식물 프라임 편집 효율 80% 돌파로 오이와 멜론의 복합 병해 저항성 유도
배경
크리스퍼 유전자 가위 기술은 유전자를 무작위로 절단하고 세포 복구 기작에 의존해 염기를 교정하므로 표적 외 돌연변이가 발생할 우려가 따른다. 이에 반해 프라임 편집(Prime Editing, PE) 기술은 이중나선 절단 없이 유전체 내 원하는 위치에 삽입, 결실, 치환 등 정밀한 교정이 가능한 차세대 도구로 각광받는 추세다.
그러나 프라임 편집은 쌍자엽 식물인 박과(Cucurbitaceae)와 가지과(Solanaceae) 작물에서 효율이 크게 떨어진다는 제약이 존재했다. 벼나 밀 같은 단자엽 식물에서는 높은 활성을 보이지만 오이, 멜론, 감자 등 주요 쌍자엽 작물에서는 편집률이 저조해 실용화 장벽으로 작용했다. 이러한 문제를 해결하고자 유전자 전달 시스템 개선과 단백질 발현 제어가 시급한 과제로 대두됐다. 특히 가이드 역할을 하는 프라임 편집 가이드 RNA(prime editing guide RNA, pegRNA)의 불완전한 처리 과정이 주된 원인으로 지목된다. 기후 변화로 병충해에 견디는 작물 개발이 시급한 시점에서, 박과 작물의 유전자 교정 효율 장벽을 극복하려는 시도가 꾸준히 이어졌다.
핵심 발견
연구진은 기존 식물 프라임 편집의 한계를 넘어서기 위해 세 가지 핵심 최적화 단계를 도입했다.
첫째, 스펙티노마이신(spectinomycin) 항생제를 선발 마커로 도입하여 박과 작물의 조직 배양 과정에서 형질전환 효율을 대폭 개선해 나갔다.
둘째, 편집 단백질 발현량을 극대화할 목적으로 토마토 연장 인자 1-알파(tomato elongation factor 1-alpha, SlEF1α) 프로모터를 도입했다.
셋째, pegRNA가 설계 규격에 맞게 정확히 가공되어 작동하도록 Csy4 리보핵산분해효소(Csy4 ribonuclease, Csy4) 기반 자가 절단 방식을 시스템에 접목했다.
이렇게 구축된 복합 유전자 교정 시스템 중 Csy4-PE6d 모델은 오이의 표적 염기서열 위치에서 평균 80.83%라는 높은 교정 효율을 나타낸다. 특정 유전자 영역에서는 교정 성공률이 100%에 이르기도 한다. 형질전환체 중 36.43%에서는 부모 양쪽 유전자가 모두 교정된 동형접합(homozygous) 편집 상태가 유도됐다.
연구진은 이 플랫폼의 확장성을 확인하기 위해 멜론, 호박, 감자 세포를 대상으로 동일한 실험을 수행했다. 그 결과 이들 작물에서도 유의미한 수준의 편집 활성이 확인되어 범용 정밀 육종 도구로서의 가능성을 입증한다.
나아가 이 기술을 적용해 오이의 노화 및 병원균 감염에 관여하는 CsSGR 유전자를 표적해 교정했다. 결과적으로 세균성 각반병(bacterial angular leaf spot)과 노균병(downy mildew)에 동시에 강한 저항성을 갖춘 오이 라인을 생산하기에 이른다. 생산된 교정 형질은 후대로 안정적으로 유전되는 양상을 나타냈다.
의미와 전망
이번 연구는 그동안 고난도로 평가받던 박과 작물의 유전자 교정 효율을 고도화해 실제 저항성 작물 개발까지 연결했다는 점에서 의의를 찾을 수 있다. 복합 병해에 저항성을 갖춘 오이를 확보함으로써 화학 농약 사용을 줄이고 농가 생산성을 개선할 길이 열린 셈이다.
토마토 프로모터와 Csy4의 조합을 적용함으로써 향후 다양한 쌍자엽 작물의 육종 설계 방식으로 확대될 전망이다. 이는 다양한 병원균 변이에 신속하게 대처할 수 있는 플랫폼 기술로 자리 잡을 가능성이 크다.
그럼에도 상업적 보급을 위해 선행되어야 할 과제들이 존재한다. 유전자 가위 도구가 외부 유전 물질 형태로 세포 내에 머무르다 최종 작물 단계에서 완전히 제거되었는지 검증해야 하며, 변형된 유전자가 생태계에 미치는 영향을 살피는 위해성 평가 절차가 요구된다. 국가별로 유전자 교정 작물에 부과하는 각기 다른 규제 기준을 조율하는 일 역시 농업 현장 도입 속도를 결정하는 핵심 변수다.
The prime editing (PE) system is a precise genome editing technology that works efficiently in monocots; however, its application is limited by low editing efficiency in dicots, particularly Cucurbitaceae and Solanaceae plants. Here, we first significantly improved the transformation efficiency by introducing spectinomycin in cucurbits, then used the tomato elongation factor 1-alpha (SlEF1α) promoter to enhance PE protein expression, and incorporated the Csy4 ribonuclease to process pegRNAs, collectively addressing multiple constraints limiting PE efficiency in cucurbits. The optimized PE systems, particularly Csy4-PE6d, achieved an average desired editing frequency of 80.83% at targeted loci in cucumber via stable genetic transformation, with frequencies reaching up to 100% at certain sites. Moreover, Csy4-PE6d generated homozygous edits in 36.43% of transgenic lines and demonstrated robust editing activity in melon, pumpkin, and potato. Using the Csy4-PE6d tool, we generated heritable edited cucumber lines with dual resistance to bacterial angular leaf spot and downy mildew by targeting the CsSGR gene. Collectively, this optimized system substantially enhances PE efficiency in Cucurbit crops, providing an effective solution to common challenges such as low editing efficiency and limited heritability in these species.
이 연구가 제시한 프라임 편집 최적화 플랫폼은 박과 작물 육종 산업의 패러다임을 바꿀 잠재력을 지닌다. 기존의 전통 육종 방식은 원하는 형질을 얻기 위해 수 세대에 걸친 교배와 선발 과정이 필요해 최소 5년에서 10년 이상의 기간이 소요됐다.
반면 고효율 프라임 편집 기술을 적용하면 단 한 세대 만에 정확한 염기 교정으로 원하는 저항성 형질을 고정할 수 있어 품종 개발 주기가 1~2년 이내로 대폭 단축된다. 특히 종자 기업들은 기후 변화로 빠르게 확산하는 신종 바이러스나 곰팡이 병해에 즉각적인 분자 수준의 대응이 가능해질 것으로 보인다.
예컨대 기온 상승으로 동시다발적으로 발생하는 노균병과 세균성 각반병 문제를 저항성 라인 구축으로 일거에 해결할 수 있다. 이는 농업 현장의 수확량 안정성 확보뿐 아니라, 화학 방제제 구매 및 살포 비용을 줄임으로써 농가의 경제적 부담을 덜어주는 구체적 혜택으로 직결될 것이 분명하다.