차세대 CRISPR, 유전자 치료 정확도 향상

유전자 편집을 보다 정밀하게 만들기

최근까지 유전적 변형은 다소 조잡했으며, 새로운 유전 서열을 대상 유기체에 무작위로 삽입했습니다.

삽입 방법 또한 매우 파괴적이었습니다. 그 결과, 박테리아와 식물만이 일상적으로 유전자를 변형시켰으며, 포유류(인간 포함)와 같은 유기체에서의 유전자 편집은 복잡하고 비용이 많이 들며 느렸습니다.

CRISPR 기술로 인해 상황이 부분적으로 변했으며, 이는 정밀하고 제어된 유전자 편집의 길을 열었습니다, 2023년 말에 인간 유전 질환에 대한 최초의 유전자 치료가 승인되는 결과를 가져왔습니다.

하지만 CRISPR은 아직 완벽하지 않으며, 때때로 원치 않는 유전적 변형을 초래합니다.

이 상황은 MIT의 세 연구자의 획기적인 발견으로 이제 바뀌었을 수 있습니다.

그들은 유전자 편집 신뢰성을 급격히 향상시키는 새로운 방법을 발표했으며, 새로운 치료법을 창출하는 길을 열었습니다.

그들은 그들의 결과를 권위 있는 과학 저널 Nature¹에 발표했으며, 제목은 “최소한의 유전체 오류를 가진 설계된 프라임 편집기” 입니다.

표준 CRISPR에서 프라임 편집으로

첫 번째 CRISPR-Cas9 기반 치료제가 승인된 이후, 환자의 유전체를 신뢰성 있게 편집하여 치료하는 개념은 더 이상 공상 과학이 아닙니다. 그러나 CRISPR 기술은 항상 과학자들이 의도한 대로 목표 유전자를 수정하지는 않습니다.

CRISPR 시스템은 특정 위치에서 이중 가닥 DNA를 절단할 수 있는 Cas9이라는 효소와, Cas9에게 절단 위치를 알려주는 가이드 RNA로 구성됩니다.

연구자들은 이 방식을 활용해 결함이 있는 유전자 서열을 제거하거나 RNA 템플릿을 따라 새로운 서열을 삽입했습니다.

2019년부터 MIT 연구자들은 프라임 편집이라는 새로운 개념을 발표했으며, 이는 일반 CRISPR-Cas9 유전자 편집보다 더 정밀합니다. 그 결과, 비표적 효과가 적고 이미 약한 환자들에게 추가적인 건강 문제를 일으킬 가능성이 낮아졌습니다.

프라임 편집은 역전사효소와 결합된 변형된 Cas9을 사용하여 모든 가능한 유전 염기 변형과 유전 서열의 작은 삽입 및 삭제를 수행할 수 있게 합니다.

따라서 장기적으로 프라임 편집은 CRISPR 기반 유전자 편집의 업그레이드된 보다 신뢰할 수 있는 버전이 될 것으로 기대됩니다.

출처: Benjamin McLeod

예를 들어, 프라임 편집기는 2025년에 만성 육아종성 질환(CG​D) 환자를 치료하는 데 성공적으로 사용되었으며, 이는 백혈구에 영향을 미치는 희귀 유전 질환입니다.

“원칙적으로, 이 기술은 결국 세포와 조직 내의 작은 돌연변이를 직접 교정함으로써 수백 가지 유전 질환을 해결하는 데 사용될 수 있습니다.”

Vikash Chauhan – MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research

하지만 사람의 세포와 몸에 사용하기 위해서는 약간의 개선이 필요했습니다.

프라임 편집이 DNA 삽입 정확성을 향상시키는 방법

프라임 편집은 목표 DNA 서열의 상보적인 가닥 중 하나만을 절단하여 새로운 서열을 삽입할 수 있는 플랩을 열어줍니다.

하지만 새로운 서열이 복제된 후에는 기존 DNA 가닥과 경쟁하여 게놈에 통합되어야 합니다.

만약 기존 가닥이 새로운 가닥보다 우세하면, 새로 생성된 DNA 플랩이 다른 곳에 우연히 삽입되어 오류를 일으킬 수 있습니다.

이러한 오류는 결국 무작위로 게놈에 삽입되어 암을 유발할 수 있으며, 이는 반드시 감소시켜야 할 명백한 위험입니다.

가장 최신 버전의 프라임 편집기를 사용하면, 편집 모드에 따라 오류율이 7편집당 1건에서 121편집당 1건까지 다양하지만, 여전히 너무 높습니다.

“현재 우리가 가진 기술은 이전의 유전자 치료 도구보다 훨씬 뛰어나지만, 이러한 의도치 않은 결과가 발생할 가능성은 항상 존재합니다.”

Vikash Chauhan – MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research

프라임 편집 신뢰성의 큰 도약

2023년에 MIT 연구자들은 프라임 편집에 사용되는 Cas9 단백질의 일부 변이형이 때때로 동일한 위치가 아니라 DNA 서열에서 한두 염기 더 앞에서 절단한다는 것을 발견했습니다.

이로 인해 기존 DNA 가닥이 덜 안정적이게 되어 분해되고, 새로운 가닥이 오류 없이 통합되기 쉬워졌습니다.

2025년의 새로운 연구에서, 연구자들은 오류율을 원래 값의 1/20로 낮춘 여러 Cas9 변이를 확인했습니다.

이러한 변이들을 하나의 Cas9 단백질에 인공적으로 모두 결합했을 때, 오류율을 원래의 1/36 수준으로 낮출 수 있었습니다.

“이 논문은 전달 시스템을 복잡하게 만들지 않고 추가 단계도 없으며, 원치 않는 돌연변이를 줄인 훨씬 더 정밀한 편집을 가능하게 하는 새로운 유전자 편집 접근법을 제시합니다.”

Phillip Sharp – MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research

그들은 이에 만족하지 않고, RNA 템플릿의 끝을 보다 효율적으로 안정화시키는 RNA 결합 단백질을 갖춘 프라임 편집 시스템도 사용했습니다.

vPE라고 명명된 그들의 최종 유전자 편집 툴킷은 오류율이 원래의 1/60에 불과했으며, 사용된 편집 모드에 따라 101~543편집에 불과했습니다.

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다음 단계

유전자 편집의 또 다른 장벽은 항상 목표 세포의 핵 안으로 유전자 편집 단백질과 DNA/RNA를 전달하거나, 몸의 특정 조직만을 표적화하는 것이었습니다.

따라서 이는 연구자들의 다음 초점이 될 것이며, 특히 프라임 편집 기술은 더 작고 단순한 “전통적인” CRISPR-Cas9 시스템에 비해 전달 효율이 낮아 제한을 받습니다.

그들은 또한 이 도구가 유전자 편집 치료뿐만 아니라 바이오테크 전반의 진전을 가속화할 잠재력이 있다고 생각합니다.

첫째, Cas9 단백질의 변형이 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 기술과 발견은 프라임 편집에만 국한되지 않고 모든 CRISPR 기반 유전자 편집 기술에 적용될 수 있습니다.

둘째, 이는 유전자 및 게놈 편집을 연구 도구로 사용하는 다른 연구 프로젝트에 강력한 촉진제가 될 수 있습니다. 예를 들어, 조직이 어떻게 발달하는지, 암 세포 집단이 어떻게 진화하는지, 세포가 약물 치료에 어떻게 반응하는지에 대한 답을 찾는 데 활용될 수 있습니다.

“게놈 편집기는 연구실에서 광범위하게 사용됩니다.

따라서 치료적 측면도 흥미롭지만, 사람들이 우리의 편집기를 연구 워크플로에 통합하기 시작하는 모습을 보는 것이 정말 기대됩니다.”

Vikash Chauhan – MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research

마지막으로, Cas9 신뢰성을 향상시키는 변이가 이 연구에서 모두 발견되지 않았을 수도 있습니다. 따라서 이 새로운 개념에 대한 추가 분석과 최적화는 향후 더욱 뛰어난 결과를 가져올 수 있습니다.

유전자 편집에 투자하기

Illumina

다중오믹스에서 다른 -오믹스(프로테오믹스, 전사체학 등)도 중요하지만, 거의 모든 것이 어느 정도는 유전체학을 중심으로 하며, 이는 모든 살아있는 세포의 핵심 “설명서”입니다.

그리고 압도적으로 가장 큰 게놈 시퀀싱 기계 생산업체는 Illumina입니다. 이 회사는 암 검출에 사용되는 짧은 유전 서열 판독에 집중하고 있으며, 현재 165개국에 22,000대 이상의 시퀀서를 설치했습니다.

Illumina 시퀀싱 기계 소모품의 절반 정도는 임상 적용에 사용되고, 나머지 절반은 공공 및 민간 연구실에서 사용됩니다. 임상 적용에서는 수요의 절반이 종양학에서 비롯됩니다.

출처: Illumina

유전체학과 다중오믹스가 약물 발견 과정 및 암 진단의 중심이 됨에 따라, Illumina의 장비에 대한 수요가 크게 증가할 것으로 예상됩니다.

이 회사는 임상 적용을 위한 NGS(차세대 시퀀싱) 수요가 연평균 18% 성장하고, 연구용은 연평균 6% 성장할 것으로 예상하며, 이를 통해 2033년까지 임상 분야는 1,000억 달러, 연구 분야는 250억 달러 규모의 총 주소 가능한 시장(TAM)으로 확대될 것입니다.

출처: Illumina

Illumina는 액체 생검 회사 Grail과 복잡한 역사를 가지고 있었습니다 (GRAL -0.36%), 이는 Illumina에서 분사된 후 다시 인수되었으며, 현재 미국과 EU의 경쟁 당국에 의해 다시 분사하도록 강제되었습니다.

이 문제를 해결하면 Illumina는 장기적인 성장과 주가 상승을 재개할 수 있을 것이며, 궁극적으로 Grail의 액체 생검 테스트가 여전히 Illumina 시퀀서에 의존할 가능성이 높습니다.

한편, 더 많은 유전자 치료가 연구 및 임상 현장에서 Illumina 시퀀서의 사용을 증가시킬 것입니다.

(또한 Illumina의 비즈니스, 미래 기술 및 역사를 다룬 전용 투자 보고서의 보다 상세한 분석을 읽을 수 있습니다.)

최신 Illumina (ILMN) 주식 뉴스 및 개발

참조 연구

^{1. Chauhan, V.P., Sharp, P.A. & Langer, R. 최소한의 유전체 오류를 가진 설계된 프라임 편집기. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09537-3}