쥐 유래 역전사효소 개량한 프라임 에디터, 난편집 표적서 평균 1.88배 효율
배경: 프라임 에디팅의 효율을 좌우하는 역전사효소
쥐 유래 역전사효소를 개량한 프라임 에디터가 시험한 인간 세포와 벼 원형질체에서 기존 도구보다 높은 편집 효율을 보였다. 연구진이 개발한 enRERV-RT 기반 시스템은 일반 내인성 표적 비교에서 평균 1.20배, 편집이 어려운 내인성 표적 네 곳에서는 평균 1.88배의 효율을 기록했다. 세포·식물 실험에서 얻은 결과로, 환자의 치료 효과를 평가한 연구는 아니다.
프라임 에디팅은 DNA 이중가닥 절단 없이 원하는 염기 치환이나 짧은 서열의 삽입·결실을 유도하는 기술이다. DNA 한 가닥을 자르는 Cas9 변이체와 역전사효소(RT), 교정 정보를 담은 프라임 편집 가이드 RNA(pegRNA)가 함께 작동한다. RT는 RNA에 담긴 교정 정보를 DNA로 옮기는 핵심 부품이다. 효율적인 효소의 선택지가 제한적이어서, 연구진은 널리 쓰이는 몰로니 생쥐 백혈병 바이러스 유래 RT(M-MLV-RT)를 대신할 후보를 탐색했다.
핵심 발견: 후보 발굴부터 난편집 표적 검증까지
연구진은 데이터베이스에서 추린 고유 RT 서열 558개를 계통 분석하고 대표 후보 54개를 벼 원형질체에서 실험했다. 형광 리포터로 활성이 확인된 효소는 19개였다. 후속 내인성 표적 평가에서는 쥐 내인성 레트로바이러스 유래 RERV-RT가 가장 높은 활성을 나타냈다.
개량에는 알파폴드 3(AlphaFold 3)로 예측한 RERV-RT 구조와 기존 M-MLV-RT의 극저온 전자현미경 구조 비교를 활용했다. 먼저 다섯 변이를 도입한 RERV-m5를 만들었다. 여기에 심층 돌연변이 스캐닝으로 찾은 W149F와 추가 유익 변이 Y68R·C413R을 조합한 최종 효소가 enRERV-RT다.
기존 M-MLV 기반 에디터 대비 편집 효율은 인간 배아 신장 유래 HEK293T 세포의 일곱 표적에서 평균 1.17배, 벼 원형질체의 여섯 표적에서 평균 1.22배였다. 두 실험계를 합친 13개 표적의 평균 상대 효율은 1.20배다. HeLa 세포와 일차 인간 피부 섬유아세포의 난편집 표적 네 곳에서는 평균 1.88배를 기록했다. 여기에는 섬유아세포에 24염기쌍 FLAG 태그와 18염기쌍 6×His 태그를 삽입하는 실험이 포함됐다.
연구진은 475개 pegRNA–표적 구성체를 HEK293T 세포 유전체에 통합한 평가 플랫폼 TRAP-seq-PE도 구축했다. 표적 DNA를 심층 시퀀싱해 의도한 편집의 비율을 측정하며, 여러 치환·삽입·결실의 효율을 비교하는 방식이다. 이 라이브러리에서 enRERV 기반 에디터의 효율은 기존 도구 대비 전체 평균 약 1.8배, 난편집 표적군에서는 약 2.74배였다. 이는 내인성 표적 네 곳의 평균 1.88배와 구분해야 한다.
의미와 전망: 도구 선택지 확대와 적용별 검증
다중 편집은 앞선 변이체인 RERV-m5를 사용한 벼 실험에서 확인됐다. 재생 벼 60개체 중 28개체에서 세 유전자가 동시에 편집돼 46.7%의 비율을 보였다. 최종 enRERV를 사용한 재생 벼 실험에서는 별도로 두 내인성 표적의 편집 활성을 확인했다.
키메라 항원 수용체 T세포(CAR-T)와 관련된 유전자 네 곳에 종결코돈을 도입하는 실험도 수행했다. 다만 CAR-T 세포의 항암 효과나 지속성 향상을 직접 검증하지는 않았다. 안전성 평가에도 범위가 있다. 예측 오프타겟 12곳에서 변이가 검출되지 않은 결과는 RERV-m5로 편집한 벼에 한정된다. 식물·동물 세포의 편집 사건 17건에서는 enRERV와 M-MLV 기반 시스템 간 편집 부산물에 큰 차이가 관찰되지 않았다.
라이브러리와 내인성 표적에서 효율 향상 폭이 달랐던 이유로 저자들은 전달·발현 방식과 염색질 환경의 차이를 제안했다. 이는 가능한 설명이며 직접 입증된 기전은 아니다. 치료와 육종에 활용하려면 목적하는 세포와 표적에서 효율·부산물·안전성을 추가로 평가해야 한다. 연구는 Advanced Science에 게재됐으며, 실험 설계와 결과는 논문 원문에서 확인할 수 있다.
CRISPR-based prime editors (PEs) install precise edits into genomic DNA without generating double-strand breaks. Their editing efficiency is highly dependent on reverse transcriptases (RTs), but efficient RT candidates remain limited. Here, we identified 19 novel active RTs by screening 558 candidates. Among them, RERV-RT, derived from Rattus norvegicus, exhibited the highest activity. Through structure-guided engineering and deep mutational scanning, we developed an optimized variant, enRERV-RT, which outperforms conventional M-MLV-RT-based PE systems by 1.20-fold in mammalian and plant cells, and by 1.88-fold at hard-to-edit loci, while enabling precise multiplex editing of functionally relevant genes. Additionally, we developed a high-throughput platform, TRAP-seq-PE, to systematically evaluate prime editor performance. Across diverse mutation types, we found that PE systems based on enRERV-RT exhibited higher editing efficiencies than those based on M-MLV-RT. Collectively, our work establishes a versatile, high-efficiency PE system, thereby facilitating advances in clinical gene therapy and precise crop breeding.
특정 표적에서 프라임 에디팅 효율이 낮은 연구팀에는 역전사효소를 바꿔 비교할 선택지가 생겼다. 원하는 서열 삽입이 잘되지 않는다면 M-MLV 기반 도구와 enRERV 기반 도구를 같은 세포·표적·전달 조건에서 비교하고, 의도한 편집과 부산물을 함께 측정하는 실험을 설계할 수 있다. TRAP-seq-PE는 여러 편집 유형의 성능을 비교하는 평가 수단이며, 실제 내인성 표적 검증이 뒤따라야 한다. 육종 연구에서는 재생 벼의 편집 결과를 출발점으로 원하는 형질과 후대 유전 여부를 확인할 수 있다. 치료 분야에서는 후보 도구를 확보했다는 의미가 있지만, 환자 효능이나 임상 안전성·허가 기간 단축을 입증한 성과로 해석할 단계는 아니다.