초소형 Cas12m 기반 smCRISPRa 개발, 단일 벡터로 생체 내 다중 유전자 스위치 켠다
배경
질환을 치료할 때 손상된 유전자를 직접 자르고 꿰매는 대신, 표적 유전자의 발현 스위치만 정밀하게 켜는 방식이 주목받고 있다. 절단 활성을 없앤 Cas 단백질에 전사 촉진 인자를 결합한 크리스퍼 유전자 활성화(CRISPR activation, CRISPRa) 기술이다. DNA 이중가닥을 절단하지 않아 영구적인 염기서열 손상 위험을 줄이면서도 결핍된 단백질 생산을 정상 수준으로 유도할 수 있다.
하지만 생체 내(in vivo) 전달 과정에서 구조적 한계에 부딪혔다. 치료용 유전자를 세포 안으로 실어 나르는 가장 대표적인 운반체인 아데노부속바이러스(Adeno-Associated Virus, AAV)는 약 4.7킬로베이스(kb)라는 엄격한 유전체 적재 한계를 지닌다. 기존에 널리 쓰이던 화농성연쇄상구균 유래 SpdCas9 단백질은 유전자 크기만 4kb를 넘어, 전사 활성화 인자와 단일 가이드 RNA(single guide RNA, sgRNA)를 단일 바이러스에 모두 담아내지 못했다.
바이러스를 둘로 나누어 전달하는 이중 벡터 전략은 체내 형질도입 효율이 절반 이하로 떨어지고 면역 부작용 위험을 높였다. 크기를 대폭 줄인 초소형 Cas 단백질이 개발되기도 했으나, 분자 크기가 줄어들면서 DNA 결합력과 전사 유도 효율이 급격히 저하되는 난제가 이어졌다. 복합 질환 모델 마우스에서 여러 유전자를 동시에 활성화하는 정밀 제어는 오랜 시간 미완의 과제로 남아 있었다.
핵심 발견
국제 연구진은 자연계 미생물에 존재하는 Cas12 효소군을 탐색한 끝에 Cas12m에 주목했다. Cas12m의 삼차원 입체 구조를 정밀 분석하고 단백질 공학 기법을 적용해 촉매 활성을 비활성화하는 동시에 표적 결합력을 대폭 끌어올린 개량형 변이체를 제작했다. 그렇게 탄생한 플랫폼이 초소형 유전자 활성화 시스템인 smCRISPRa다.
smCRISPRa의 핵심 효소 크기는 약 750개 아미노산에 불과하다. 기존 SpCas9 단백질의 절반 수준에 그치는 부피다. 크기가 대폭 축소되면서 4.7kb 용량의 단일 AAV 벡터 안에 효소 암호화 서열뿐 아니라 강력한 전사 활성화 도메인과 복수의 가이드 RNA 발현 카세트를 여유 있게 수납하는 구조를 완성했다.
연구진은 Cas12m이 본래 지닌 crRNA 자가 절단 능력을 고스란히 살려냈다. 복잡한 다중 프로모터 없이도 직렬로 연결된 crRNA 전구체에서 개별 가이드 RNA를 효소 스스로 정밀하게 잘라낸다. 결과적으로 단 하나의 전달체로 복수의 표적 유전자를 동시에 자극하는 다중 유전자 활성화(multiplexed activation)가 생체 내에서 안정적으로 구동됐다.
연구팀은 유전성 희귀 질환인 뒤센 근이영양증(Duchenne Muscular Dystrophy, DMD) 마우스 모델(mdx)을 대상으로 치료 효능을 검증했다. 돌연변이가 발생한 디스트로핀(dystrophin) 유전자를 직접 건드리지 않는 우회 전략을 택했다. 결손된 단백질 기능을 대신할 유트로핀(utrophin)과 근육 재생을 돕는 폴리스타틴(follistatin) 유전자를 동시에 활성화하는 방식이다.
단일 AAV로 smCRISPRa를 주입받은 mdx 마우스의 골격근에서는 두 유전자의 mRNA 전사 수준이 대조군 대비 유의미하게 급증했다. 근세포막 손상을 지시하는 혈청 크레아틴 키나아제 수치가 뚜렷하게 감소했고, 악력 측정 시험에서도 근력이 정상 수준에 가깝게 회복되는 양상을 나타냈다. 기존 초소형 Cas 도구 대비 현저히 높은 전사 활성화 배수를 기록하며 생체 내 유효성을 입증한 결과다.
의미와 전망
단일 유전자 보충 요법에 머무르던 체내 유전자 치료 범위를 복합 유전자 발현 조절로 넓혔다는 평가를 받는다. 거대한 크기 탓에 기존 전달체에 담기 어려웠던 초대형 유전자 결핍 질환을 비롯해, 여러 신호전달 물질을 동시에 조율해야 하는 만성 대사 질환 치료제 개발에 직접적인 단초를 제공한다.
상용화와 임상 적용을 위해 해결해야 할 과제도 분명하다. 표적 부위 외에 엉뚱한 유전자가 자극받는 비표적 활성화(off-target activation) 위험을 전장 전사체 분석으로 철저히 통제해야 한다. 장기 발현 과정에서 생길 수 있는 면역 반응이나 간 독성 문제를 영장류 등 비임상 대동물 모델에서 세밀하게 검증하는 절차도 필수적이다. 조직 특이적 프로모터를 결합해 표적 세포에만 선택적으로 작용하도록 정밀도를 높이는 후속 최적화 연구가 이어질 전망이다.
Nature Biotechnology, Published online: 28 October 2026; doi:10.1038/s41587-026-03352-5smCRISPRa is a compact platform for high-efficiency multiplexed gene activation in mouse models.
smCRISPRa 플랫폼은 AAV 기반 유전자 치료제 개발 공정을 크게 단순화하는 데 기여할 수 있다. 두 개 이상의 바이러스 벡터를 함께 주여해야 했던 기존 복합 치료 방식에서 벗어나 단일 제형으로 다중 유전자 조절이 가능해지기 때문이다. 치료제 생산 비용과 공정 단가를 절감할 뿐 아니라 환자에게 투여되는 바이러스 총량을 줄여 체내 면역 독성 발생 위험을 낮추는 이점을 지닌다.
임상 현장에서는 유전자 크기가 지나치게 커서 기존 유전자 대체 요법을 적용할 수 없었던 신경근육 질환이나 희귀 유전 질환 치료에 즉각 응용될 수 있다. 복합적인 기전이 얽힌 간 섬유화나 퇴행성 뇌 질환 등에서도 다수의 방어 신호를 동시에 가동하는 정밀 치료 전략을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.