배경

세포는 자외선이나 화학물질, 대사 부산물로 발생하는 유전체 손상을 끊임없이 복구한다. 복잡하게 얽힌 DNA 손상 반응(DNA damage response, DDR) 신호 전달계가 유전체 안정성을 유지하는 핵심 방어선이다. 만약 이 경로에 결함이 생기면 유전체 불안정성이 누적되어 암으로 이어진다. 역설적으로 암세포의 이러한 DDR 결함은 특정 복구 경로를 추가로 차단해 암세포만 선택적으로 사멸시키는 합성 치사(synthetic lethality) 항암 치료의 핵심 표적이 되기도 한다.

기존 기능 유전체학 연구는 주로 단일 유전자를 제거하는 CRISPR-Cas9 스크리닝에 의존해 왔다. 그러나 인간 세포는 진화 과정에서 다수의 중복 보상 경로를 갖추었다. 하나의 유전자를 녹아웃하더라도 유사한 기능을 수행하는 대체 단백질이 보상 작용을 펼치기 때문에, 단일 결실만으로는 복잡한 유전적 상호작용 네트워크를 온전히 규명하기 어려웠다. 유전자 쌍 사이의 상호작용을 포괄적으로 분석하려면 둘 이상의 유전자를 동시에 정밀하게 결손시키는 대규모 다중 스크리닝 플랫폼이 절실했다.

핵심 발견

연구진은 단일 프로모터 아래에서 여러 가이드 RNA를 스스로 가공해 방출할 수 있는 Cas12a 효소의 특성에 주목했다. Cas9과 달리 Cas12a는 자체적인 crRNA 가공 능력을 지녀 다중 유전자 동시 표적에 구조적 우위를 점한다. 연구진은 이 특성을 극대화해 주요 DDR 유전자 수백 개를 대상으로 수만 개 조합의 이중 결손을 유도하는 고효율 다중 녹아웃 스크리닝 체계를 구축했다.

세포 내에서 유전자 쌍을 조합별로 녹아웃한 뒤 세포 증식과 생존율 변화를 정량 추적함으로써, 두 유전자가 함께 사라졌을 때 나타나는 유전적 상호작용 점수를 도출했다. 단순한 덧셈 효과를 넘어 세포 사멸이 극대화되는 합성 치사 상호작용과 한쪽 유전자의 결함 효과를 상쇄하는 완화적 상호작용이 명확하게 구분됐다. 상동 재조합 복구(homologous recombination repair, HRR)와 비상동 말단 연결(non-homologous end joining, NHEJ), 염기 절제 복구(base excision repair, BER) 등 주요 DDR 세부 경로 간의 물리적·기능적 연결망이 단일 지도 위에 정밀하게 시각화됐다.

특히 특정 DNA 복제 스트레스 해소 인자들이 결손되었을 때 세포 생존을 전적으로 지탱하는 미지의 백업 유전자 조합이 다수 포착됐다. 기존 단일 유전자 스크리닝에서는 뚜렷한 표현형을 드러내지 않던 유전자들이 짝을 이루었을 때 비로소 치명적인 생존 결손을 일으킨다는 사실이 입증됐다.

의미와 전망

이번에 완성된 상호작용 지도는 암 치료제 개발의 고질적 난제인 약물 내성 극복에 결정적인 단서를 제공한다. PARP 저해제 같은 표적 치료제에 내성을 보이는 종양에서 어떤 2차 복구 인자를 추가로 억제해야 암세포를 사멸시킬 수 있는지 유전학적 근거를 제시하기 때문이다. 대규모 유전체 분석 데이터와 결합하면 환자 개별 종양의 돌연변이 패턴에 맞춘 정밀 병용 치료 조합을 선별하는 나침반 역할을 수행한다.

실제 임상 적용에 도달하기까지 해결해야 할 과제도 상존한다. 시험관 내 세포주 모델에서 도출된 합성 치사 쌍이 복잡한 생체 종양 미세환경에서도 동일한 효능을 나타낼지 철저한 동물 모델 검증을 거쳐야 한다. Cas12a 다중 편집 기술의 오프타깃 절단 가능성과 표적 유전자 간의 절단 효율 편차 역시 체계적인 최적화가 뒤따라야 할 영역이다.