[바이오토픽] CRISPR를 이용한 인간배아 편집, 염색체를 난장판으로 만들 수 있어
생명과학 / Bio통신원
양병찬 (2020-06-26)

Editing of human embryos is controversial

Editing of human embryos is controversial.

유전자 편집도구인 CRISPR–Cas9을 이용해 인간배아를 변형한 일련의 실험에서, 그 과정이 '표적 부위(target site) 또는 인근의 유전체'에 원치 않는 커다란 변화를 일으키는 메커니즘이 밝혀졌다.

문제의 연구들은 이번 달 출판전 서버인 《bioRxiv》에 업로드 되었으며(참고 1, 참고 2, 참고 3), 아직 동료심사를 받지 않았다. 그러나 세 건의 연구결과를 종합해 보면, 일각에서 말하는 '과소평가된  CRISPR–Cas9의 위험'의 실상을 엿볼 수 있다. 선행연구에서는 "CRISPR–Cas9이 표적 부위에서 멀리 떨어진 곳에 비표적 변이(off target gene mutation; 참고 4)를 일으킬 수 있다"고 지적한 바 있지만, 이번 연구들에서 확인된 '인근의 변화(nearby change)'는 표준 평가방법에서 탐지되지 않고 넘어갈 수 있다는 게 문제다.

"표적 부위에 나타난 효과(on-target effect)는 비표적 변이보다 더 중요하며, 제거하기가 훨씬 더 어렵다"라고 호주 캔버라 국립대학교의 가에탄 부르조(유전학)는 말했다.

이러한 안전성 문제는, '과학자들이 유전질환을 예방하기 위해 인간배아를 편집해야 하는가?(참고 5)'라는 문제를 둘러싼 논쟁에 단서를 제공할 수 있을 것으로 보인다. 인간배아 편집이 논란을 일으키는 이유는, 유전체에 발생한 영구적인 변화가 대대손손이 유전되기 때문이다. "만약 생식을 목적으로 하는 인간배아 편집(human embryo editing for reproductive purposes)이나 생식계열 편집(germline editing)이 '우주비행'이라면, 이번 연구에서 나온 데이터는 '로켓이 이륙하기 전에 발사대에서 폭발한 것'에 비견된다"라고 UC 버클리에서 유전체편집을 연구하는 표도르 우르노프는 논평했다.

원치 않는 효과

연구자들이 CRISPR를 이용해 인간배아 편집을 최초로 실험한 것은 2015년의 일이었다(참고 6). 그 이후 전 세계에서 몇 연구팀이 그 과정을 탐구하기 시작했는데(참고 7; 한글번역), 그들의 목표는 '유전자를 정확히 편집하는 것'이었다. 그러나 그런 연구들은 아직까지도 드물며, 일반적으로 엄격한 규제를 받고 있다.

"이번 연구들은, 우리가 (CRISPR–Cas9의 핵심적인 단계인) '인간배아가 유전체편집 도구에 의해 절단된 DNA를 수리하는 방법'을 잘 모르고 있음을 여실히 보여줬다"라고 영국 뉴케슬 대학교의 메리 허버트(생식생물학)는 말했다. "우리는 DNA를 절단하는 효소를 이용해 유전체의 특정 부위를 편집하기 전에, 그곳에서 진행될 사건들에 대한 기본적인 로드맵을 갖고 있어야 한다."

(1) 첫 번째 연구는 6월 5일 프랜시스 크릭 연구소의 캐시 니아칸(발생생물학; 참고 8; 한글번역)이 이끄는 연구팀에 의해 업로드 되었다(참고 1). 그 연구에서, 연구팀은 CRISPR–Cas9을 이용해 (배아발생에 중요한) POU5F1이라는 유전자를 변형했다. 그 결과 유전체가 편집된 18개의 배아 중에서, 약 22%는 (POU5F1을 둘러싼 널따란 DNA에 영향을 미치는) 원치 않는 변화를 포함하고 있는 것으로 나타났다. 원치 않는 변화에는 대규모 DNA 재배열(DNA rearrangement)과 결실(수천 개의 DNA 문자 삭제)가 포함되어 있었는데, 이는 연구자들이 DNA 재배열이나 결실(deletion)을 시도할 때 통상적으로 의도하는 규모를 훨씬 초과하는 수준이다.

(2) 두 번째 연구는 뉴욕시 소재 컬럼비아 대학교의 디터 에글리(줄기세포생물학)가 이끄는 연구팀에 의해 업로드 되었다(참고 2). 연구팀은 정자를 이용해 만든 배아를 연구했는데, 그 정자는 EYS라는 유전자에 시각상실을 초래하는 변이를 보유하고 있었다. 그들은 CRISPR–Cas9을 이용해 그 변이를 교정하려고 시도했지만, 유전자가 편집된 배아를 테스트한 결과, 그중 약 절반은 EYS가 위치하고 있는 염색체의 커다란 부분—때로는 염색체 전체—을 상실한 것으로 나타났다.

(3) 세 번째 연구는 오리건 보건과학 대학교의 수크라트 미탈리포프(생식생물학)가 이끄는 연구팀에 의해 업로드 되었다(참고 3). 연구팀은 정자를 이용해 만든 배아를 연구했는데, 그 정자는 심장질환을 초래하는 변이를 갖고 있었다. 그들은 CRISPR–Cas9을 이용해 그 변이를 교정하려고 시도했지만, 유전자가 편집된 배아를 테스트한 결과, 변이 유전자가 포함된 염색체의 커다란 부분이 영향을 받은 것으로 나타났다.

세 건의 연구 모두에서, 연구자들은 '임신'이 아닌 '과학적 목적'으로만 배아를 사용했다. 세 연구의 선임저자들은, 자신의 논문이 동료심사 저널에 출판될 때가지 자세한 내용을 밝히기를 거부했다.

예측 불가능한 수리

세 건의 연구에서 드러난 원치 않는 변화들은 (유전체편집 도구가 이용하는) DNA 수리과정의 결과다. CRISPR–Cas9은 작은 RNA 가닥(gRNA)을 이용하여 Cas9 효소를 유전체상의 특정 부위(gRNA와 유사한 시퀀스를 가진 부위)로 안내한다. 그 부위에서 Cas9 효소가 두 가닥의 DNA를 절단하면, 세포의 수리 시스템이 작동하여 그 갭을 치유한다.

편집은 수리가 진행되는 동안 일어난다. 대부분의 경우 세포는 '오류 유발 메커니즘(error-prone mechanism)'을 이용하여 절단을 메우는데, 이 메커니즘은 소수의 DNA를 삽입하거나 삭제할 수 있다. 만약 연구자들이 DNA 주형(template)을 제공한다면, 세포는 간혹 그 시퀀스를 이용하여 절단을 수리함으로써 진정한 다시쓰기(rewrite)로 귀결된다. 그러나 파손된 DNA는 염색체의 커다란 부분의 재배열이나 상실을 초래할 수도 있다.

연구자들은 생쥐의 배아와 인간세포를 이용한 선행연구에서, 염색체 편집이 원치 않는 커다란 효과를 초래할 수 있음을 증명한 바 있다(참고 9, 참고 10). "그러나 인간배아의 경우에도 그런 효과가 초래되는지를 밝히는 것이 중요했다. 왜냐하면, 상이한 유형의 세포들이 유전체편집에 상이하게 반응할 수 있기 때문이다"라고 우르노프는 말했다.

이번 연구에서 밝혀진 재배열은 많은 실험에서 간과될 수 있다. 왜냐하면 연구자들은 전형적으로 다른 종류의 원치 않는 편집(예: DNA 한 글자 변화, 몇 글자가 관련된 소규모 삽입이나 결실)을 찾기 때문이다. 그러나 이번 연구에서, 연구자들은 작심하고 '표적 부위 근처에서 일어난, 커다란 결실과 염색체 재배열'을 찾았다. "이번 연구결과는, 생명과학계의 모든 연구자들을 뜨끔하게 만들었다. 우리는 이 문제를 평소보다 더욱 진지하게 받아들여야 한다"라고 우르노프는 말했다. "이것은 일회성 뽀록(one-time fluke)이 아니다."

유전자전환

세 건의 연구들은 'DNA 변화가 어떻게 일어나는지'에 대해 상이한 설명을 제공한다. 에글리 팀과 나아칸 팀은 '대규모 변화'의 원인을 '대규모 결실과 재배열'에서 찾았다. 그에 반해, 미탈리포프 팀은 "최대 40%의 변화가 유전자전환(gene conversion)이라는 현상에 기인한다"고 설명했다. 유전자전환이란, DNA 수리 기구가 손상된 염색체를 치유하기 위해 (한 쌍의 염색체 중) 다른 염색체에서 시퀀스를 복사하는 것을 말한다.

미탈리포프와 동료들은 2017년(참고 11)에 비슷한 내용을 보고한 적이 있지만(참고 7), 일부 연구자들은 '유전자전환이 배아에서 빈번히 일어날 수 있다'는 주장에 회의를 표시하고 있다(참고 12; 한글번역). 그들은 "유전자전환이 일어난다고 가정할 때, 어머니의 염색체와 아버지의 염색체는 나란히 있지 않다"는 점과 "미탈리포프 팀이 유전자전환을 확인하기 위해 사용한 검사법은 다른 염색체 변화(예: 결실; 참고 9, 참고 13)를 확인할 수 없다"는 점을 지적한다.

에글리 팀은 이번 연구에서 유전자전환을 직접 테스트해 봤지만, 유전자전환을 확인하는 데 실패했다. 그리고 부르조의 지적에 따르면, 미탈리포프가 이번에 사용한 검사법은 2017년에 사용한 것과 비슷하다고 한다. 이에 대해, 미탈리포프 팀 논문의 공저자인 서울대학교 김진수(유전학)는 "DNA 절단이 염색체상의 다양한 위치에서 상이하게 치유될지도 모른다"는 가능성을 제시했다.

※ 참고문헌
1. https://doi.org/0.1101/2020.06.05.135913
2. https://doi.org/10.1101/2020.06.17.149237
3. https://doi.org/10.1101/2020.06.19.162214
4. https://www.nature.com/news/enzyme-tweak-boosts-precision-of-crispr-genome-edits-1.19114
5. https://www.nature.com/articles/d41586-019-00673-1
6. https://www.nature.com/news/chinese-scientists-genetically-modify-human-embryos-1.17378
7. https://www.nature.com/news/crispr-fixes-disease-gene-in-viable-human-embryos-1.22382 (한글번역 http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=285598&SOURCE=6)
8. https://www.nature.com/news/uk-scientists-gain-licence-to-edit-genes-in-human-embryos-1.19270 (한글번역 http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=269298)
9. https://doi.org/10.1038%2Fs41586-018-0380-z
10. https://doi.org/10.1038%2Fnbt.4192
11. https://doi.org/10.1038%2Fnature23305
12. https://www.nature.com/news/doubts-raised-about-crispr-gene-editing-study-in-human-embryos-1.22547 (한글번역 http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=286463&SOURCE=6)
13. https://doi.org/10.1038%2Fs41586-018-0379-5

※ 출처: Nature https://www.nature.com/articles/d41586-020-01906-4

정보출처: BRIC 바이오통신원
<본 기사는 기관에서 작성된 보도자료 또는 개인에 의해 작성 되었습니다.>
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