바이오테크
Yale, 다중 유전자 CRISPR 편집을 위한 Cas12a 기반 혁신 발표
CRISPR 잠재력 확대
그 발견 이후, CRISPR(“Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”)는 2020년 화학 노벨상을 수상하며 의학과 생명공학을 혁신시켰습니다.
출처: Nobel Prize
이는 CRISPR가 매우 정밀하게 특정 유전 서열을 표적화할 수 있는 최초의 유전자 편집 방법이기 때문에, in vitro 또는 in vivo에서 원치 않는 돌연변이 위험 없이 유전적 오류를 교정할 수 있기 때문입니다.
이는 무작위 유전자 삽입이 주요 문제, 특히 암 위험과 연관되어 있어 치료적 사용이 어렵고 논란이 되기 때문에 중요합니다.
CRISPR는 기존 유전자를 차단하거나, 특정 서열을 삭제하거나, 올바른 유전 서열을 편집·삽입하는 등 다양한 방식으로 사용할 수 있습니다.
이것은 FDA 승인 첫 CRISPR 기반 치료제 2023년으로 이어졌으며, CRISPR Therapeutics가 유전성 혈액 질환을 위해 개발했으며 (CRISPR Therapeutics에 대한 전용 보고서는 링크를 따라가세요).
하지만 CRISPR 치료법과 유전공학은 한 번에 하나의 유전자만 수정할 수 있으며 설계가 어려울 수 있습니다.
따라서 Yale 대학 연구진의 작업 덕분에 CRISPR 기술에 새로운 시대가 열릴 수 있습니다.
이 연구는 37명에 달하는 연구진이 참여한 획기적인 연구였으며, Nature Biomedical Engineering에 “Cas12a-knock-in mice for multiplexed genome editing, disease modeling, and immune-cell engineering”라는 제목으로 발표되었습니다1。
이는 간의 유전 질환, 폐암, 피부암 등 새로운 질병 및 치료 모델을 생성하고, 해당 분야의 연구를 가속화하는 데 도움이 될 수 있습니다。
다양한 CRISPR 시스템
CRISPR가 논의될 때, 초기 노벨상 수상 발견이든 이미 FDA 승인된 치료법이든 실제로 논의되는 것은 CRISPR-Cas9입니다。
시스템의 “Cas” 부분은 DNA 가닥을 절단하고 유전자 편집을 수행하는 단백질이며, RNA 가닥에 의해 안내됩니다. 현재 많은 다른 Cas 단백질이 연구 중이며, 앞으로 더 많은 단백질이 발견될 가능성이 있습니다。
출처: YourGenome
장기적으로는 연구자들이 맞춤형 Cas 시스템을 설계하는 것이 일반화될 수 있으며, 특히 “OpenCRISPR-1”, 특정 상황에 맞는 맞춤형 CRISPR 시스템을 설계하기 위한 오픈소스 AI가 주목받고 있습니다. CREME (Cis-Regulatory Element Model Explanations)라는 컴퓨터 시뮬레이션도 CRISPR 시스템 최적화를 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다。
CRISPR-Cas9를 넘어선 다양한 CRISPR 시스템 중에서, CAs12a만큼 연구가 활발하고 실용화에 가까운 시스템은 없습니다。
CRISPR-Cas12a
2023년에 처음 논의한 이후, Cas12a 기술에 많은 진전이 있었습니다。
CRISPR-Cas12a는 Cas9와 몇 가지 측면에서 다른 시스템입니다：
- Cas9가 할 수 있는 것과는 다른 절단 부위를 제공합니다。
- Cas9로 해결하기 어려운 문제들이 Cas12a로는 해결 가능할 수 있습니다。
- DNA를 절단할 때 “뭉툭한” 절단 대신 “끈적이는” DNA 조각을 남기며, 여러 번 절단할 수 있습니다。
- 이는 유전자 편집 성공 확률을 높입니다。
- Cas12a는 Cas9와 달리 전사 활성화 crRNA (tracrRNA)가 필요하지 않습니다. 크기가 작아 다중 유전체 편집이 더 용이합니다。
- Cas12a를 사용하면 한 번에 여러 유전자를 수정할 수 있습니다。
출처: Wikipedia
Cas12a의 이러한 최신 특성이 생물학자들의 큰 관심을 끌고 있습니다. 많은 질병이나 유전공학에서는 다중 유전자 편집, 삽입 및/또는 삭제가 필요하기 때문입니다。
따라서 이론적으로는 (비용이 많이 들지만) 일련의 CRISPR-Cas9 유전자 편집을 수행하는 것이 가능하지만, 다중 유전 질환에 대한 실용적인 옵션은 아닙니다。
한편, CRISPR는 희귀 유전 질환 치료를 넘어 신경학, 암(종양학), 대사 질환 등 수천만 명의 삶을 개선하거나 구할 잠재력을 가지고 있음이 명확해지고 있습니다。
출처: ARK Invest
문제는 대부분의 비유전 질환 관련 치료에서, in vivo에서 다중 유전자 편집을 관리하는 것이 절대적인 요구사항이라는 점입니다。
Yale의 Cas12a 연구
다양한 표적
인간에게 다중 유전자 편집을 수행하기 전에, 이러한 공격적인 개입이 유전체에 미치는 영향을 더 잘 이해해야 합니다。
Yale 연구진은 실험용 마우스를 사용해 CD4+ 및 CD8+ T 세포, B 세포, 골수 유래 수지상 세포 등 면역 세포를 유전적으로 조작했습니다. 또한 암 관련 유전자와 in vivo 간 조직을 변형했습니다。
CRISPR 유전자 편집 물질은 각각 레트로바이러스, 아데노관련 바이러스, 지질 나노입자를 통해 각 표적에 전달되었습니다。
방법의 가능성을 확대하기 위해, 그들은 Cas12a의 두 변형도 사용했습니다。
효율성 확인
먼저, 연구진은 돌연변이를 형광 단백질과 연결시켜 제대로 수행되는지 확인했습니다。
그들은 이후 표적 장기에 따라 유전자 편집 효율이 어떻게 달라지는지 확인했습니다. 간, 뇌, 신장, 폐가 in vivo 유전자 편집 수준을 높게 달성하기 가장 쉬운 장기로 나타났습니다。
이는 향후 CRISPR 치료의 핵심 의료 표적에 가장 중요한 장기들이기 때문에 매우 유망한 결과입니다。
실용적 잠재력
개념이 잠재력을 입증하자, 연구진은 면역 세포와 암 세포를 변형하는 사용 사례를 테스트했습니다。
면역 세포의 경우, 전체 노출된 세포 중 유전적으로 변형된 비율을 측정하는 변환 효율이 놀라울 정도로 높아 90-100%에 달했습니다。
또 다른 주목할 만한 결과는 in vivo 치료의 잠재적 적용에 절대적인 요구사항인 높은 온-타깃 변이 비율입니다. 이는 의도된 유전자만이 수정되고, 오프-타깃 변이는 매우 적게 발생한다는 의미입니다。
DAKO
CRISPR-Cas12a 기술의 가능성을 더욱 확장하기 위해, 연구진은 새로운 이중 유전자 활성화 및 억제(DAKO)를 개발했습니다。
이는 하나의 치료가 나중에 분리되어 하나의 유전자를 활성화하고 다른 유전자를 동시에 억제할 수 있음을 의미합니다。
이는 복잡한 생화학적 메커니즘을 가진 세포를 수정하는 중요한 단계이며, 예를 들어 한 단백질이 메커니즘을 활성화하고 다른 단백질이 억제하는 경우에 해당합니다. DAKO 유전자 편집을 수행하면 원하는 활성을 정상 수준 이상으로 높이고, 이를 억제하는 시스템을 제거할 수 있습니다。
원치 않거나 제대로 관리되지 않은 레트로 제어가 유전자 편집이 기대대로 작동하지 않는 주요 원인인 경우가 많아, 이 DAKO 시스템은 특히 종양학, 신경학, 대사 치료 분야에서 혁신이 될 수 있습니다。
동물 모델
Cas12a를 이용한 이 새로운 유전자 편집 시스템은 Cas9만큼 정밀하면서도 한 번에 여러 편집을 수행할 수 있으며, 이러한 편집은 유전자의 활성화와 억제를 모두 포함할 수 있습니다。
이는 생물학자들이 가설을 테스트할 수 있는 새로운 생물학적 모델을 만드는 완벽한 시스템입니다。
“이 마우스는 in vivo 치료용 유전자 표적화, 질병/종양 모델링 및 1차 면역 세포 엔지니어링을 위한 빠르고 원활한 워크플로를 촉진할 수 있습니다.
이러한 동물 모델은 잠재적 치료를 테스트하거나 복잡한 질병을 더 잘 이해하는 데 매우 중요합니다. 따라서 Cas12a를 이용한 치료제가 시장에 나오지 않더라도, 이 CRISPR 변형은 향후 바이오테크 연구에 큰 영향을 미칠 것입니다。
앞으로의 방향
연구에서 장기에 따라 유전자 편집 강도가 크게 달라질 수 있음이 입증되었으므로, 추가적인 개선이 가능할 것으로 보입니다。
핵심 요소는 새로운 벡터, 즉 다른 바이러스나 지질 나노캡슐을 테스트하는 것이 될 것입니다. 특히 영향을 가장 적게 받는 장기에 대한 더 나은 벡터가 특정 연구나 질병에 필요합니다。
장기적으로는 암 및 신경계 질환과 같은 복합 질환에 대한 유전자 편집 치료가 전통적인 단일 유전자 Cas9보다 이 Cas12a 시스템에 더 가깝게 활용될 가능성이 높습니다。
Cas12a 회사
Editas
(EDIT )
Editas는 CRISPR-Cas9 공동 발견자인 Jennifer Doudna에 의해 설립되었습니다. Editas는 처음에 Cas9와 작업했지만 현재는 자체 개발한 독점적인 Cas12a 버전인 AsCas12a에 집중하고 있습니다。
우리의 전용 기사 “CRISPR-Cas12a2란 무엇이며 왜 중요한가?”에서 Cas12a의 고유한 특성에 대해 더 읽어볼 수 있습니다。
출처: Editas
우리의 해당 기사 “주목할 Jennifer Doudna 기업”에서 Jennifer Doudna의 모든 기업에 대한 개요를 읽어볼 수 있습니다。
Editas는 겸상 적혈구 질환(SCD) 및 베타-지중증 빈혈에 집중하고 있으며, 첫 치료 승인 경쟁에서 CRISPR Therapeutics와 BlueBirdBio에 뒤처진 두 질환。
전반적으로 SCD 프로그램은 (최근 reni-cell로 명칭 변경) 여러 차례 지연되어 투자자들의 우려를 불러일으켰으며, 이후 기존 승인된 SCD 치료와 차별화하기 위해 in vivo 치료에 재초점이 맞춰졌습니다。
그럼에도 불구하고 Editas는 CRISPR-Cas12에 대한 중요한 특허를 보유하고 있으며, 이는 호주 뉴사우스웨일스 대학교 연구진이 COVID-19 스트립 테스트를 개발하는 데 활용되었습니다. 이는 유전자 편집을 넘어선 기술 잠재력을 보여줍니다。
서명한 2023년에 Vertex와 $5천만 규모의 계약을 체결하여 회사가 Editas의 Cas9 IP를 사용할 수 있도록 함。
Editas는 “전통적인” CRISPR-Cas9 외의 다른 CRISPR 버전에 집중하고 있으며, 연구 IP는 FDA 승인 제품 없이도 파트너십을 구축하고 수익을 창출하는 데 유용할 수 있습니다. 또한 2026년까지 현금 흐름이 지속될 전망입니다。
Cas12a가 다중 유전자 편집을 위한 최고 수준의 방법으로 점점 입증됨에 따라, Editas의 전문성과 파이프라인이 이 CRISPR 변형에 집중하는 것은 장기적으로 성공적인 투자일 수 있습니다。
(우리의 해당 기사 “Top 5 CRISPR Companies To Invest In”에서 CRISPR 기업에 대해 더 읽어볼 수 있습니다.)
Editas 최신 소식
참조 연구:
1. Tang, K., Zhou, L., Tian, X. et al. Cas12a-knock-in mice for multiplexed genome editing, disease modelling and immune-cell engineering. Nat. Biomed. Eng (2025). https://doi.org/10.1038/s41551-025-01371-2
