대용량 유전자 통째로 삽입하는 프로그래밍 기술, 임상 진입 난제 넘는다
배경
단일 염기 치환(염기 편집, base editing)이나 수십 염기쌍 내외의 삽입·결손을 유도하는 유전체 편집 기술은 이미 임상 1/2상 단계에 진입하며 치료제로서의 가능성을 입증했다. 그러나 다수의 엑손이 손상된 중증 단일유전자 질환이나 복합 유전 질환은 몇 개 염기를 바꾸는 방식만으로 근본 치료가 어렵다. 정상 기능을 온전히 수행하는 수 킬로베이스(kb) 이상의 완전한 유전자 코딩 서열 전체를 표적 위치에 정확히 삽입하는 기술이 절실한 이유다.
현재 상용화된 크리스퍼(CRISPR-Cas9) 기반 상동재조합(HDR) 방식은 분열하지 않는 세포에서 효율이 급격히 떨어진다. 외인성 DNA 주형을 함께 전달할 때 세포 독성과 무작위 삽입에 따른 유전체 독성 위험도 뒤따른다. 유전체 내 원하는 부위에 거대 유전자 화물을 안정적으로 끼워 넣기 위해서는 기존의 절단-수선 메커니즘을 넘어서는 차세대 통합 시스템이 요구되는 상황이다.
핵심 발견
최근 학계는 재조합효소(recombinase), 크리스퍼 연관 전이효소(CRISPR-associated transposase, CAST), 유전체 작성 시스템(genome writing system), 역전위인자(retrotransposon) 기반 플랫폼을 중심으로 거대 유전자 통합 전략을 고도화하고 있다. 세 명의 유전체 엔지니어링 전문가들은 각 기술이 지닌 장단점과 임상 적용을 가로막는 기술적 병목을 분석했다.
재조합효소 기반 시스템은 부착 부위(attP/attB)를 매개로 수십 kb 이상의 거대 절편을 이중가닥 절단(DSB) 없이 결합하는 정밀성을 보여준다. 다만 인간 유전체 내에 효소가 인식할 수 있는 착륙 부위(landing pad)를 먼저 구축해야 하는 선행 단계가 필요하다. 최근에는 단일 가닥 절단 기반 프라임 에디터와 대규모 세린 재조합효소를 결합해 이 문제를 우회하려는 시도가 활발하다.
CAST와 역전위인자 시스템은 가이드 RNA(gRNA)를 이용해 특정 서열을 직접 찾아가며, 5~10kb 이상의 DNA 화물을 이중가닥 절단 없이 삽입하는 잠재력을 입증했다. 그러나 비표적 삽입(off-target insertion) 비율과 전체 통합 효율 면에서 여전히 임상 기준을 밑돈다. 바이러스 벡터나 지질나노입자(LNP)에 탑재하기에는 효소 복합체와 화물 DNA의 전체 크기가 지나치게 방대하다는 점도 공통 과제다. 체내 주입 시 외래 단백질 복합체에 의해 촉발되는 선천·후천 면역 반응 역시 해결해야 할 변수로 꼽힌다.
전문가들은 이를 극복하기 위해 단백질 엔지니어링을 통한 효소 크기 축소, 극저온 전자현미경(cryo-EM) 기반 구조 규명으로 결합 특이성을 높인 변이체 설계, 시험관 내 전사(IVT) mRNA와 비바이러스성 전달체의 최적화를 최우선 개발 경로로 제시했다.
의미와 전망
대용량 유전자 삽입 기술이 완성되면 환자 개개인의 변이 유형마다 맞춤형 가이드를 설계할 필요가 사라진다. 질환 유전자 전체를 정상 서열로 치환하거나 안전한 유전체 안식처(safe harbor)에 발현 카세트를 삽입함으로써, 수백 가지 변이로 유발되는 유전 질환을 단 하나의 치료제로 대응할 수 있게 된다.
다만 체내(in vivo) 적용을 위해서는 전달체 용량 한계를 극복하는 화학적·생물학적 혁신이 필수적이다. 비표적 부위에 거대 외래 서열이 삽입될 경우 발생할 수 있는 종양원성 위험을 초정밀 전장유전체 시퀀싱(WGS)으로 철저히 검증하는 평가 프로토콜 구축도 병행되어야 한다. 이러한 안전성 기준이 확립된다면 차세대 거대 유전자 삽입 플랫폼은 희귀 유전 질환뿐 아니라 CAR-T 세포 제조 등 세포·유전자 치료제 생산 공정 전반을 근본적으로 재편할 잠재력을 드러낼 것이다.
Nature Biotechnology, Published online: 17 September 2026; doi:10.1038/s41587-026-03319-6While technologies for smaller gene edits, such as base editing, have already entered clinical trials, larger gene cargoes face different challenges, including low editing efficiencies, delivery vehicle size constraints, and possible immunogenicity. Programmable genome engineering systems using recombinases; transposases, including CRISPR-associated transposases (CASTs); genome writing systems; and retrotransposons promise different avenues for therapy, but each system has unique limitations. What are the most promising strategies to further develop these technologies, and which parameters need to be further improved to make them efficient and safe for therapy? We asked three experts in the field to share their thoughts on the challenges and opportunities.
듀센근이영양증(DMD)이나 혈우병 A, 낭포성 섬유증처럼 결함 유전자 크기가 크고 변이 위치가 다양한 질환에서 단일 치료제 개발의 문이 열린다. 2.2Mb에 달하는 디스트로핀 유전자의 경우, 기존 염기 편집으로는 엑손 건너뛰기(exon skipping) 수준에 그쳤으나 거대 삽입 기술이 정교화되면 기능성 미니 유전자를 한 번에 영구 안착시킬 수 있다.
산업계 관점에서는 차세대 세포치료제 공정이 획기적으로 단순해진다. 기존에는 키메라 항원 수용체(CAR)를 삽입하기 위해 렌티바이러스 벡터를 사용하거나 복잡한 다중 편집 과정을 거쳐야 했다. 고효율 대용량 삽입 시스템을 적용하면 원하는 면역수용체와 안전 스위치, 조절 인자를 단일 단계로 T세포 특정 유전체 부위에 정밀 안착시켜 생산 비용을 절감하고 배치 간 품질 일관성을 대폭 향상시킬 수 있다.