유전자 편집의 한 걸음 진전: CRISPR-Cas9와 HD
발전하는 CRISPR-Cas9 기술은 이제 살아있는 쥐의 뇌에서 HD 유전자를 편집하는 데 사용될 수 있어요.
CRISPR-Cas9는 DNA에 정밀한 변화를 주기 위해 사용되는 실험적인 유전자 편집 기술이에요. 과학자들은 처음으로 이 방법을 이용해 쥐의 뇌세포에서 헌팅턴병 돌연변이를 공격했어요. 다른 연구자들은 CRISPR-Cas9를 더 효율적이고, 특이적이며, 안전하게 개선하고 있어요. HD 환자에게 사용되기까지는 아직 멀었지만, 쥐에게 적용된 것은 흥미로운 진전이에요.
CRISPR-Cas9를 이용한 유전자 편집
DNA는 살아있는 세포의 성장과 기능을 지시하는 근본적인 코드예요. 한때 공상 과학 소설에나 나올 법한 이야기였던 이 코드를 조작하는 우리의 능력은 헌팅턴병과 같은 유전 질환 연구를 이끌기 시작했어요. DNA를 변화시키는 도구의 설계와 적용은
이 실험적인 기술은 아직 인간에게 시도할 준비가 되지 않았지만, 시험관에서 살아있는 세포, 그리고 유기체로 빠르게 발전했어요. 여러 연구 그룹의 최근 연구는 CRISPR-Cas9가 살아있는 쥐의 뇌에서 HD 유전자를 편집하는 데 사용될 수 있다는 것을 보여주었어요. 더욱 흥미로운 것은, 한 연구실의 최신 연구 결과는 CRISPR-Cas9를 뇌에 전달한 후 HD 쥐의 행동이 개선되었음을 보여준다는 거예요. 이 유전자 편집 기술은 계속해서 더욱 정교해지고 있으며, 여러 HD 연구팀이 이를 HD 치료의 과제에 맞게 적용하고 있어요. CRISPR-Cas9가 어떻게 작동하는지, HD에 어떻게 적용되는지, 그리고 이 단계에서 안전이 왜 중요한 문제인지 이야기해 봐요.
HD 유전자: 이야기 편집하기
HD는 유전 코드에 원치 않는 추가로 인해 발생해요. 수십억 개의 생물학적 구성 요소인 뉴클레오타이드 C, G, A, T가 전체 DNA 코드에서 발견돼요. 이 뉴클레오타이드들은 엑손으로 알려진 유전자의 부분들처럼 덩어리로 읽히고 해석돼요. 뉴클레오타이드를 글자로, 세 개의 뉴클레오타이드를 단어로, 엑손을 문장으로, 유전자를 단락으로, 그리고 완전한 게놈을 세포가 성장하고 기능하는 데 필요한 모든 부분을 설명하는 사용 설명서로 생각할 수 있어요.
이야기의 한 단락, 즉 HD를 유발하는 유전자에 집중해 봐요. HD가 발병할 운명인 사람들에게서 첫 문장에는 실수가 있어요. C-A-G 글자열이 필요한 것보다 훨씬 더 많이 계속해서 반복되는 거예요. 이전 문장에서 그 모든 불필요한 “계속해서” 반복을 삭제하는 것처럼, CAG 반복 오류를 편집할 수 있다면 어떨까요? 이것이 HD 연구에서 유전자 편집의 주요 초점이며, CRISPR-Cas9는 여러 접근 방식 중 하나예요.
CRISPR-Cas9: 절단하기
유전자를 편집할 워드 프로세싱 소프트웨어 같은 것은 없어요. 미세한 규모로, 한 번에 한 세포씩 유전자를 고치려면 결함 있는 코드를 찾아 물리적으로 잘라내야 하는데, 그것이 바로 CRISPR-Cas9가 하는 일이에요. 이 절단에는 두 가지 구성 요소가 필요해요. (1) 가이드 RNA와 (2) Cas9라고 불리는 절단 효소예요. 간단한 비유를 들어볼게요. 리본 조각을 자르고 싶은데 친구가 가위를 가지고 있다고 상상해 봐요. 친구에게 정확히 어디를 잘라야 할지 보여주기 위해 두 손으로 리본을 팽팽하게 잡을 수 있겠죠. 그것이 미세한 규모의 CRISPR-Cas9예요. 가이드 RNA는 DNA에서 올바른 지점을 찾아 제시하고, Cas9는 가위 역할을 하며 실제로 DNA를 잘라요.
실험실에서 과학자들은 HD 유전자의 매우 긴 C-A-G 반복 구간 양쪽에서 Cas9에게 두 번 어디를 잘라야 할지 보여줄 특정 가이드 RNA를 설계할 수 있어요. 그러면 새로운 끝부분들을 서로 이어 붙여 문제가 되는 부분을 영구적으로 제거할 수 있어요. 이것이 과학자들이 CRISPR-Cas9를 이용해 유전 서열을 편집하는 방법이에요.
다른 모든 흥미로운 신기술과 마찬가지로, 연구자들은 이 도구를 사용할 새로운 방법을 발견하기 위해 CRISPR-Cas9 시스템을 가지고 실험해왔어요. 초기에 연구자들은 CRISPR-Cas9를 이용해 특정 유전자에 단일 절단을 꽤 쉽게 할 수 있다는 것을 깨달았어요. 세포가 이러한 절단을 고치기 위해 사용하는 복구 과정은 오류가 발생하기 쉬워서, 일반적으로 유전 정보의 작은 조각들이 손실되는 결과를 낳아요.
비유하자면, 저녁 식탁에서 친구에게 “버터 좀 건네줘”라고 문자를 보내고 있다고 상상해 봐요. 만약 실수로 몇 글자, 예를 들어 “le”를 건너뛰었지만 메시지 구조는 유지했다면, 친구는 “pasepa ssth ebu tterxx”와 같은 메시지를 받게 될 거예요. 유전 메시지가 이처럼 작은 삭제로 뒤섞이면, 세포는 오류를 인식하고 그 내용을 무시하는 메커니즘을 가지고 있어요. 이것은 연구자들이 CRISPR-Cas9를 이용해 유전 서열을 더 구체적인 방식으로 삭제하는 대신, 유전자를 효과적으로 편집하는 방법을 제공해요.
HD 쥐 뇌 속의 CRISPR-Cas9
몇몇 연구 그룹이 최근 살아있는 쥐의 뇌에서 HD 유전자를 편집하는 것이 가능하다는 것을 발견했어요. 가장 최근에는 미국 에모리 대학교의 샤오장 리가 이끄는 팀이 HD 유전자에 작은 절단을 가하는 것이 HD 쥐에게 유익한 효과를 줄 수 있다는 것을 발견했어요. 이 실험들에서 그들은 긴 C-A-G를 짧은 것으로 제거하기 위해 HD 유전자를 편집하는 대신, CRISPR-Cas9를 삭제 모드로 사용하고 있었어요.
HD 쥐에게 CRISPR-Cas9를 사용하려면, 가이드 RNA와 Cas9 “가위”는 뇌에 주입되어야 하는 특별히 설계된 바이러스에 의해 운반돼요. 리 연구실은 이 기술을 HD 동안 손상되는 기분과 움직임을 조절하는 뇌 영역인 선조체에 적용했어요. 몇 주 후, CRISPR-Cas9 구성 요소들이 많은 세포로 퍼져 기능 장애가 있는 HD 유전자를 비활성화했고, 뉴런의 스트레스 징후가 감소했어요.
세 달 후, 뇌세포에 축적된 해로운 헌팅틴 단백질 덩어리가 줄어들었고, HD 쥐들은 운동 테스트에서 어느 정도 개선되었어요. 이 실험의 가장 흥미로운 점은 이미 증상이 발현된 나이 든 쥐들의 회복이었어요. 심지어 9개월 된 쥐들(중년 정도)도 주사를 맞은 후 개선되었는데, 이는 그들의 뇌가 평생의 절반 동안 입은 손상 후 부분적으로 회복될 수 있음을 시사해요.
신중하게 진행하기
대부분의 HD 환자는 돌연변이 유전자 사본 하나와 완전히 건강한 다른 사본 하나를 가지고 있어요. CRISPR-Cas9를 치료법으로 사용하는 것에 대한 우려가 있는데, 왜냐하면 HD 유전자에서 손상된 부분을 삭제할 수 있지만, 건강한 사본의 일부도 영구적으로 제거할 수 있기 때문이에요. 리 연구실은 이 질문에 간접적으로 답하기 위해 HD 유전자의 결함 있는 사본을 두 개 가진 쥐들을 대상으로 CRISPR-Cas9를 이용해 둘 다 제거하는 실험도 진행했어요. 비록 몇 주 동안만 관찰되었지만, 쥐들에게 즉각적인 위험은 없었어요.
“이 실험의 가장 흥미로운 점은 이미 증상이 발현된 나이 든 쥐들의 회복이었어요.”
헌팅틴 감소 ASO의 진행 중인 임상시험을 고려할 때, HD 유전자의 정상 사본을 방해하는 것의 안전성은 중요해요. 이 약물은 HD 유전자의 돌연변이 사본과 건강한 사본 모두의 수치를 감소시켜요. 쥐를 대상으로 한 일부 연구는 이것이 노년기에 무해하다고 시사했지만, 쥐의 수명이 인간보다 훨씬 짧기 때문에 확신하기는 어려워요. ASO 연구를 수행하는 로슈와 아이오니스 회사는 이러한 위험을 잘 알고 있으며, HD 유전자를 낮춤으로써 발생하는 문제의 징후가 있는지 연구 대상자들을 신중하게 모니터링하고 있어요.
ASO 약물과 CRISPR-Cas9 접근 방식 사이에는 다른 주요 차이점들이 있어요. 현재 인간을 대상으로 하는 ASO 임상시험은 헌팅틴 감소 또는 유전자 침묵화 치료법으로, HD 유전자의 두 사본 모두를 짧은 시간 동안 비활성화하는 방식으로 작동해요. 치료가 중단되면 유전자는 기능을 회복할 거예요. 반대로, CRISPR-Cas9를 이용한 유전자 편집은 DNA에 영구적인 변화를 만들므로, 훨씬 더 신중하게 접근해야 해요. HD 유전자가 손상되었든 아니든 세포 내에서 중요한 기능을 한다는 증거가 있으며, 우리는 영구적인 부작용을 감수하고 싶지 않아요. 좋은 소식은 HD 과학자들이 대립유전자 특이적 접근 방식이라고 알려진, 유전자의 건강한 사본을 피하는 과제를 해결하고 있다는 거예요.
유전자 편집 기술 개선하기
두 그룹이 최근 CRISPR-Cas9 기술을 개선하여 손상된 유전자 사본만 절단하고 비활성화하는 데 사용했어요. 매사추세츠 종합병원 이종민 박사가 이끄는 팀은 교묘하게 설계된 가이드 RNA를 이용해 대립유전자 특이적 삭제를 만들었어요. 가이드들은 HD 돌연변이 근처의 DNA 글자에서 미세한 불일치를 찾아내 두 번의 Cas9 절단을 지시했어요. 그들의 접근 방식은 유전자 편집이 개인의 DNA에 따라 “맞춤화”될 수 있다는 점에서 참신해요.
필라델피아 아동병원의 베벌리 데이비슨이 이끄는 두 번째 그룹은 돌연변이 유전자만을 표적으로 삼는 유사한 접근 방식을 사용하며 Cas9로 더 작은 절단을 만들었어요. 이는 여러 해로운 헌팅틴 단백질의 생성을 중단시켰어요. 리 연구실처럼 그들도 살아있는 쥐의 뇌에서 HD 유전자를 비활성화할 수 있었어요. 업데이트된 CRISPR 기술 중 어느 것이 HD 쥐의 행동을 개선할지는 아직 지켜봐야 하지만, 두 가지 혁신 모두 미래 유전자 치료법을 향한 한 걸음이에요.
유전자 편집의 과제
우리는 HD를 더 잘 이해하기 위한 유전자 편집의 사용에 대해 기대하고 있어요. 살아있는 쥐에게 CRISPR를 사용하는 것과 대립유전자 특이적 접근 방식의 개발은 중요한 진전을 나타내지만, CRISPR-Cas9가 HD 치료법으로 개발되기 전에 극복해야 할 몇 가지 장애물이 있어요. 연구자들이 직면한 주요 과제와 현재 우리의 지식 상태는 다음과 같아요.
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정밀성: Cas9가 설계된 유전자만 절단하고 다른 곳에 무작위적인 해를 끼치지 않는지 확인하는 거예요. 과학자들은 CRISPR가 매우 특이적임을 보장하는 데 상당한 진전을 보이고 있는 것 같아요.
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대립유전자 특이성: HD 유전자의 돌연변이 사본만 제거되고 건강한 사본은 제거되지 않도록 보장하는 거예요. 여기서 설명한 연구는 흥미로운 진전이에요.
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전달: CRISPR-Cas9 메커니즘이 뇌의 많은 뉴런에 들어가 각 뉴런에서 HD 유전자를 제거하도록 하는 거예요. 이제 쥐에게는 가능하다는 것을 알지만, 인간의 뇌를 치료하는 데 사용되는 어떤 치료법에도 여전히 주요 장애물이에요.
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단기 안전성: HD 유전자의 일부를 삭제하는 것이 즉각적인 신경학적 문제나 심지어 사망을 유발하지 않을 것임을 확인하는 거예요. 지금까지는 그런 것 같아요.
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장기 안전성: HD 유전자를 편집하는 것이 장기간에 걸쳐 안전할 것임을 확인하는 거예요. 이것은 쥐를 대상으로 탐구하기 매우 어려운 질문이에요. 영장류 실험이나 임상시험에서 덜 영구적인 기술을 통해 답을 찾을 수도 있어요.
헌팅틴 감소 ASO 임상시험은 아직 초기 안전성 단계에 있지만, 이 접근 방식은 지금까지 가능성을 보여주었어요. 유전자 편집은 DNA 코드에 기록된 것에 영구적인 변화를 가져올 수 있으며, 이는 심오한 결과를 초래할 수 있어요. CRISPR-Cas9를 안전하게 사용하는 것은 임상에 가까워질수록 기하급수적으로 더 어려워져요. 그럼에도 불구하고, 이 기술의 다음 세대는 놀라운 가능성을 보여주고 있으며, 많은 사람들이 혁신적인 방법으로 이를 발전시키고 있어요.
