수백 염기 교체부터 2천 염기 삭제까지, 벼 프라임 편집 범위 넓혔다
배경
작물의 형질은 단일 염기 변이뿐 아니라 유전자 조절 부위나 단백질 도메인처럼 수십∼수백 염기에 걸친 서열 차이로도 달라진다. 우수 품종의 유전체 구간을 원하는 대립유전자로 통째로 바꾸려면 큰 DNA 조각의 상동성 치환이 필요하지만, 식물에서는 효율과 정밀도를 함께 확보하기 어려웠다.
기존 CRISPR-Cas9 기반 상동성 유도 복구는 DNA 이중가닥을 절단하고 외부 주형을 공급해야 한다. 그러나 식물세포는 비상동 말단 연결을 우선해 삽입·결실 부산물이 생기기 쉬우며, 조직배양과 식물체 재분화 과정에서도 편집 효율이 크게 흔들린다. 프라임 편집(prime editing·PE)은 Cas9 니케이스와 역전사효소, 프라임 편집 가이드 RNA(pegRNA)를 이용해 이중가닥 절단 없이 원하는 정보를 표적에 기록한다. 다만 통상적인 PE가 안정적으로 다루는 변화는 짧은 치환과 삽입·결실에 치우쳐, 100염기쌍을 넘는 서열 교체에는 뚜렷한 제약이 있었다.
핵심 발견
연구진은 큰 DNA 삽입용으로 보고된 템플릿 점핑 프라임 편집(template-jumping prime editing·TJ-PE)을 벼의 상동성 서열 교체에 맞게 확장했다. TJ-PE는 역전사 과정에서 편집 주형을 이어 읽도록 설계해, 새로 합성된 DNA가 표적 유전체의 반대편 절단부와 연결되게 한다. 긴 서열 전체를 일반적인 단일 pegRNA의 역전사 주형에 담아야 했던 기존 PE의 구조적 부담을 줄인 방식이다.
벼 유전체에서 연구진은 수십 염기부터 수백 염기까지 다양한 길이의 DNA 조각을 동일한 길이의 상동성 서열로 바꿨다. 가장 긴 교체 구간은 340염기쌍이었다. 단순히 염기를 덧붙이는 삽입이 아니라, 원래 유전체 조각을 제거하면서 설계된 서열로 같은 길이만큼 다시 쓰는 데 성공했다는 점이 핵심이다. 여러 변이가 함께 존재하는 자연 대립유전자나 연속된 기능성 모티프를 구간 단위로 옮길 수 있는 가능성을 보여준다.
TJ-PE의 활용 범위는 치환에 그치지 않았다. 연구진은 944∼2,024염기쌍의 유전체 조각을 경계가 정해진 위치에서 정확히 삭제했다. 약 2,000염기쌍을 제거하는 조건에서도 최고 34.6%의 효율을 기록했다. 이에 따라 동일한 편집 체계로 큰 조각의 정밀 치환과 킬로베이스급 삭제를 모두 수행할 수 있게 됐다.
의미와 전망
이번 결과는 벼 PE가 다룰 수 있는 편집 규모를 단일 염기나 짧은 서열에서 유전자 기능 구간 수준으로 넓혔다. 병 저항성, 환경 스트레스 적응성, 수량·품질과 연관된 대립유전자는 여러 변이가 가까이 묶여 있는 경우가 많다. TJ-PE가 안정적으로 적용된다면 이들 변이를 하나씩 편집하는 대신, 유용한 서열 묶음을 한 번에 재현할 수 있다. 긴 조절 서열을 제거해 유전자 발현을 바꾸거나 특정 단백질 도메인을 암호화하는 구간을 교체하는 연구에도 활용할 만하다.
다만 제시된 최대 효율이 모든 표적과 품종에서 재현된다고 보기는 어렵다. 가이드 RNA 구조, 표적 주변 서열과 염색질 접근성에 따라 성능이 달라질 수 있으며, 정확한 치환체와 부분 편집·비의도성 부산물의 비율도 폭넓게 검증해야 한다. 편집 형질의 세대 간 유전, 농업 형질의 안정성, 전 유전체 수준의 비표적 변이 평가 역시 상용 육종에 앞서 확인할 과제다. 밀·옥수수처럼 유전체가 크거나 배수성이 높은 작물로 확장할 수 있는지도 후속 연구의 관건이 된다.
Homologous replacement of genomic sequences with large DNA fragments (> 100 bp) holds great potential for crop breeding, yet an efficient method to achieve such edits is lacking in plants. Here, in rice, we developed template-jumping prime editing (TJ-PE), a recently reported PE strategy for large targeted insertion, as an efficient tool for homologous replacement with DNA fragments ranging from dozens to hundreds of base pairs, and using TJ-PE, we replaced genomic fragments of up to 340 bp with homologous fragments of the same length. In addition, our TJ-PE tool also enabled precise deletion of 944- to 2024-bp fragments in rice, with efficiencies of up to 34.6% for c. 2000-bp precise deletions. Collectively, this study expands the editing scope of PE in rice and establishes TJ-PE as a generalist tool for precise deletion and replacement of large DNA fragments.
종자기업은 병 저항성이나 품질과 연관된 우수 품종의 자연 대립유전자를 염기별로 다시 만들지 않고, 수백 염기 구간째 다른 계통에 옮기는 전략을 검토할 수 있다. 예컨대 프로모터의 기능성 모티프 여러 개를 한꺼번에 교체하거나, 불리한 조절 구간 약 2킬로베이스를 정확히 삭제해 유전자 발현량을 조절하는 식이다. 외래 유전자를 무작위로 삽입하지 않고 기존 유전체를 정밀하게 고친다는 점도 품종 개발에 유리하다.
다만 실제 육종에서는 편집 시약이 제거된 후대 계통을 선발하고, 전장유전체 분석과 여러 세대의 재배시험으로 비의도성 변이와 형질 안정성을 확인해야 한다. TJ-PE 효율이 품종과 표적마다 달라질 가능성이 커, 고효율 가이드 설계와 식물체 재분화 공정의 표준화가 산업 적용 속도를 좌우할 전망이다.