배경

기존 3세대 크리스퍼 유전자 가위(CRISPR-Cas9)는 표적 DNA 이중가닥을 완전히 절단하는 방식으로 작동했다. 이 과정에서 유도되는 세포 내 비상 상동말단연결(NHEJ) 복구 경로는 의도치 않은 무작위 염기 결실이나 삽입을 유발하기 일쑤였다. 특히 수 킬로베이스(kb) 이상의 치료 유전자를 도입하거나 염색체 단위의 역위, 전좌 같은 구조 변이를 교정하려 할 때 절단면 결합 오류로 염색체 절단이나 대규모 결손이 발생하는 위험이 상존했다.

이러한 부작용을 줄이기 위해 역전사효소를 결합한 프라임 편집(PE) 기술이 등장했으나 초기 플랫폼은 수십 염기쌍 내외의 미세 교정에 머물렀다. 이중가닥 절단 없이 표적 위치에 외래 염기서열을 기록하는 장점에도 불구하고, 대형 유전자 삽입이나 염색체 리모델링에는 물리적 한계가 뚜렷했던 셈이다. 재조합효소를 접목한 복합 플랫폼 역시 부착 부위 인식 효율 저하나 운반체 적재 용량 초과라는 벽에 부딪혀 임상 진입에 속도를 내지 못했다.

핵심 발견

이번에 보고된 프라임 어셈블리(Prime Assembly) 플랫폼은 유전체 구조 변이의 한계를 정면으로 돌파했다. 연구진은 조작된 프라임 편집 복합체와 다중 프라임 교정 가이드 RNA(pegRNA)를 정밀하게 조합해 복수의 특정 결합 지점을 동시에 형성하는 전략을 구사했다. 이로써 외부 공여 DNA 없이도 수십 킬로베이스 규모의 표적 서열을 뒤집거나(역위), 동일 서열을 복제(중복)하고 위치를 바꾸는(전좌) 염색체 공학을 이중가닥 절단 없이 완수할 수 있게 됐다.

실험 데이터에 따르면 인간 배양세포주와 일차 면역세포 모델에서 20kb 이상의 DNA 역위 교정 효율은 기존 트윈 프라임 편집(TwinPE) 대비 약 3.8배 상승했다. 염색체 상호 전좌 유도 과정에서 측정된 오프타깃(비표적) 절단 및 염색체 파쇄율은 기존 Cas9 처리군 대비 95% 이상 감소한 수치를 기록했다. 복수의 pegRNA가 상호 보완적으로 작동하도록 설계된 덕분에 단일 표적 이탈 시 발생하던 원치 않는 단편 결실도 1% 미만으로 억제됐다.

의미와 전망

프라임 어셈블리는 혈우병 A형의 주요 원인인 140kb 역위나 듀센근이영양증(DMD)의 거대 엑손 결실 같은 난치성 구조 변이 유전질환의 근본 치료 가능성을 열어젖혔다. 절단 독성이 극소화됨에 따라 조혈모세포나 유도만능줄기세포(iPSC) 기반 세포유전자치료제 제작 공정의 안전성 또한 대폭 강화될 전망이다. 합성생물학 영역에서도 대규모 대사 경로 유전자군을 한 번에 재배열하는 정밀 유전체 설계를 기대할 수 있다.

다만 임상 적용까지는 체내 전달체 최적화라는 과제가 남아 있다. 복수의 부속 인자와 가이드 RNA를 단일 비바이러스성 나노입자(LNP)나 아데노부속바이러스(AAV)에 분할 탑재해 체내 세포로 안전하게 전달하는 시스템을 확립해야 하며, 장기 보관 및 체내 발현 지속성에 따른 오프타깃 변이 추적 연구도 이어져야 한다.