생물 및 의학 (건강) '어느 가위가 잘 들까' IBS 유전자가위 13종 추천시스템 개발

'어느 가위가 잘 들까' IBS 유전자가위 13종 추천시스템 개발

김형범 IBS 나노의학연구단 연구위원(왼쪽)과 김나혜 연세대 의과대학 학생연구원(가운데, 제1저자), 김희권 IBS 나노의학연구단 박사후연구원(제1저자). IBS 제공.

유전 질환을 유발하는 DNA상의 특정 염기를 잘라내는 유전자가위의 효율을 최적화하는 알고리즘이 개발됐다. 정확한 유전자 교정 도구를 선택하는 가이드라인을 제시해 유전자가위 기술의 약점을 보완할 것으로 기대된다. 

기초과학연구원(IBS)은 김형범 나노의학연구단 연구위원(연세대 의대 약리학 교수) 연구팀이 유전자가위 변이체 13종의 효율을 비교·분석하고 최적의 교정도구를 골라주는 딥러닝 기반 시스템 ‘DeepSpCas9variants’를 개발했다고 25일 밝혔다. 

유전자가위 기술은 3세대 ‘크리스퍼 유전자가위(CRISPR-Cas9)’ 기술이 등장하며 가장 혁신적인 생명공학 기술로 꼽히고 있다. 크리스퍼 유전자가위는 표적으로 정한 DNA의 특정 염기서열 정보를 지닌 가이드RNA와 염기서열을 자르는 절단효소로 구성된다. 절단효소로는 사람 몸에 자주 침입하는 세균인 화농성 연쇄상구균에서 가져온 ‘SpCas9’ 절단효소가 가장 널리 쓰인다. 

SpCas9은 염기 절단 효율이 좋지만 표적 이외의 지점을 잘라내는 표적이탈이 빈번히 발생하는 게 약점이다. 이에 따라 표적이탈을 막기 위해 정확성을 높인 변이체들이 다수 개발됐다. 

다양한 절단효소 변이체가 개발됐지만 각 변이체의 성능과 장단점을 체계적으로 분석한 연구는 없었다. 어떤 유전자 교정 상황에서 어떤 유전자 가위가 가장 효율이 높을지 선택하는 데 어려움이 있었다. 

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김형범 연구위원 연구팀은 13종의 SpCas9 변이체들의 상황에 따른 유전자 교정 효율을 밝혀내 이 문제를 해결했다. 연구팀은 동일한 조건에서 인간배아신장세포를 이용해 유전자 교정 실험을 진행, 8종의 PAM 변이체의 교정 효율을 분석했다. PAM 변이체는 유전자가위가 절단하려는 표적 DNA 염기를 인식하도록 돕는 알림판 역할을 한다. 

연구팀의 실험 결과 4종의 변이체가 인간배아신장세포 교정에 적절한 것으로 분석됐다. 이 중에서 가장 범용성이 높은 것으로 평가된 SpCas9-NG 절단효소의 경우 PAM 서열로 쓰일 수 있는 156개의 서열 중 89개의 서열을 인식했다. 다른 변이체 비해 표적할 수 있는 부위가 더 많다는 의미다. 연구팀은 또 정확성을 높인 6종의 변이체 중 표적이탈 현상이 가장 적은 변이체도 찾아냈다. 

분석 결과를 토대로 연구팀은 최적의 유전자가위를 추천해주는 딥러닝 기반 알고리즘 ‘DeepSpCas9variants’을 개발했다. 이 알고리즘을 이용하면 교정하려는 특정 염기서열을 인식할 수 있는 변이체를 확인하는 것은 물론 예상되는 교정 효율까지 파악할 수 있다.

김형범 연구위원은 “지금까지 명확히 밝혀지지 않았던 여러 유전자가위 변이체들의 차이를 체계적으로 분석한 연구로 정확한 유전자 교정 도구를 선택하는 가이드라인을 제시할 수 있을 것”이라며 “표적이탈로 인한 돌연변이 등 부작용을 최소화하고 가장 효율적인 도구를 이용해 최상의 조건에서 유전자 교정을 할 수 있게 될 것”이라고 기대했다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 바이오테크놀로지’ 온라인판에 게재됐다.