 프로젝트입니다. 이 모든 프로젝트는 멸종된 종과 가까운 종의 줄기세포를 채취한 뒤, 멸종 종의 게놈을 기반으로 변화를 편집하는 방식입니다. 이를 위해 연구진은 CRISPR/Cas9 및 CRISPR/Cas 시스템의 변형을 사용했습니다.

지난 달, MIT McGovern 뇌 연구소와 MIT·Harvard Broad Institute의 과학자들이 발견한¹ 고대 RNA 가이드 시스템은 게놈 편집 도구 상자를 확장하고 유전자 편집 치료제 전달을 단순화할 수 있습니다.

이 시스템들은 TIGR(탠덤 인터스페이스 가이드 RNA)이라고 불리며, 어떤 DNA 서열에도 표적을 맞추도록 재프로그래밍할 수 있습니다. 또한, 목표 DNA에 작용하는 별개의 기능 모듈을 가지고 있습니다. 모듈성 외에도 TIGR은 매우 컴팩트합니다.

MIT 신경과학 교수인 Feng Zhang에 따르면, 그의 팀은 이전에 박테리아 CRISPR 시스템을 유전자 편집 도구로 전환하고 다양한 프로그래머블 단백질을 발견했습니다.

“이 시스템은 다양한 기능을 갖춘 매우 다재다능한 RNA 가이드 시스템입니다.” 

그들의 최신 연구에서는 CRISPR-Cas9 단백질이 효소의 RNA 가이드와 결합하는 구조적 특징에 초점을 맞췄습니다. 그들은 20,000개가 넘는 다양한 Tas 단백질을 발견하고 수십 개를 실험했으며, 일부는 인간 세포의 DNA를 표적 절단하도록 프로그래밍될 수 있음을 입증했습니다. 이제 이들은 TIGR-Tas 시스템을 프로그래머블 도구로 개발할 계획입니다.

과학자들은 세포 수준에서 삼염색체를 교정하기 위해 유전자 편집을 탐구하고 있습니다. 최근 CRISPR-Cas9을 사용해 다운증후군 세포주에서 21번 염색체의 여분 복제본을 성공적으로 제거하여 정상적인 유전자 발현을 회복했습니다.

다운증후군은 21번 염색체가 한 개 추가로 존재할 때 발생합니다. 이 질환은 약 700명 중 1명에게 발생하며, 조기에 쉽게 진단되지만 현재 치료법은 없습니다.

하지만 최근 실험실에서 배양된 세포에서 이룬 돌파구는 삼염색체 21 세포주에서 여분의 염색체를 제거했으며, 이는 다능성 줄기세포와 피부 섬유아세포에서 유래한 것으로, 두 개의 동일한 복제본 대신 각 부모로부터 한 개씩만 남게 했습니다.

비록 살아있는 유기체에 바로 적용하기는 아직 이르지만, 신경세포와 교세포에 적용될 가능성을 시사합니다.

또 다른 사례로, 중국 과학자들은 뎅기열과 같은 치명적인 바이러스를 이용해 효율성과 안전성을 높인 보다 안전한 유전자 편집 시스템을 구축했습니다. 이 시스템은 mRNA를 사용해 외부 DNA가 남아 원치 않는 돌연변이를 일으키는 위험을 피합니다.

연구팀에 따르면 최적화된 mRNA 전달 시스템은 “식물에서 트랜스젠이 없는 게놈 편집의 유연성과 적용성을 높인다”고 합니다.

따라서 유전자 편집 기술은 인간 생물학뿐 아니라 식물 DNA를 수정해 높은 수확량과 같은 바람직한 형질을 강화함으로써 농업도 혁신했습니다.

이번 달에 Johns Hopkins University와 Cold Spring Harbor Laboratory의 과학자들은 과일 크기를 결정하는 핵심 유전자를 발견했습니다. 이 유전자는 CRISPR로 제어할 수 있어 더 크고 풍미가 좋은 작물을 만들 수 있는 길을 열었습니다.

이 연구는 감자, 가지, 토마토 등 22종의 가지과 작물 전체 게놈을 매핑해 그들의 유전 형질을 이해하고 향상시키려는 광범위한 이니셔티브의 일환입니다.

“유전자 편집을 하면, 한 알의 씨앗만으로도 혁명을 시작할 수 있습니다.”

– 공동 책임 저자 Michael Schatz, Johns Hopkins University 유전학자

이 모든 발전은 기술이 얼마나 진보했는지를 보여주지만, 이는 시작에 불과합니다. Duke University와 North Carolina State University의 연구자들은 기존 유전자 편집 기술의 능력을 더욱 향상시키는 새로운 CRISPR-Cas 시스템을 발견했습니다.

CRISPR-Cas9에 대해 모두 알아보려면 여기를 클릭하세요. 

CRISPR 진보: 새로운 시스템이 유전자 편집 정밀도를 향상시킵니다

CRISPR-Cas 시스템이 박테리아에서 처음 발견된 이후, 수많은 오소로그가 확인되었습니다. 오소로그는 공통 조상 유전자로부터 종분화 과정을 통해 진화한 유전자로, 서로 다른 종에 존재하며 동일한 기능을 유지할 가능성이 있습니다.

현재까지 최소 6가지 유형과 33개의 하위 유형의 오소로그가 특성화되었으며, 그 중 type II 시스템이 바이오테크놀로지와 생의학 연구에서 가장 널리 사용됩니다. 이 type II 시스템은 Cas9을 사용해 DNA를 절단합니다.

Cas9 표적 부위를 재프로그래밍하는 것이 쉬워지면서 이 시스템은 매우 인기를 끌었고, 다양한 게놈 편집 치료제의 물결을 일으켰습니다.

하지만 방대한 박테리아 CRISPR-Cas9 시스템에도 불구하고 인간 세포에서 효과적인 것은 거의 없으며, 이는 CRISPR 기술의 전반적인 잠재력을 제한합니다.

따라서 더 많은 Cas9 오소로그가 필요해 DNA 표적 서열 범위를 확대하고, 전달 크기 제한을 극복하며, CRISPR-Cas9 유전자 편집의 특이성과 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

이에 Duke University와 NC State University의 연구자들은 수천 개의 박테리아 게놈을 탐색해 새로운 CRISPR-Cas 시스템을 발견했고, 이를 유전자 편집 도구 상자에 추가할 수 있었습니다.

이번 달에 Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)²에 발표된 연구는 기술이 연구, 의학 및 바이오테크놀로지에 미치는 영향을 크게 확장합니다.

“인간 세포에 처음 사용된 CRISPR-Cas 시스템이 아직도 가장 잘 작동한다는 것은 정말 놀라운 일입니다. 우리는 더 은밀한 환경에서 발견된 박테리아를 샅샅이 조사해 다른 능력을 가진 CRISPR 시스템을 찾고자 했습니다.”

– Charlie Gersbach, Duke 생물의공학 교수

새롭게 발견된 박테리아 게놈 중, 주로 젖소에서 발견되는 박테리아에서 유래한 특정 시스템이 인간 건강에 유망함을 보여줍니다.

이 직교 효터는 차세대 게놈 편집을 위해 다양한 유전 서열을 보완적이고 유연하게 표적화할 수 있게 합니다.

이 시스템은 또한 널리 사용되는 Streptococcus pyogenes CRISPR-Cas9에 필적할 정도로 높은 효율성을 보입니다. Streptococcus pyogenes는 CRISPR-Cas9 및 대부분의 후속 연구가 기반을 두는 박테리아 종입니다.

NC State의 식품·생물공정·영양 과학 교수인 Rodolphe Barrangou에 따르면:

“자연에는 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 더 많은 CRISPR-Cas 시스템 다양성이 존재하며, 이는 기능적 잠재력을 가진 다양한 효터를 분자 기계로 활용하는 데 매우 유용합니다.”

노벨상을 받기 몇 년 전, Barrangou는 유제품 스타터 배양에 사용되는 박테리아의 방어 시스템으로 CRISPR을 특성화했으며, 이후 그의 연구실은 프로바이오틱스, 식품 제조, 나무 게놈 편집, 목재 특성 변경 등을 위해 그 다양성을 탐구해 왔습니다.

Barrangou는 최신 연구에 대해 다음과 같이 말했습니다:

“현재 SpyCas9과 같은 기존 효터가 임상에서 큰 잠재력을 보여주고 있지만, 차세대 게놈, 전사체 및 후생유전체 조작을 위해 CRISPR 도구 상자를 확장해야 합니다.”

그는 “CRISPRdisco”라는 프로그램을 개발했으며, 이는 방대한 박테리아 게놈 데이터베이스에서 CRISPR-Cas 시스템을 식별합니다. 이 프로그램을 통해 연구진은 1,000개가 넘는 탐색되지 않은 CRISPR 시스템을 발견했습니다.

연구진은 이 시스템 중 50개 후보만을 Gersbach 연구실이 엔지니어링하도록 선정했습니다.

이 CRISPR 시스템들을 인간 세포에서 유전자 활성화제, 억제제, 그리고 유전·후생유전체 편집기로서 테스트한 결과, 네 개 시스템이 각각 뛰어난 성과를 보이며 두드러졌습니다.

그 중 하나인 SubCas9는 특히 다재다능함으로 눈에 띄었습니다. 이 유망한 CRISPR 구성요소는 Streptococcus uberis 박테리아에서 발견되며, 이 박테리아는 주로 젖소에서 발견되고 일부 인간 프로바이오틱 제품에도 사용됩니다.

연구자들은 여러 이유로 SubCas9에 대해 기대하고 있습니다. 우선, 새로운 시스템의 크기가 작아—전통적으로 사용되는 Cas9 DNA 분자 절단기보다 작아— 인간 세포에 더 쉽게 전달될 수 있습니다.

또한, 기존 시스템이나 원래의 대응체가 접근할 수 없는 고유한 유전자 서열을 표적화할 수 있습니다.

일반적으로 사용되는 Cas9은 DNA 서열 ‘GG’와 인접한 게놈 표적에서 작동하는데, 이는 “꽤 흔한 DNA 서열”입니다. 그러나 GG가 근처에 없을 경우 대체가 필요하며, 새로운 시스템은 “AATA” 또는 “AGTA” 패턴 인근에서 작동함으로써 이를 제공합니다.

“이 시스템은 연구자들이 표적 부위를 매우 정밀하게 선택해야 할 때, 다양한 Cas9을 사용할 수 있는 유연성을 제공합니다.”

– Gersbach 연구실의 박사후 연구원 Gabe Butterfield

또한, S. uberis는 인간에게 일반적으로 존재하지 않기 때문에 인간 면역 시스템에 의해 인식될 가능성이 낮습니다. 이는 더 흔한 Cas9 단백질을 분리하는 데 사용되는 박테리아 종과는 다릅니다.

따라서 치료용으로 사용될 경우, 대부분 사람들의 면역 시스템은 이전 자연 노출에서 SubCas9를 인식하지 않을 것입니다.

“치료 응용 가능성 외에도, 다양한 서식지에 적응한 박테리아가 다양한 숙주에 더 적합한 효터를 보유하고 있다는 점을 우리는 높이 평가합니다. 이는 식물, 가축 및 환경 응용에 더 적합한 시스템을 발견할 잠재력이 큽니다.”

– Barrangou

다음 단계에서는 연구자들이 예상대로 SubCas9가 기존 면역을 회피할 수 있는지를 조사할 예정이며, 이를 여러 세포 및 유전자 치료에 통합하는 테스트도 진행 중입니다. 연구진은 또한 방대한 박테리아 메타게놈 데이터베이스로 돌아가 더 많은 CRISPR 시스템을 탐색할 수도 있습니다.

전반적으로, CRISPR-Cas9 유전자 편집의 최신 발전은 주요 돌파구를 제공하며, 이는 유전자 치료 기술을 크게 개선해 유전 질환, 암 및 기타 질병에 대한 보다 정밀하고 효율적인 치료를 가능하게 합니다.

CRISPR 연구가 빠르게 진행되고 있는 만큼, 이러한 새로운 시스템은 추가 검증과 규제 승인을 거쳐 향후 3~5년 내에 임상 적용으로 통합될 수 있습니다.

혁신적인 기업

Editas Medicine, Inc. (EDIT )

Editas Medicine은 다양한 중증 질환을 치료하기 위해 CRISPR 기반 치료제를 개발하는 선도적인 게놈 편집 기업입니다.

이 회사는 임상 단계의 게놈 편집 기업으로, 치료제를 환자에게 직접 주입해 체내 세포를 편집하는 in vivo 방식의 유전자 편집 의약품을 개발하고 있습니다. CEO Gilmore O’Neill 박사는 이번 달 초 비즈니스 업데이트를 공유하면서 다음과 같이 말했습니다:

“우리의 목표와 전략은 in vivo 유전자 편집 분야에서 선두주자가 되는 것이며, 이는 우리가 예정보다 앞서 in vivo 전임상 개념 증명을 달성하고, 플랫폼 기술이 기존 단백질의 발현을 증폭시켜 임상적으로 의미 있는 수준에 도달함으로써 단일 투여로 조직 전반에 걸친 치료를 가능하게 할 잠재력을 보여주는 긍정적인 전임상 in vivo 데이터를 공유한 4분기에 가속화되었습니다.” 

작성 시점 기준, 시가총액 1억 1,700만 달러 기업의 주가는 $1.41에 거래되고 있으며, 연초 대비 11.02% 상승했습니다. EPS(TTM)는 -2.88이며, P/E(TTM) 비율은 -0.48입니다.

이달 초, 회사는 2024년 4분기 및 연간 실적을 보고했습니다. 순손실은 4,540만 달러(주당 $0.55)로, 2023년 4분기 기록된 1,890만 달러보다 크게 늘었습니다.

이 기간 동안 매출은 3,060만 달러로 감소했으며, 연구개발 비용은 4,860만 달러로 증가했습니다.

2024년 말에 회사는 현금 및 현금성 자산, 유가증권으로 2억 6,990만 달러를 보유하고 있었으며, 이는 이전 분기 말보다 약간 개선된 수치입니다. 회사는 이 자금과 Vertex Pharmaceuticals와의 라이선스 계약에 따라 지급될 잔여금액을 포함해 2027년 2분기까지 운영비와 자본 지출을 충당할 것으로 예상합니다.

2024년 전체에 걸쳐 순손실은 2억 3,710만 달러(주당 $2.88)였으며, 협업 수익은 3,230만 달러로 감소했고, 연구개발 비용은 1억 9,920만 달러로 증가했으며, 일반 및 관리비는 7,200만 달러, 구조조정 비용은 1,220만 달러였습니다.

회사 최근 성과로는 인간화 마우스와 비인간 영장류에서 전임상 개념 증명(PoC)을 보여준 것이 있습니다.

CTO Linda C. Burkly 박사는 “기능 상실이나 해로운 돌연변이로 인한 질환을 해결하기 위해 기능성 단백질 수준을 높이는 유전자 상향조절을 통해 in vivo 유전자 편집을 달성한다”는 회사의 역량을 보여준다고 말했습니다. 그녀는 또한 ‘plug ‘n play’ 프로그램을 통해 여러 조직에 걸친 유전자 상향조절 전략의 잠재력을 공유했습니다.

Editas는 또한 2025년 중반에 조혈모세포와 간 세포를 위한 in vivo 개발 후보를 발표할 예정이며, 연말까지는 더 많은 전임상 in vivo HSC 및 간 데이터를 공유할 계획이라고 밝혔습니다.

이와 동시에, 회사는 상업 파트너를 찾지 못한 채 광범위한 탐색이 실패하면서 겸상 적혈구 질환(SCD) 치료를 위한 reni-cel 프로그램을 종료했습니다. 이에 따라 비용 절감을 위해 인력을 65% 감축(약 180명)할 계획입니다.

Editas Medicine, Inc. 최신 소식

결론

지난 10년간 CRISPR 기반 기술은 게놈 편집을 가능하게 함으로써 바이오테크놀로지를 혁신했습니다. 이는 생물의학 연구, 치료용 게놈 및 후생유전체 편집을 위한 다양한 새로운 기회를 창출했습니다.

하지만 현재 접근법은 효율이 제한된 단일 Cas9 효터에 과도하게 의존하고 표적 특이성이 제한적이라는 한계에 직면해 있습니다.

새로운 CRISPR-Cas 시스템의 발견은 유전자 편집 분야의 큰 진전입니다. 현재 기술의 정밀도, 효율성 및 다재다능성을 확대함으로써, 최신 연구는 유전 질환에 대한 보다 표적화된 치료와 농업 성과 개선을 약속합니다. 연구자들이 이러한 시스템을 다듬어 실제 적용에 이르면, 차세대 유전자 편집은 의학 및 바이오테크놀로지의 새로운 영역을 열어줄 수 있습니다!

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