염기서열 절단 없는 크리스퍼 에피게놈 편집, 난치성 질환 치료의 새 지평 연다
배경
기존 유전자 치료는 질병의 원인이 되는 비정상적인 단백질 생산을 막고자 유전정보가 담긴 디옥시리보핵산(Deoxyribonucleic Acid, DNA) 사슬을 직접 자르고 교정하는 방식을 사용했다. 징크핑거(Zinc Finger)나 탈렌(TALEN)을 거쳐 등장한 3세대 유전자 가위 크리스퍼(CRISPR) 기술은 효율성이 비약적으로 개선되었으나 유전체 전반에 예상치 못한 물리적 흔적을 남긴다는 치명적인 약점을 지닌다. 유전자 가위가 DNA 이중가닥을 절단할 때 무작위적인 결실이나 삽입이 일어나며 유전독성(Genotoxicity) 혹은 염색체 대규모 재배열 등의 부작용을 유발하는 탓이다. 무엇보다 대다수 난치 질환은 유전자 서열 자체의 변화보다는 유전자 발현 조절 이상이나 후성유전학적 상태의 붕괴에서 비롯된다. 서열 정보를 훼손하지 않으면서 오직 유전자 발현 스위치만 정밀하게 차단하거나 활성화하는 조절 도구가 절실했던 근본 원인이다.
핵심 발견
최근 학계는 CRISPR 기술을 응용하여 후성유전학적 암호체계를 재프로그래밍하는 에피게놈(Epigenome) 편집 기술 개발에서 성과를 거두고 있다. 연구진은 DNA 절단 활성을 없앤 비활성 크리스퍼 단백질(dCas)에 메틸화나 아세틸화 등 후성유전학적 표지를 부착하거나 제거하는 에펙터(Effector) 도메인을 융합했다. 이러한 복합체는 세포 핵 내 표적 유전자의 전사 개시를 통제하여 발현 수준과 지속 기간을 원하는 수준으로 조정한다. 예컨대 특정 유전자 전사를 차단하기 위해 메틸화 효소를 전달하거나, 잠든 유전자를 깨우고자 아세틸화 효소를 표적 영역에 도달시키는 원리다.
에피게놈 편집 도구의 생체 내 유효성을 확보하기 위해 연구진은 단백질 부피를 축소한 소형 Cas 변이체를 다수 발굴했다. 기존 아데노부속바이러스(Adeno-Associated Virus, AAV)나 지질나노입자(Lipid Nanoparticle, LNP)에 무리 없이 적재되도록 에펙터 크기를 절반 이하로 최적화하는 유전자 엔지니어링도 상당한 성과를 보였다. 표적 유전자 이외의 엉뚱한 부위를 편집하는 오작동률을 최소화하고 면역 거부 반응이나 인체 내 독성을 나타내지 않는 고선택성 에펙터 도메인이 임상 적용 수준으로 마련되는 모양새다. 여러 실험군에서 유전체 내부의 복잡한 삼차원 구조나 크리스퍼가 접근하기 어렵던 대칭적 반복 서열 구역도 유전독성 없이 안전하게 조절할 수 있음이 입증됐다.
의미와 전망
해당 기술은 DNA 사슬 절단을 동반하지 않으므로 유전독성 우려를 원천에 가깝게 억제하여 치료제 안전성 평가 기준을 격상시켰다. 세포의 상태와 특성을 자유롭게 변화시키는 이점 덕분에 유도만능줄기세포나 조직 재생을 아우르는 차세대 재생의학 연구에도 탄력이 붙을 전망이다. 규제 기관의 철저한 안전성 검토를 거쳐 임상 1상 시험의 첫 발을 뗀 에피게놈 편집 파이프라인의 등장은 환자들에게 새로운 치료 선택지가 멀지 않았음을 대변한다. 물론 에펙터 유전자를 표적 장기에 누수 없이 전달하는 효율적인 배달 시스템 개발과 에피게놈 교정 효과가 장기적으로 소실되지 않는 조건의 정립은 필수적인 관문이다. 임의의 부위에 후성유전학적 변화가 전파되지 않도록 안전성을 교차 모니터링하는 검증 프로세스가 반드시 동반되어야 한다.
CRISPR/Cas-based epigenome editing technologies hold great promise for identifying novel therapeutic targets, improving gene and cell therapies, and directly addressing the underlying issues in many diseases, all while minimizing risks of genotoxicity often associated with conventional genome editing. Exciting recent advances in CRISPR/Cas-based epigenome editing technologies have drastically enhanced the ability to precisely control the timing, levels, and durations of endogenous gene expression and reprogram epigenetic states in human cells. As a result, epigenome editing is now poised to unlock new biomedical discoveries and treatments for diseases driven by transcriptional and epigenetic dysregulation as well as those stemming from aberrantly repetitive genomic regions or complex genomic arrangements that are difficult to target using conventional genome editing. Additionally, the power of epigenome editors is generating new strategies to control cell fate and function, which has direct and important implications for cell therapies and regenerative medicines. Here, as the first wave of CRISPR/Cas-based epigenome editors move into clinical trials, we cover recent advances as the field looks to address pressing hurdles facing widespread clinical deployment of epigenome editing technologies including delivery, performance, and safety. For instance, the discovery of compact Cas chassis, engineering efforts to reduce effector sizes for efficient delivery, and campaigns to tailor the targeting discrimination of epigenome editors are rapidly progressing, as is research into the development of new effector domains with high specificity, robust performance, and a lack of immunogenicity and cytotoxicity. This exciting progress is quickly moving the community closer to fulfilling the promise of CRISPR/Cas-based epigenome editing as a powerful class of platform technologies for biological discoveries, biotechnological innovations, and medicines.
이번 연구는 반복 염기서열 과다나 비정상적인 전사 조절로 인해 기존 유전자 가위가 차단하기 어려웠던 헌팅턴병이나 특정 신경퇴행성 질환 치료의 길을 열었다. 암세포 내에서 과발현되는 종양 유전자를 선택적으로 억제하거나 미작동 상태인 종양억제유전자를 되살리는 정밀 항암 요법 설계가 대표적 예시다. 여기에 더해 면역세포를 체외에서 정밀 편집하여 환자에게 투여하는 차세대 유전자 세포치료제(Cell and Gene Therapy, CGT) 제조 공정에도 즉각 대입이 가능하다. 이는 환자 맞춤형 치료법의 생산 단가를 줄이고 복잡한 엔지니어링 단계를 단축하는 데 기여할 것으로 보인다.