‘나는 가수다’와 ‘나만 가수다’는 한 글자 차이지만 의미는 전혀 다르다. 인기리에 방송되고 있는 프로그램 ‘나는 가수다’의 제작팀이 프로그램 제목을 ‘나만 가수다’라고 실수로 내보냈을 때 제작팀은 ‘만’이라는 글자를 ‘는’이라는 글자로 재빨리 바꿀 것이다.
위의 경우처럼 한 글자의 차이가 전혀 다른 의미를 불러오는 예는 실제로 우리 인체 내에서도 어렵지 않게 찾을 수 있다. 유전정보를 담고 있는 유전자의 세계가 바로 그러한 예에 속한다. 유전자는 일련의 DNA 염기서열로 이뤄져있다. DNA 염기서열은 염기인 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C)으로 구성된다.


유전자 편집, 돌연변이 유전자 수정



예를 들어 혈액응고에 관여하는 유전자의 정상적인 염기서열이 ‘ATGC’라고 가정할 때 ‘ATGC’와 ‘ATCC’는 세 번째 염기서열인 G와 C만 차이가 있지만 인체 내에서는 서로 다른 의미로 작용한다. 전자의 경우에는 인체에서 정상적인 혈액응고 기능을 담당하지만 후자의 경우에는 혈액응고 기능을 정상적으로 이행하지 못한다. 이처럼 비정상적인 유전자의 염기서열을 ‘돌연변이’라고 일컫는다.
‘나만 가수다’를 ‘나는 가수다’로 고치는 것처럼 돌연변이 유전자의 잘못된 염기서열을 올바른 염기서열로 바꾸는 것을 ‘유전자 편집(genome editing)’이라고 일컫는다. 워드프로세서를 이용해 ‘만’이라는 글자를 잘라낸 뒤 ‘는’이라는 글자로 대체하는 것처럼 유전자의 염기서열을 편집하기 때문이다.
유전자 편집의 기본 아이디어는 특정 유전자의 잘못된 염기서열을 잘라낸 뒤 올바른 염기서열을 그 자리에 집어넣는 것이다. 유전자 편집은 병을 유발하는 돌연변이 유전자를 고치는 것이기 때문에 유전질환의 치료에 있어 매우 전도유망한 접근 방법이다. 생명공학의 발달로 유전자 편집 기술도 날로 향상되고는 있지만 실제로 살아있는 동물을 대상으로 한 임상적으로 의미 있는 연구결과는 아직까지 보고된 바 없다.
이런 가운데 미국 필라델피아 아동병원 연구팀은 최근 혈우병에 걸린 살아있는 생쥐를 대상으로 유전자 편집을 통해 임상학적으로 의미 있는 연구결과를 발표했다. 이번 연구결과는 과학저널 ‘네이처(Nature)’ 최신호에 게재됐다.


자르는 효소-대체 유전자 구성



유전자 편집을 하기 위해서는 기본적으로 2개의 요소가 필요하다. 하나는 DNA 염기서열상 정확한 위치의 돌연변이 유전자를 인식해 잘라낼 효소이다. 또 다른 하나는 잘라낸 위치에 들어가 손상된 기능을 정삭적인 기능으로 대체할 대체 유전자이다. 워드프로세서 ‘자르기’와 ‘붙이기’ 기능을 생각하면 이해하기 쉽다. 효소가 일종의 자르기 역할을 하며 대체 유전자가 붙이기 역할을 담당한다.
자르기와 붙이기를 수행하기 위해 연구팀은 2개의 바이러스 운반체를 이용했다. 하나의 운반체는 DNA를 자르는 효소를 운반하는 역할을 담당하며 또 다른 운반체는 대체 유전자를 운반한다. 과학자들은 바이러스가 세포를 감염시킨다는 점에 착안해 병을 유발하는 바이러스의 유전자는 제거한 뒤 세포를 감염시키는 특징만을 살려 특정 유전자의 운반체로 이용한다. 이러한 바이러스 운반체를 바이러스 벡터라고 부른다.
혈우병은 유전질환으로 단일 유전자의 돌연변이로 발생한다. 혈우병 환자는 혈액 응고 단백질을 생산할 수 없어 자연적으로 생명을 위협하는 출혈 위험에 노출된다. 대다수의 남성에서만 발생하는 대표적인 혈우병으로 혈우병A와 혈우병B가 있다.
혈우병A와 혈우병B는 각각 응고인자 VIII (factor8, F8)과 응고인자 IX (factor9, F9)의 결핍으로 야기된다. 혈우병 환자들의 경우 응고 단백질을 주입받지만 이는 매우 비싸며 때때로 주입된 단백질에 대한 항체가 생산돼 치료 효과를 감소시킨다.
연구팀은 유전조작을 통해 생쥐에게 혈우병B를 발병시켰다. 치료이전에 생쥐들의 응고인자 IX 은 검출될 수준만큼 나타나지 않았다. 연구팀은 징크 핑거 뉴클레아제(zinc finger nuclease, ZFNs)라는 효소를 자르기를 담당할 생체 워드프로세서로 활용했다. 뉴클레아제는 DNA를 절단하는 효소를 의미한다.
혈우병B이기 때문에 대체 유전자는 F9 유전자를 이용했다. 즉 ZFNs와 F9을 자르기와 붙이기로 사용한 셈이다. 관건은 ZFNs가 어떻게 정확하게 돌연변이 위치를 인식해 자르냐이다.
ZFNs를 이용하는 것은 전통적인 유전자 치료기술에 비해 몇 가지 장점이 있다. ZFNs는 염색체 상의 정확한 목표 위치를 인지한다. 반면 전통적인 유전자 치료는 무작위적으로 원하지 않는 위치에도 유전자를 대체하기 때문에 심각한 문제를 야기할 수 있다. 이렇게 원하지 않는 위치에 유전자가 들어가는 것을 ‘삽입 돌연변이’라고 부르는데 이로 인해 백혈병과 같은 문제를 야기할 수 있다.
ZFNs를 어떻게 특정한 유전자의 위치에 맞게 디자인할 수 있는지에 대한 방법은 이미 연구돼 있었기 때문에 연구팀 F9의 돌연변이 위치를 인식할 수 있도록 ZFNs를 F9에 맞추어 디자인했다. 동일한 F9 유전자 내에서 서로 다른 돌연변이가 혈우병을 야기하기 때문에 치료과정은 7개의 다른 염기서열로 대체했다. 이는 혈우병B를 일으키는 돌연변이의 95%를 커버한다.


살아있는 동물 혈우병 첫 성과



연구팀은 ZFNs/F9 유전자 치료 운반체를 생쥐에 주입했다. 이 운반체는 응고인자를 생산하는 간까지 이동하도록 설계됐다. ZFNs/F9 유전자를 받은 생쥐들은 응고인자를 생산하기 시작했으며 혈액응고 시간을 정상적인 수준으로 낮췄다. 반면 ZFNs/F9 유전자 치료를 받지 못한 대조군의 생쥐들은 응고인자 생산이나 혈액응고 시간에서 의미있는 결과가 나타나지 않았다.
치료효과는 9개월 동안 지속됐으며 생쥐의 성장이나 체중, 간 기능에 있어 어떠한 독성효과도 보고되지 않았다. 필라델피아 아동병원 캐서린 하이 박사는 “우리는 살아있는 동물을 대상으로 유전자 편집을 할 수 있다는 아이디어를 증명했다”고 말했다.
그는 “생쥐 모델에서 인간으로의 유전자 치료 임상 적용은 매우 복잡한 과정이다. 거의 20년이 소요됐다. 하지만 현재는 망막 질환에서부터 혈우병까지 다양한 범위의 질병에 대해 긍정적인 결과를 보고 있다. 생체 내에서의 유전자 편집이 치료용으로 발전하기까지는 많은 시간이 필요하지만 이는 유전자 치료 개발의 다음 방향이 될 것”이라고 덧붙였다.