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2020년 노벨화학상에 빛나는 크리스퍼 유전자 가위 유전자 편집에 관한 영상
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오늘의 주제는 게에에에에에에노오오오옴, 게놈 [유전자가위]!
인간의 유전자를 해석하기 위한 많은 과학자들의 연구를 조사했습니다.
#유전자조작 #허젠쿠이 #크리스퍼 #유전자가위 #유전자편집 #유전
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유전자 가위가 경이로운 이유 (유전자 가위의 장점)
유전자 가위가 경이로운 이유 (유전자 가위의 장점) · 1. 과학기술 영역 3세대 가위인 크리스퍼 유전자 가위는 1, 2세대 유전자 가위기술보다 정교한 기술 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 6/13/2022
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유전자가위는 만능?…안전성 경고 잇따라 – 한겨레
주의하지 않는다면 유전자가위는 인체 면역염증 반응을 일으킬 수 있으며, 암 위험을 높일 수도 있고, 예상하지 못한 디엔에이(DNA) 변이를 유발할 수 …
Source: www.hani.co.kr
Date Published: 8/17/2021
View: 1206
크리스퍼 유전자가위, 독일까 약일까? – 메디칼업저버
크리스퍼 유전자가위(CRISPR Cas9)란 박테리아의 면역체계에서 유래한 DNA 절단효소로 특정 유전자를 없애거나 더할 수 있고, 다른 염기서열로 교체할 수 …
Source: www.monews.co.kr
Date Published: 12/1/2021
View: 312
[김진수의 미래를 묻다] 유전자가위 든 인간, 진화의 설계자가 되다
유전자가위를 이용해 우리 주변 모든 동식물의 유전자 교정이 가능하다. 이를 통해 병충해에 강한 가축, 농작물을 만들 수 있다. 예를 들어 국내외 연구진 …
Source: www.joongang.co.kr
Date Published: 8/18/2021
View: 298
[과학TALK] DNA 편집 ‘유전자 가위’의 진화 “더 정교하고 안전하게
이 3세대 기술은 1, 2세대 유전자가위보다 상대적으로 쉽고 비용이 적게 든다는 장점이 있다. 반면, 1세대 ‘징크 핑거 뉴클레아제(Zinc Finger Nuclease)’ …
Source: biz.chosun.com
Date Published: 12/8/2021
View: 5340
[질병관리본부] 새로운 유전체 편집 기술이 실험실 생물안전에 …
또한 유전자가위 기술은 유전체의 편집을 용이하게 하므로 의도적/비의도적인 바이러스 유전체 변형빈도를 증가시키며 이 과정에서 기존 치료제/백신 등에 내성을 가질 …
Source: yesme.kiom.re.kr
Date Published: 11/7/2022
View: 53
유전자 가위기술 연구개발 동향 보고서 – 식품의약품안전처
또한, 타겟 선정이 자유롭고,. DNA 선택성이 높은 장점이 있다. 반면 TALEN은 ZFN에 비하여 훨씬 크고 반복되는 구조를. 가진 단백질이므로 바이러스 전달체를 이용하는 …
Source: www.mfds.go.kr
Date Published: 11/8/2021
View: 6762
유전자가위 기술_기초연구본부 선정 R&D 이슈 연구동향(21)
크리스퍼 유전자가위 기술은 2012년에 보고된 이후 “21세기 가장 혁명적인 생물학적 도구”로 여겨지고 … 장단점을 파악하는 심층 연구가 필요함.
Source: www.bioin.or.kr
Date Published: 6/24/2021
View: 3152
유전체 교정을 위한 유전자가위 (engineered nuclease)의 개발 …
유전자의발현을완전히차단하지못한다는단점이있다. … 유전자가위의종류. ZFN:가장 먼저 제작된 유전자가위로서 특정 DNA 염기서열. 을 인식하여 결합할 수 있는 Zinc …
Source: www.ksmcb.or.kr
Date Published: 12/19/2021
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주제에 대한 기사 평가 유전자 가위 장단점
- Author: 안될과학 Unrealscience
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- Date Published: 2019. 2. 1.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=0pok1vcYzVo
유전자 가위가 경이로운 이유 (유전자 가위의 장점)
유전자 가위 기술은 인간 및 동식물 세포의 유전체를 교정하는데 사용되는 기술로서 유전체에서 특정 염기서열을 인식한 후 해당 부위의 DNA를 정교하게 잘라내는 시스템을 가리킨다. 2012년 처음 등장한 유전자 가위는 1세대(징그핑거 뉴클레이즈), 2세대(탈렌)을 거쳐 3세대 가위인 ‘크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위’가 등장한 지는 2년 여가 지났다. 그 동안 기존 유전자 가위를 응용하는 새로운 기법도 출현하고 있고, 작년말에는 DNA 염기를 건들이지 않으면서 해당 유전자를 온오프 할 수 있는 후성유전학적 유전자 편집 기법이 선보이기도 했다.
크리스퍼는 2015년 양대 과학 저널인 네이처와 사이언스가 나란히 ‘가장 뛰어난 과학적 성과’로 꼽을 만큼 생명공학사에서 가장 큰 혁명으로 여겨지고 있다. 하지만 대부분의 생명과학 기술이 그러하듯, 유전자 가위를 이용한 편집 기술 역시 급격하게 성장함에 따라 기대와 우려가 공존하고 있는 실정이다. 이에 유전자 가위가 가져오는 다양한 측면에서의 장점과 단점을 객관적으로 비교함으로써 시민들의 능동적인 판단을 이끌어내고자 한다.
1. 과학기술 영역
3세대 가위인 크리스퍼 유전자 가위는 1, 2세대 유전자 가위기술보다 정교한 기술로서 원하는 특정 부위의 유전자만 효율적으로 제거할 수 있다. 기존에는 하나의 유전자를 자르는 데 수개월에서 수년씩 시간이 걸린 반면, 3세대 크리스퍼 유전자 가위는 하루만에 가능하기 때문이다.
세균의 면역반응 현상에서 기인한 크리스퍼 기술은 guideRNA가 미리 표적해둔 DNA 염기 서열을 찾아가 단백질로 잘라내고 다시 잇거나 절단부위를 다른 염기서열로 교체하는 형태로 유전자를 변형시킬 수 있다. 크리스퍼 기술은 2015년 Science지 올해의 혁신기술과 2016년 MIT 테크놀로지 리뷰의 10대 기술에 선정되었다.
또한 전세계적으로 글로벌 제약회사와 크리스퍼 기술을 보유한 벤처 기업들이 활발한 협력을 통해 기술 개발을 주도해 가고 있다.
유전자가위는 만능?…안전성 경고 잇따라
[한겨레 미래&과학]유전자치료 안전성 연구 어디까지
유전자가위, 정확히 표적 잘라도
DNA 결실·삽입·재배열 부작용
변이유발 메커니즘 규명 새 과제
가위 작동 이후 세포 대응 복잡
암 위험과의 상관성 확인되기도
지나친 낙관 앞서 현실적 접근을
인간 줄기세포에 대해 유전자가위 기법으로 유전자 편집을 시행한 실험에서 의도하지 않은 변이가 상당한 규모로 나타났다는 연구결과를 최근 영국 생어연구소 연구진이 발표했다. 사진 출처: 애니 캐버너, 웰컴생어연구소(CC BY NC)
‘난치 질환을 고칠 미래의 정교한 유전자 치료술’로 불리곤 하는 크리스퍼 유전자가위(CRISPR-Cas9)가 실제 임상치료에 안전하게 쓰이기 전에 넘어야 할 ‘안전성의 기준’이 높아지고 있다. 지금까지 잘 알려지지 않았던 유전자가위의 부작용 가능성이 최근 연구들에서 새롭게 제기되고 있기 때문이다. 주의하지 않는다면 유전자가위는 인체 면역염증 반응을 일으킬 수 있으며, 암 위험을 높일 수도 있고, 예상하지 못한 디엔에이(DNA) 변이를 유발할 수 있다 는 연구결과가 각기 다른 연구진에 의해 올해 들어 최근까지 잇따라 제기됐다.
이런 연구가 최근 들어 잇따르는 것은 유전자가위가 2013년 이후 몇 년 만에 기존 유전공학의 거의 모든 영역에서 대안의 혁신기술로 확실한 영향력을 확장한 데 비해, 짧은 역사로 인해 인체 안전성 측면은 그동안 충분히 다뤄지지 못했기 때문으로 풀이된다. 인체 안전성 연구들은 유전자가위가 인체 치료술로 나아가기 위해 넘어야 할 안전성 기준을 높여주고 있다고 연구자들은 보고 있다. 유전자가위의 인체 안전성과 관련해 최근 연구결과들에서 어떤 이슈가 논의되고 있을까?
최근 연구들은 유전자가위가 정확히 작동하더라도 다른 부작용이 생길 가능성이 있음을 보여준다는 점에서 주목받고 있다.
스웨덴 카롤린스카연구소 등 연구진 과 미국 노바티스 생명의학연구소 연구진 은 각각 유전자가위와 암 위험 간에 상관성이 있음을 보여주는 연구결과를 지난 6월 에 나란히 발표했다.
이 연구에선 암 억제 유전자로 널리 알려진 ‘피53’(p53) 유전자가 중요하게 다뤄졌다. 유전자 p53은 디엔에이에 손상이 생겼을 때 복구 과정에 참여해 종양을 억제하는 기능을 한다. 널리 쓰이는 유전자가위 분자(Cas9)는 디엔에이 두 가닥을 절단하는 작동을 하는데, 당연히 p53은 이런 과정을 그대로 두고 보진 않는다. 유전자가위가 절단한 디엔에이를 복구하거나 변이가 심하게 생겼을 때엔 세포 스스로 죽음에 이르게 만든다. 사정이 이렇다 보니, 유전자가위는 세포의 보호자인 p53이 기능하지 못하는 비정상 세포들에서 훨씬 더 잘 작동한다.
연구진은 유전자가위가 p53이 제 기능을 하지 못하는 세포에서 잘 작동하기 때문에, 유전자가위를 거친 세포를 유전자치료용으로 쓴다면 그 세포들에서는 종양 억제 유전자 p53이 제거되어 암 위험이 커질 수 있다는 결론을 제시했다. 유전자가위로 만든 치료용 세포를 사용할 때엔 이런 위험도 충분히 살펴야 한다는 것이다.
하지만 피할 수 없는 심각한 문제는 아니라고 연구자들은 보고 있다. 이와 관련해 김진수 기초과학연구원 유전체교정연구단장(서울대 교수)은 “어떤 임상시험에서도 p53 유전자가 없는 세포들을 치료제로 사용하지는 않는다”며 “손쉽게 확인할 수 있으므로 대부분 임상 연구에서 걸림돌이 되지는 않을 것”이라고 말했다.
좀 더 복잡한 문제는 유전자가위가 정확하게 디엔에이의 표적지점을 찾아가 절단하더라도 절단 지점 부근에서 예상하지 못한 변이들이 생겨날 가능성이 새롭게 제기됐다는 점이다. 지난달 영국 웰컴생어연구소 연구진은 유전자가위 기술을 시행한 이후에 쥐와 사람 세포들의 유전체에 나타난 염기서열 변이를 전에 없던 기법으로 정밀하게 분석해 그 결과를 에 발표했다.
이 연구결과에서는, 유전자가위가 표적지점을 정확히 절단하더라도 이후에 세포의 자연스러운 반응으로 디엔에이를 복구하는 과정에서 뜻밖의 염기서열 결실, 삽입, 재배열 같은 변이들이 절단 지점 부근에서 무작위적이고 대량으로 일어날 수 있는 것으로 나타났다. 때로는 변이가 수백 내지 수천 염기쌍 규모로도 일어난 것으로 보고됐다. 연구진은 “유전자 편집이 알려진 것보다 훨씬 큰 유전체 손상을 일으키는 것으로 나타났다”고 말했다.
그동안 유전자가위로 인한 변이의 문제로는 주로 표적지점 아닌 곳을 절단하는 ‘ 표적이탈’의 문제가 지적된 바 있는데(한겨레 2017년 7월31일치 21면), 이번 생어연구소 연구진은 표적 지점에서도 상당한 변이가 일어날 수 있음을 처음 제기했다.
김진수 단장은 에 쓴 해설에서 “이 연구는 체세포와 생식세포 유전자치료에서 크리스퍼나 다른 유전자가위 도구를 더 안전하게 사용하도록 하는 안전성 기준을 확실하게 높여주었다”면서 “미래 임상시험에선 표적이탈 효과와 더불어 표적지점의 예기치 못한 변이도 주의 깊게 모니터링하고 관리해야 할 것”이라고 말했다.
최근 안전성 연구들이 유전자가위의 디엔에이 절단 이후에 일어나는 세포의 디엔에이 복구 시스템을 주로 다루면서, 디엔에이 복구 방식에 대한 관심도 새삼 높아지고 있다. 관련 주제를 다루는 연구결과 도 이전보다 좀 더 눈에 띈다. 유전자가위의 작동 원리를 규명해온 배상수 한양대 교수(화학)는 “생어연구소 연구결과는 디엔에이 복구 과정에 대해 모르는 부분이 여전히 남아 있음을 보여준다”고 말했다. 기초과학연구원 유전체항상성연구단의 임태진 연구위원은 “대부분 유전자가위 연구가 활용과 관련되어 이뤄지고 있고 디엔에이 복구 과정의 기초 연구는 소수 그룹에서 진행되는 것으로 알고 있다”고 전했다.
널리 알려진 디엔에이 복구 방식은 대체로 두 가지로 구분된다(참조). 흔한 것은 끊어진 디엔에이 두 가닥의 말단 지점을 이어붙이는 방식(비상동 말단연결, NHEJ)이다. 양 끝을 다듬고 붙이는 과정에서 크고 작은 규모로 염기서열이 떨어져 나가거나, 끼어들거나, 염기서열 재배열이 일어나기도 한다. 유전자가위는 세포의 이런 복구 방식을 활용해 유전자에다 일부러 변이를 일으킴으로써 질병 관련 유전자의 기능을 없앨 수 있다.
다른 방식은 다른 곳에도 보관된 같은 염기서열 정보를 찾아내어 그것을 주형(틀)으로 삼아 염기서열을 복원하는 방식이다. ‘상동 염색체’에 있는 정보를 가져와 끊어진 디엔에이 부위의 복구에 활용한다(상동 재조합 복구 HDR). 연구자가 미리 설계한 디엔에이 조각을 유전자가위 분자와 함께 세포에 넣으면, 유전자가위가 디엔에이 표적지점을 절단할 때 세포는 제공된 디엔에이 조각을 주형으로 삼아 연구자의 의도대로 디엔에이를 재건한다. 그러면 미리 설계한 디엔에이 조각이 본래 디엔에이의 자리를 대신 차지한다.
이처럼 유전자가위 기술은 세포의 두 가지 디엔에이 복구 방식을 적절히 활용해, 특정 유전자 기능을 정지시킬 수도 있고 특정 디엔에이 조각을 넣어 유전자 형질을 바꿀 수도 있다.
그런데 최근 안전성 연구들은 유전자가위의 디엔에이 절단 이후에 일어나는 세포의 대응이 생각보다 복잡함을 보여주는 것으로도 풀이된다. 세포에선 p53 같은 유전자가 나서서 유전자가위의 작동을 방해 또는 저항하는 시스템을 가동하며, 유전자가위가 표적지점을 자르더라도 복구 과정에서 그 영향이 상당한 정도로 나타남을 보여준다. 김진수 단장은 “어떤 경로로 어떤 단백질에 의해 이런 표적지점 변이가 발생하는 것인지가 규명되어야 하다”면서 “메커니즘을 이해하면 [변이 유발을] 제어할 수 있을 것”이라고 말했다.
배상수 한양대 교수는 “제기되는 여러 안전성 문제들이 극복 불가능한 것은 아니다”면서 “문제들을 극복하거나 우회할 수 있는 여러 연구가 나오고 있고 또한 나올 것”이라고 낙관했다.
유전자가위가 표적을 벗어난 곳에다 의도하지 않은 절단과 변이 효과를 일으킬 수 있다는 ‘표적이탈’ 문제가 제기된 이후에 이를 극복하거나 우회하는 연구개발이 국내외 여러 연구진에 의해 이뤄졌듯이, 새로운 안전성 문제에 대해서도 마찬가지로 문제 풀이 연구들이 이뤄질 것으로 내다보고 있다. 이미 디엔에이를 자르지 않은 채 염기 하나만을 교체하는 유전자가위의 ‘염기편집’ 기법도 등장해 빠르게 발전하고 있다(한겨레 2017년 11월6일치 17면).
미국 피츠버그대학의 지안후아 루오 교수는 해외매체 에 기고한 글에서 “최근 안전성 연구들은 치료법 개발에서 고려해야 하는 유전자가위의 작동방식에 관해 새로운 측면을 밝혀주고 있다”고 말했다. 김형범 연세대 의대 교수는 “부작용이 전혀 없는 치료법은 사실 거의 없다”면서 “안전성 문제들을 줄이는 방법이 이미 제시되거나 연구되고 있어 장기적으로 위험은 줄고 혜택은 늘 것으로 기대한다”고 말했다. 유전자가위의 작동 원리를 연구해온 김성근 서울대 교수(화학)는 “과학자의 지나친 낙관주의와 대중매체의 선정적 보도가 결합하면 성급한 희망과 여러 사회적 부작용을 낳을 수 있다”면서 유전자가위 신기술을 될수록 현실적인 눈으로 바라보려고 노력해야 한다고 주문했다.
오철우 선임기자 [email protected]
크리스퍼 유전자가위, 독일까 약일까?
최근 국내 연구팀이 인간배아에서 비후성심근증의 원인이 되는 돌연변이 유전자를 크리스퍼 유전자 가위로 사용해 교정하는 데 성공하면서 논쟁이 격렬해지고 있다.
기초과학연구원(IBS) 유전체 교정연구단 김진수 단장팀이 인간배아 유전자 교정을 통해 비후성 심근증 변이 유전자가 자녀에게 유전되지 않을 확률을 자연상태(부모 중 한 명이 변이 유전자 보유 시, 유전될 확률 50%)의 50%에서 72.4%로 높였다. 이 연구는 8월 3일 국제적 학술지 네이처에 게재되면서 그 중요성을 인정받았다.
이번 연구에서 눈여겨볼 점은 국내에서 배아를 이용한 실험을 할 수 없어 미국 오리건 보건과학 대학(OHSU) 미탈리포프 교수팀이 진행했다는 점이다. 국내에서는 ‘생명윤리 및 안전에 관한 법률’에 근거해 인간 배아와 태아의 유전자 치료에 대해서는 전반적으로 금지돼 있다. 이로 인해 연구팀은 배아 실험에 사용할 유전자가위를 제작해 제공만 하고, 정작 인간배아에 유전자를 교정하는 실험은 미국에서 수행했다.
유전자 가위란? 크리스퍼 유전자가위(CRISPR Cas9)란 박테리아의 면역체계에서 유래한 DNA 절단효소로 특정 유전자를 없애거나 더할 수 있고, 다른 염기서열로 교체할 수 있다. 유전자 가위는 유전질환을 치료하는 유전자치료에도 사용할 수 있다. 유자자 가위 1세대는 2003년 개발된 ‘징크핑거(zinc finger)’다. 이후 ‘탈렌(Talen)’이라는 2세대 유전자 가위가 등장했다. 1세대와 2세대 유전자 가위는 과정이 복잡하고 비용이 많이 들어 시장에서 자리 잡지 못했다. 그러다 3세대 유전자 가위 크리스퍼가 나타난 것이다.내용을 입력하세요.
김 단장이 연구에서 사용한 크리스퍼 유전자 가위가 위협적인 이유는 편집이 자유롭다는 점 때문이다. 그 능력을 이미 에이즈 치료에서 보였다. 에이즈는 HIV에 감염돼 나타나는데, HIV는 CCR5라는 수용체를 통해 인간 세포에 들어간다. 이에 유전자 가위를 이용해 CCR5 유전자의 일부를 잘라 HIV가 수용체에 결합하지 못하도록 막는 방식으로 치료를 시도했다. 국내에선 2015년 연세의대 약리학교실 김형범 교수팀이 유전자 가위로 RhD+ 혈액형을 RhD- 형으로 바꾸는 데 성공한 바 있다.
크리스퍼는 유전자를 넣을 수도 있다. 붙이고 싶은 DNA 조각을 같이 넣어주면 된다. 2015년 미국국립보건원(NIH)은 크리스퍼 기술을 이용해 암세포를 죽이는 살아있는 차세대 약물인 ‘CAR’를 세포에 도입하는 임상을 승인한 바 있다. 유전자 서열을 뒤집을 수도 있다. 혈우병 발병 원인으로 ‘FVIII’ 유전자 부위가 뒤집힌 경우가 있다. CRISPR 기술을 이용하여 유전자를 다시 정상적으로 돌려놔 혈우병을 치료하겠다는 것이다.
“인간배아 연구 허용해야” vs “측정할 수 없어 아직은 위험”
사회 분위기는 크리스퍼 유전자 가위를 암, 희귀질환, 에이즈 등을 치료하는데 사용하는 것에 대해서는 이견이 없는 듯하다. 문제는 유전자 가위를 인간배아 때부터 사용하느냐다. 국내에서 황우석 사태 이후 배아를 활용한 연구는 오랫동안 금기어에 가까웠다. 그런데 김 단장팀의 연구가 다시 배아 연구 찬반 논쟁에 불을 붙이고 있다.
김 단장은 유전질환으로 고통받는 환자들과 이들이 출산할 아이들을 생각한다면 지금이라도 인간배아 연구를 허용해야 한다고 강한 발언을 쏟아내고 있다. 최근 열린 연구성과 브리핑에서 김 단장은 “연구를 지금처럼 막으면 앞으로 기술축적이 불가능한 것은 물론 외국에 나가 배아 유전자 수술을 받아야 하는 부작용이 생길 수 있다”고 토로했다.
▲ 주요 국가별 배아 연구 허용 여부
반대 의견도 만만찮다. 유전자 가위가 정확하게 유전자를 제거했는지 측정할 수 없다는 것이다. 특히 의도하지 않은 부분을 자를 수 도 있고, 잘못 절단하면 기존에 없던 질병이 발생할 수 있는 위험이 도사리고 있다. 유전자 가위 편집 메커니즘을 알아낸 다우드나 교수조차도 안전성을 담보하지 못하고 있는 부분이기도 하다.
인간 배아와 관련된 윤리문제도 쉽지 않은 문제다. 찬성하는 사람들은 유전질환을 안고 태어나는 것보다 배아 상태에서 유전자 가위를 사용해 유전질환을 없애줘야 한다고 목소리를 높인다. 반대하는 측은 인간배아를 생명으로 간주하기 때문에 유전자를 편집하는 것은 옳지 않다는 입장이다. 유전자를 넣고 빼는 등의 맞춤형 아기를 우려한다.
인간배아 사용에 대한 가이드라인은 없다. 세계 각국이 각기 다른 기준을 적용하고 있어서다. 영국은 인간배아를 대상으로 하는 DNA 교정연구를 승인했다. DNA 교정연구에는 크리스퍼 기술을 사용하고 있고, 배아의 유전자를 교정해 배아의 성장과 착상을 연구하고 있다.
특별한 규제가 없어 인간배아 연구가 가장 활발한 국가는 중국이다. 2015년 크리스퍼 가위를 이용해 배아 유전자를 변형해 얻은 결과를 논문으로 발표해 세상을 놀라게 한 적도 있다. 일본도 우리나라보다 규제가 느슨한 편이다. 2016년 5월 유전자 교정을 통해 인간 수정란을 조작하는 행위를 기초연구에 한해 허용하기로 결정한 것이다.
미국도 유전자 가위기술에 대한 별도의 가이드라인은 확립되지 않은 실정이다. Sangamo Therapeutics사 등 선두기업은 미국 식품의약국(FDA)의 생물학적 제제 평가연구센터 (CBER : Center for Biologics and Research)에서 규정한 유전자치료제 규제 가이드라인에 따라 임상에 진입한 상태다.
▲ 크리스퍼 유전자 가위 시장 규모
여러 논쟁이 있지만 시장은 성장하고 있다. 전문가들은 크리스퍼 유전자 가위 시장은 2022년까지 지금보다 10배 이상 증가할 것으로 보고 있다. 유전질환이나 난치성질환 등에서 활용될 것이고, 유전체 기반의 맞춤의료가 발달됨에 따라 인간줄기세포 분야에서 수요가 더욱 증가할 것으로 내다본다. 기업 투자도 이어지고 있다. 인텔리아 테라퓨틱스가 노바티스로부터 1500만불(약 170억원), 스위스 크리스퍼 테라퓨틱스사가 독일 바이엘로부터 3억 유로 (약 3800억원)를 투자 받은 바 있다. 이들 회사들은 모두 유전자 가위기술을 이용한 치료제 개발에 중점을 두고 있다.
국내 기업으로는 툴젠이 있다. 지난해 크리스퍼 유전자 가위 원천기술에 대한 국낸 특허를 2건 등록하기도 했다. 현재 크리스퍼 원천기술에 대한 특허분쟁이 미국에서 진행되고 있어 미국 크리스퍼 관련 기업들과 비교했을 때 상대적 우위를 점했다는 평가다.
[김진수의 미래를 묻다] 유전자가위 든 인간, 진화의 설계자가 되다
생명과학이 연 인류의 미래
경영학의 아버지로 불리는 피터 드러커에 의하면, 미래를 예측하는 가장 좋은 방법은 바로 미래를 만드는 것이라고 한다. 그렇다면 어떻게 미래를 만들 수 있을까. 역사를 통해 그 답을 찾을 수 있다. 지난 수만 년 동안 인류는 새로운 기술과 도구를 개발하고 활용해 미래를 개척해 왔다. 예를 들어 석기·청동기·철기 시대는 무기와 수렵채집, 농업의 도구를 기준으로 선사(先史) 시대를 구분한 것이다. 보다 가까운 예를 들자면, 산업혁명을 촉발한 증기기관과 기차·철도의 발명과 정보화 시대를 초래한 컴퓨터와 인터넷의 개발을 들 수 있다. 이들 도구가 개발되기 전과 후의 인류는 전혀 다른 세상에서 살고 있다. 혁신적인 도구와 기술이 세상을 바꾸고 미래를 창조한 것이다.
유전자가위, 모든 동·식물에 적용
배아에 사용하면, 유전병도 완치
국내선 임상은 물론 실험도 금지
규제만 하면 석기시대 못벗어나
21세기에는 생명과학의 도구와 기술이 새로운 미래를 만들어 나갈 원동력이 될 것으로 기대된다. 그 조짐은 이미 20세기 후반부에 들어서부터 시작됐다. 이중나선 DNA 구조가 규명되어 분자생물학의 문이 활짝 열린 것을 계기로 물리학·화학의 시대를 넘어 생명과학의 시대가 펼쳐진 것이다. 코로나바이러스 진단에도 널리 활용되는 PCR, 항체는 물론이고 제한효소의 발견과 유전자 재조합 기술의 개발 등이 지난 20세기 생명과학 시대의 대표적 성과라고 할 수 있다.
21세기에 들어서도 생명과학 분야에서 놀라운 발견과 발명이 이어지고 있다. 특히 유전자가위의 개발은 인류 역사에 있어 상징적인 의미가 있다. 수천만 년에 걸친 진화의 산물인 인간이 이제 진화의 설계자가 된 것이다. 유전자가위는 살아있는 세포 내의 DNA를 잘라 염기서열을 교정하는 생물학적 도구를 의미한다. 지난 20여 년 동안 징크핑거 핵산분해효소, 탈렌, 크리스퍼 등 다양한 유전자가위가 개발되어 생명과학의 거의 모든 분야와 생명공학·분자의학의 도구로 널리 쓰이고 있다.
특히 세균에서 유래한 크리스퍼 유전자가위의 작동 원리를 규명한 제니퍼 다우드나 캘리포니아대 교수와 에마뉘엘 샤르팡티에 막스플랑크 연구소 단장은 지난해 노벨화학상을 받았다. 최근에는 기존 유전자가위와는 달리 DNA를 자르지 않고 염기서열을 교정하는 변형된 유전자가위들이 국내외에서 개발되고 있다. 필자는 지난 20년 넘게 유전자가위를 개발해온 연구자로서, 유전자가위가 무엇이고 어떤 일을 할 수 있을지, 유전자가위로 만들어질 미래는 어떤 모습일지에 대해 10문10답으로 풀어본다.
1. 유전자가위와 제한효소의 차이점은.
1970년대에 발견돼 유전공학의 도구로 널리 쓰여온 제한효소는 염기쌍 4개 내지는 6개를 인식해 자르는 미생물 유래 효소로서, 시험관에서 DNA를 잘라붙이는 유전자재조합 기술의 도구로 활용된다. 2000년대 이후 개발된 유전자가위는 염기쌍 18개 이상을 인식해 자를 수 있도록 고안된 인공적 제한효소다. 세포 내의 특정 유전자 염기서열만을 인식해 잘라 정교하게 교정하는 도구로 사용된다. 기존 제한효소는 너무 잘게 유전자를 자르기 때문에 세포 내 유전자 교정에는 사용될 수 없다.
2. 유전자가위는 어디에 쓰일까.
인간세포를 포함한 모든 동식물과 미생물의 유전자 염기서열을 교정하고 변이를 일으키는데 사용된다. 유전학자들은 유전자가위를 이용해 특정 유전자를 파괴하거나 변이를 일으킨 후, 그 결과를 관찰하는 과정을 통해 해당 유전자의 기능을 연구한다. 의생명과학자들은 질병의 원인이 되는 유전자를 고치거나 제거해 난치병을 치료할 수 있다.
3. 유전자가위로 만병통치가 가능한가.
그렇지 않다. 소분자 약제, 항체 등 기존 치료제로 치료할 수 있는 질병들이 더 많다.
4. 어떤 질병에 대한 치료가 가능한가.
유전질환·암·대사질환 등 다양한 난치병에 대한 유전자가위 치료제가 개발되고 있다. 향후에는 질병이 아닌 미용 등에도 활용될 가능성이 있다. 예를 들어, 탈모의 원인 유전자가 밝혀지면 유전자가위로 대머리 치료를 할 수도 있다.
5. 유전자가위를 질병 치료에 활용하는데 있어 가장 큰 걸림돌은 무엇인가.
유전자가위는 세포막을 통과하지 못하는 거대 분자이기 때문에 환자 세포 안으로 전달시키는 것이 어렵다. 조혈모세포·면역세포 등 혈액을 통해 쉽게 취할 수 있는 세포들은 체외에서 전기충격을 통해 유전자가위를 전달한 후 다시 세포를 환자에 주입할 수 있으나 대부분의 다른 세포들에는 직접 유전자가위를 전달해야 한다. 그래서 최근 바이러스 전달체, 나노입자 등을 이용한 유전자가위 전달 방법이 개발되고 있다.
6. 질병 치료를 위해 환자의 모든 세포에 존재하는 유전자를 전부 교정해야 하는가.
그런 경우도 있지만 대부분 그렇지 않다. 예를 들어 실명 질환을 치료하기 위해서는 망막세포 일부만 교정해도 충분하다.
7. 유전자가위가 원치 않는 돌연변이를 유발할 수 있나.
목표로 하는 표적 염기서열 이외에 다른 곳에서 변이를 일으킬 수 있다. 이를 정확히 측정하고 제어하는 방법들이 개발되어 임상 연구에 활용되고 있다.
8. 배아(胚芽)와 태아에도 적용할 수 있나.
난자와 정자가 수정된 이후 초기단계인 배아에 적용하는 것이 더 쉽고 효율적이다. 인공수정을 통해 배아를 만든 후 유전자가위를 주입하면 100% 모든 세포에서 유전자 교정이 가능하다. 다만 인공수정 중 여러 개의 배아가 만들어지고 산모에 이식되지 않는 배아는 결국 파괴되기 때문에 윤리적 문제를 제기하는 종교인들과 학자들이 있다.
국내 생명윤리법은 임상은 물론이고 연구 목적으로도 인간 배아를 만들어 실험하는 것을 금지하고 있다. 유럽과 미국 등 선진국을 포함한 세계적 추세를 보면, 배아 연구는 허용하되 유전자가 교정된 배아를 산모에 이식하는 임상은 당분간 금지 또는 유보하자는 입장이다. 이론적으로는 배아가 아닌 태아의 유전자 교정도 가능하고 실제 동물 실험에서 그 가능성이 입증되었다. 발달 과정 초기에 질환을 초래하는 유전병의 경우 태어난 다음에는 이미 늦기 때문에, 배아와 태아에서 유전자 교정을 시도할 필요가 있다. 다만 국내 생명윤리법은 배아는 물론이고 태아에 대한 유전자치료 역시 포괄적으로 금지하고 있다.
최근 크리스퍼 유전자가위를 변형한 베이스 에디터, 프라임 에디터 등이 개발되었다.
9. 그렇다면 기존 유전자가위는 쓸모없게 된 것인가.
그렇지 않다. 유전자가위마다 장단점이 있어서 이전에 개발된 것들도 여전히 널리 활용될 것으로 보인다. 예를 들어 각각 1세대, 2세대 유전자가위로 불리는 징크핑거 유전자가위, 탈렌도 생명과학 연구와 임상시험에 여전히 폭넓게 활용되고 있다.
지난 수십 년 동안 생명과학자들은 유전자 교정을 위한 도구상자를 채워 가고 있다고 볼 수 있다. 새로운 도구가 개발되면 이전에는 어려웠던 방식의 유전자 교정이 가능하게 되어 요긴하기 때문에 새로운 유전자가위가 계속 개발되고 있는 것이다. 드라이버가 새로 개발되었다고 해서 기존 도구상자에서 가위나 망치·스패너를 버리지 않는 것과 마찬가지다.
10. 인간이 아닌 다른 동식물에 유전자가위를 활용하는 경우 혜택과 문제는.
유전자가위를 이용해 우리 주변 모든 동식물의 유전자 교정이 가능하다. 이를 통해 병충해에 강한 가축, 농작물을 만들 수 있다. 예를 들어 국내외 연구진에 의해 건강에 좋은 불포화지방산 함량이 높아진 대두, 독성 성분이 원천 제거된 감자 등이 이미 개발되었다. 다만 이렇게 만들어진 동식물이 GMO(유전자변형생물)에 해당하는지에 대한 논란이 있다.
미국·일본·남미 등지에서는 유전자가위를 이용해 외부 유전자 도입 없이 농작물 유전자 변이를 일으킨 경우에는 기존 육종법에 의해 새롭게 만들어지는 신품종과 구별할 수 없기 때문에 GMO 규제를 하지 않기로 결정했다. 하지만 EU 법원은 여전히 GMO 규제 대상임을 밝혔다.
이제 우리 사회는 합리적 토론과 합의를 거쳐 21세기 들어 가장 혁신적인 생명과학 도구로 평가받는 유전자가위를 이용해 인류의 새로운 미래를 만들어 나가는 데 동참할지, 아니면 잠재적인 위험을 두려워해 각종 법률과 규제로 과도하게 묶어둘지 선택해야 하는 상황에 직면했다. 다만 선사시대 때 철기로 만든 무기와 도구는 위험하고 비윤리적이니 석기와 청동기만 사용하자는 부족이 있었다면 어떻게 되었을지 상상하기는 어렵지 않다.
◆김진수 유전자가위 분야의 세계적 석학이다. 국제학술지 네이처가 2018년 ‘동아시아 스타 과학자 10인’중 한 명으로 꼽았다. 서울대 화학과를 졸업하고 미국 위스콘신 매디슨대에서 생화학 박사학위를 받았다. 생명공학기업 툴젠의 창업자이며, 기초과학연구원(IBS)의 유전체교정연구단장을 맡고 있다.
김진수 기초과학연구원(IBS) 유전체교정연구단장
[질병관리본부] 새로운 유전체 편집 기술이 실험실 생물안전에 미치는 영향 고찰
새로운 유전체 편집 기술이 실험실 생물안전에 미치는 영향 고찰
유민수, 신행섭, 강연호*
질병관리본부 국립보건연구원 생물안전평가과
임재환
국립안동대학교 생명과학과
*교신저자: [email protected], 043-719-8040
[Abstract]A systematic review for the effect of emerging genome editing technology on laboratory biosafety
Yu minsu, Shin Haeng-Seop, Kang Yeon-Ho
Division of Biosafety Evaluation and Control, KNIH, KCDC
Lim Jae-Hwan
Department of biological science, Andong National University, South Korea
Background: Genome editing technology is a powerful tool for rewriting DNA sequences in all organisms. This technology is generally used in gene functional research, development of high value-added plant or animal models, and treatment of rare refractory diseases. It is the principle of modifying the characteristics of genes by cutting or repairing specific region in a gene.
Current status: Genome editing technology are divided into four generations depending on the types of nucleic acid digestion enzyme and gene targeting methods. Despite the advances in technology, there are still problems to solve such as off-target effect. Although genome editing technology is not inherently dangerous, it can increase exposure times and exposure concentrations due to inexpensive and easy testing methods. This may cause adverse effects and/or increase the number of risk factors such as off-target effect and alteration of expression profiles.
Future perspectives: A novel approach strategy for the safety of new recombinant technologies should be developed to ensure systematic laboratory biosafety with technical measures. Since the approach strategies applicable to each case vary, it is also necessary to study the standardization and improvement of the existing risk assessment systems such as the introduction of risk assessment factors on unintentional exposure and potential risks.
들어가는 말
유전자가위로 대표되는 유전체 편집 기술(genome editing technology)은 모든 생명체의 DNA 염기서열을 고쳐 쓸 수 있는 강력한 도구다. 기본적으로 원하는 유전자를 절단하고 수선하는 메커니즘을 통해 원하는 특성을 삭제하거나 추가하는 도구로서 일반적으로 유전자 기능 연구, 고부가가치 유전자 변형 동‧식물 개발, 유전병 및 난치성 질환 치료에 이용된다.
하지만 유전자가위 기술의 상용화에 있어 안전성 문제와 생명윤리 등의 논란이 지속적으로 제기되고 있다. 가장 큰 문제는 원하는 유전자를 정확히 제거할 수 있는지 측정할 방법이 없어, 유전자가위가 표적 유전자의 염기서열과 유사한 염기서열에도 변이를 일으킬 가능성(off-target effect, 이하 오프타겟 효과)이 있다는 점이다. 이러한 오프타겟 효과는 환자의 생명 등 안전에 영향을 미칠 수 있다는 점에서 유전체 편집 기술의 안전성에 대한 논란의 원인으로 지목되고 있으며[1] 실험실에서 유전체 편집 기술을 이용할 경우 의도적으로 치료제/소독제 내성 병원체를 손쉽게 개발하거나 의도하지 않은 병원성을 가진 유전자 변형 생물체(Living modified organism, LMO)를 만들어냄으로써, 실험실 유래 생물안전사고의 발생 가능성이 증가될 수 있다.
따라서 본 글에서는 새로이 등장한 유전자가위 기술의 특성을 설명하고, 해당 기술에 의해 발생 가능한 실험실 생물안전 사항을 고찰하여 이의 대응방향에 대해 논의하고자 하였다.
몸 말
유전자가위는 targeting(이하 유전자적중), cutting(이하 절단), repair(이하 복구)의 3단계로 기능한다.
유전자적중은 유전자가위가 원하는 염기서열에만 선택적으로 달라붙는 단계로, 유전자 선택에 단백질을 이용한 1세대 및 2세대 기술과 RNA를 이용하는 3세대 기술로 구분한다. 절단은 제한효소와 비슷한 핵산분해효소에 의해 이루어지지만 특정 조건을 만족한다면 어디든지 원하는 위치를 자를 수 있다는 점이 다르다. 다만 복구는 세포의 자체적인 회복기작에 따라 이루어진다.
유전자가위가 DNA를 특이적으로 절단하면 이중가닥 절단(double strand break, DSB)이 생기게 된다. 이때 세포는 피해를 최소화하기 위해 내재적 복구 기작을 이용하여 잘린 DNA를 다시 붙인다. 복구의 메커니즘은 오류가 일어나기 쉬운 비상동재조합(non-homologous end joining, NHEJ) 경로와 정교하게 수선되는 상동 인도 복구(homologous directed repair, HDR) 경로를 따른다.
NHEJ는 주형(template) 없이 이어붙이는 효율적인 기작이지만 절단부위에 돌연변이를 일으켜 유전자의 기능을 침묵(silencing) 시킬 수 있는데, 이 특성을 이용해 유전자 기능 연구 또는 질병의 매개체 또는 원인을 제거하는 유전자 교정에 사용한다. HDR은 세포내 상동염색체나 유사한 외부 DNA를 주형으로 이용하여 정교하게 수선하는 기작으로, 주형 유전자를 사용한 돌연변이를 유도할 수 있다는 점에서 새로운 유전체를 집어넣는데 이용되거나 유전자 치료용 기술로 활용된다. 하지만 HDR의 효율은 NHEJ에 비해 낮은 편이다.
1. 유전자가위 기술의 메커니즘과 이용형태
지금까지 개발된 유전자가위 기술은 핵산분해효소와 유전자적중 방식에 따라 총 3세대까지 구분한다. 1세대 유전자가위인 ZFN(zinc finger nuclease), 2세대 유전자가위인 TALEN(tranion activator-like effector nuclease)은 절단을 위한 핵산분해효소인 FokI과 유전자적중에 이용되는 단백질을 연결한 단백질 기반 도구이다. ZFN은 유전자적중에 zinc finger motif를 DNA와 결합하는 도메인으로 사용하고, TALEN은 식물병원체(Xanthomonas spp.)의 TAL effector 단백질을 DNA 결합 도메인으로 사용한다(Figure 1).
ZFN과 TALEN은 기존의 유전자 변이를 일으키는 방법에 비해 특이성과 효율성에서 장점이 있어 세포 수준뿐만 아니라 다양한 동식물의 DNA 변이를 일으키는데 이용되었지만 표적 DNA가 달라질 때마다 단백질을 변형시켜야 하는 어려움이 있어 비용과 시간이 많이 들며, 취급이 어렵다는 단점을 갖고 있다. 특히 ZFN은 유전자적중에 이용되는 인식부위가 짧아(9～18 bp) 비의도적인 오프타겟 효과를 일으킨다는 점에서 안전성도 낮은 편이다. 이에 비해 TALEN은 인식부위가 상대적으로 길고(14～20 bp), 단백질 기반으로 결합하기에 특이성이 높아 오프타겟 효과가 거의 일어나지 않는다는 장점이 있다.
3세대 유전자가위인 CRISPR/Cas9는 1세대와 2세대에 비해 구현되는 메커니즘이 완전히 다르다. CRISPR은 1987년 일본의 요구르트 회사에서 산업적으로 이용되는 유산균에 감염되는 파지(phage)를 연구하다가, 원핵생물체에 짧은 반복 염기서열이 유사하게 존재하는 것을 확인함으로써 발견되었다. 이후 이 염기서열에 CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeat)이라는 이름이 붙여졌고, 2007년 CRISPR은 박테리아가 외부 침입에 대응하는 면역체계의 일부로 확인되었다(Figure 2).
인간의 면역체계와 유사하게, 박테리아 또한 외부에서 유전자가 침입해 오면 이를 분해하고 파괴하는 면역체계를 갖고 있다. 박테리아는 파괴한 외부 유전자의 일부분을 잘라 유전체에 저장해 두었다가, 다시 침입해 올 경우 발현시켜 즉각 대응하는데 이것이 박테리아의 면역체계인 CRISPR 시스템이다.
3세대 유전자가위인 CRISPR/Cas9은 화농성 포도알균(Staphylococcus pyogenes)의 면역체계를 이용해 침입유전자 정보저장에 이용되는 crRNA를 유전자적중 도구인 sgRNA로 활용하고, 유전자를 절단하는 핵산분해효소인 Cas9 단백질과 함께 이를 가동시키는 tracRNA를 연결한 것이다(Figure 2). 이러한 CRISPR/Cas9은 DNA의 20 bp를 절단부위로 인식하므로 이론상 TALEN처럼 특이성이 높아야 한다. 그러나 실제로 인체에서 4중 내지 6중의 오프타겟 효과의 가능성이 보고된 바 있다[2].
그 외로 CRISPR/Cpf1은 CRISPR/Cas9에 비해 두 가지의 큰 차이가 있다. 먼저 핵산분해효소로 Prevotella 속 및 Francisella 속의 Cpf1을 사용하면서 tracRNA가 이용되지 않는다. 또한 Cpf1 또한 Cas9에 비해 작으며 인식을 위한 필수부위도 다르고 절단부위 또한 직선으로 절단하는 Cas9에 비해 5 nucleotide의 차이가 나도록 어긋나게 잘리므로 이용과 편집이 용이하다(Figure 3).
2. 오프타겟 효과와 발현 양상(expression profile)
오프타겟 효과는 본래 독성학이나 화학물질 위해성 평가에서 사용되는 용어로, 생명공학에서는 원하는 DNA염기서열과 비슷하지만 원하지 않은 다른 곳에서 DNA를 절단하는 현상을 의미한다. 이는 생명체의 유전자가 원하지 않는 부위에 손상을 입는다는 뜻이다[4].
생명공학에서 오프타겟 효과에 대한 논의가 활성화된 계기는 2002년 등장한 RNA 간섭(RNA interference, RNAi)을 이용한 유전자재조합의 위해논란이었다. RNAi는 21～25 bp의 이중가닥 RNA가 상보적인 서열을 가지는 mRNA와 결합하여 분해됨으로써, 세포 내 기능과 유전자의 발현을 억제한다. 이러한 RNAi는 매우 서열 특이적인 현상이지만, 생체 내에서는 몇 개의 서열 불일치가 있다 하더라도 RISC(RNA induced silencing complex)와 작은 리보핵산의 복합체가 mRNA를 인지하여 분해할 수 있으므로 원하지 않은 다른 곳에서 유전자의 발현이나 세포의 발달 억제, 세포 생존율 저하[5] 등의 오프타겟 효과가 다양하게 발생하였다[6].
이러한 오프타겟 효과는 RNAi를 이용하려는 연구자들에게 오랫동안 큰 문제가 되어왔다. 오프타겟 효과 발생빈도는 siRNA의 양 및 구조에 따라 결정되는 경향이 있으므로, 오프타겟 효과 발생빈도를 감소시키기 위해 RNAi의 설계를 최적화하는 연구가 활발하게 진행 중에 있다. 그 외에도 mRNA와 단백질의 안정성 및 세포 내 위치, RNAi machinery protein들의 상태, 다양한 유전적 보상기전(genetic compensation mechanisms) 등 아직 설명할 수 없는 여러 요소들에 의해 RNAi 효율이 결정되며, 필수적으로 수행되는 과정인 RNA/DNA 형질주입(transfection) 또는 바이러스성 감염(viral infection) 과정에서 발생되는 세포의 스트레스 및 손상에 의한 발현 양상(expression profile)의 변화 또한 RNAi의 문제점으로 제시되고 있다[7].
RNAi와 마찬가지로 유전자가위 또한 비특이적인 곳에서 이중가닥 절단이 일어나면 해당 지역에 돌연변이가 생성될 가능성이 매우 높아진다. 이러한 비특이적인 돌연변이는 해당 세포를 사멸하게 하거나 그 기능을 변질시킬 수 있는데, 비특이적 절단이 일어날 가능성은 유전자가위가 세포 내에 발현되는 시간이 길어질수록 증가한다[8, 9]. 때문에 기본적으로 sgRNA를 최적화함으로써 오프타겟 효과를 저감하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며[10], 그 외로 유전자가위를 되도록 짧은 시간 동안 발현하도록 하는 등 유전자가위의 부작용을 줄일 수 있는 여러 방안이 제시되고 있다[4].
이와 같이 유전자가위로 인해 발생할 수 있는 오프타겟 효과의 발생 가능성과 이에 대한 대응방법의 연구는 RNA 간섭기술의 형태와 매우 닮아있다. 3세대 유전자가위와 또한 RNA를 기반으로 하는 sgRNA를 이용함으로 RNAi 기술이 가진 오프타겟 효과와 발현 양상의 변화문제가 동일하게 나타나는 것으로 추정된다.
따라서 유전자 편집기술의 문제점인 오프타겟 효과의 해결을 위해서는 유전자적중의 특이성(specificity)을 높이거나, 오프타겟 돌연변이를 손쉽게 확인 할 수 있는 방법이 개발되어야 하며, 유전체 편집기술의 안전성은 오프타겟 효과 빈도를 결정하는 유전자적중의 특이성에 따라 결정된다고 할 수 있다. 3세대 기술인 CRISPR은 2세대 기술인 TALEN과 비교했을 때 세포독성(cytotoxicity) 등 안전성이 낮다고 평가되는 것도 이 때문이다(Figure 4).
3. 해외의 신규 생명공학기술과 인체 위해성 평가
최근 바이오안전성의정서에는 이전의 유전자 변형 생물체의 안정성 및 인체 위해성을 평가하기 위하여 직접적(targeted) 및 간접적(semi-targeted) 그리고 비의도적인(un-targeted) 변이를 구분하고 이들의 분석을 위한 최근의 기술을 아래의 표(Table 1)와 같이 제시하고 있다. 이에 따라 인체 위해성 평가체계의 수정이 필요하다. 특히 유전자가위 등 신기술에 의해 개발된 유전자 변형 생물체의 위해성 심사에서 적용되는 의사결정체계는 보건복지부, 식품의약품안전처, 미래창조과학부 등 관련 부처별로 일부 상이한 부분이 존재하므로, 국제적인 기준이 반영된 공통된 원칙의 마련이 필요할 것으로 사료된다.
EU는 2012년부터 신규 육종 기술들을 활용해 개발되고 있는 작물들에 대한 위해성 평가기준을 마련하고 있으며 2014년 이후 각종 포럼을 통하여 환경 위해성 부분에 관한 평가 지표 및 규제방안 등에 대한 논의를 진행하고 있다.
또한 미국 농무부는 게놈 편집 식물이 외래 DNA를 가지고 있지 않은 경우 등이라면 유전자 변형이 아니라고 판단하고 있으며 많은 경우의 게놈 편집이 이 경우에 해당할 수 있다. 반면에 EU는 자연적인 짝짓기나 재조합이 아닌 방식으로 변경한 경우 생물체는 유전자 변형으로 간주하고 있으며 더불어서 자연 상태에 존재하지 않는 형태의 서열을 가지는 게놈 편집 식물을 대체로 유전자변형체(genetically modified organism, GMO)라고 판단하고 있다. 위에서 보듯이 각국은 그 이해관계에 따라 신규 기술을 적용한 유전자 편집 생물체의 GMO 판단이 각각 다르며 현재까지의 유럽법과 국제법에서는 유전자 편집된 생물은 GMO의 정의에 속하는 것으로 판단된다(Table 2).
유전자 편집 기술은 전통적인 유전공학 기법보다 더 정확하지만, 새롭게 생성된 식물 등에 비의도적으로 예기치 않은 영향이나 예측할 수 없는 영향을 줄 가능성이 여전히 존재하며 현재 상업적 유전자 변형(genetically modified, GM) 작물은 개발기관들이 예상치 못한 효과를 초래할 수 있다는 것과 식품 안전 및 환경에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 RNAi 기술, 유전자 편집기술, NBT 기술 등을 포함하는 신기술을 활용한 유전자 발현 변형 생물체의 GMO 판단을 위해서는 공청회 등을 통한 사회적 논의가 선행되어야 하며, 이를 위하여 신기술을 이용하여 개발된 유전자 변형 생물체의 인체 위해성의 판단에 대한 표준화 과제를 추진하여야 할 것으로 사료된다.
4. 유전자가위 기술과 실험실 생물안전
유전자가위 기술이 실제 실험에 이용되는 형태는 크게 네 가지로 구분될 수 있다. 일반적인 이용방법인 플라스미드(plasmid)에 CRISPR 카세트를 넣어 세포주에 직접적으로 전달하는 방법, in vitro에서 전사(transcribed)시킨 sgRNA와 정제된 핵산분해효소를 수정란에 미량 주사하는 방법(microinjection), 체세포 변이를 위해 높은 역가(titer)를 가지는 바이러스성 벡터에 CRISPR을 넣고 조직이나 세포에 도입하는 방법, 마지막으로 가이드 라이브러리를 제작해 바이러스성 벡터에 삽입하여 유전체 수준의 기능선별방법(genome-scale functional screening)이 있다(Figure 5).
실험실 수준에서 유전자가위 기술 자체가 가지는 특성과 취급방법을 고려할 때, 해당 기술에 의한 오프타겟 효과와 발현 양상에 의한 위해 수준은 기존의 유전자재조합 기법에 비해 크지 않다. 그러나 기존의 유전자재조합 기법과 비교했을 때 유전자가위 기술이 가지는 가장 큰 차이점은 바로 저렴한 비용과 실험의 용이성이다.
고가의 장비나 훈련을 통한 수련이 필요했던 기존의 기술과 비교했을 때 유전자가위 기술은 매우 강력한 접근성을 가진다. 따라서 매우 다양한 유전자재조합이 다량으로 진행될 수 있으며 다른 유전자재조합 기술, 특히 하나의 종을 사멸시키는 유전자 드라이브(gene drive) 기술과 함께 이용할 경우 발생 가능한 위해성을 고려해야 한다.
위해성이란 발생 가능성(likelihood)과 심각성(consequence)의 곱셈으로 계산되며, 이를 위해 노출 가능성과 노출량, 용량-반응평가를 통해 평가된다(Figure 6). 유전자가위 기술은 노출 가능성과 노출량을 증가시키는 유전자재조합 기술이며, 오프타겟 효과와 발현 양상은 위해요인의 수를 증가시킨다. 특히 유전자가위 sgRNA의 설계오류는 오프타겟 효과와 발현 양상을 발생시키는 원인이므로, 적절한 실험 설계 및 실험 종사자에 대한 충분한 생물안전교육과 철저한 생물자원의 취급관리로 실험실에서 시작되는 생물위해가 발생하지 않도록 사전에 대응할 필요가 있다.
맺는 말
신종감염병의 발생과 확산이 증가함에 따라 백신 개발 등을 위한 고위험병원체의 취급 수요가 증가하였으며, 이에 따라 유전자재조합 실험도 함께 증가하고 있다. 이에 연구시설의 생물학적 사고 및 의도적 생물테러 발생으로 인한 질병 대유행 발생에 대한 우려가 제기되고 있다.
예를 들어 2003년 싱가포르[21]와 대만[22]에서 발생한 SARS virus의 실험실 획득감염 사고, 2014년 US CDC에서 보관 중이던 탄저균 노출사고와 조류독감 균주의 운송사고[23], 2014년 US FDA 메릴랜드 베데스다 연구시설에서 발생한 Smallpox 등 인체 위해성이 높은 감염성 병원체 재고관리 실패[3] 및 2015년 미국 국방성의 탄저균 배송사고[24] 등의 사례는 이러한 우려에 설득력을 더하고 있다.
미국의 실험실에서 잠재적인 대유행 병원체(potential pandemic pathogens, PPPs)가 유출될 발생 가능성(likelihood)은 80%로 추정되며[25], 심각성(consequence)은 지난 10년간 5%에서 27%로 증가하였다고 측정됨에 따라[26], 실험실 유래 대유행 위해성은 21.6%로 계산된다.
유전자가위 기술은 저렴하고 사용이 편리하여 GM 바이러스 병원체의 발생을 증가시키므로 이러한 GM 병원체가 유출될 발생 가능성(likelihood) 또한 증가시킨다. 또한 유전자가위 기술은 유전체의 편집을 용이하게 하므로 의도적/비의도적인 바이러스 유전체 변형빈도를 증가시키며 이 과정에서 기존 치료제/백신 등에 내성을 가질 가능성이 증가한다. 실제로 바이러스 염색체에서 1개 혹은 2개의 염기서열에 돌연변이가 일어날 경우 해당 돌연변이 바이러스는 치료제나 약제에 내성을 갖게 된다.
결과적으로 의도적/비의도적으로 유전체가 편집된 LM 바이러스 병원체는 치료제에 내성 또는 pathogenesis 관련 유전자에 변형이 이루어질 가능성이 증가하여 심각성(consequence) 또한 증가시킨다. 따라서 유전자가위 기술은 바이러스성 병원체의 발생 가능성과 심각성을 크게 증가시켜 위해도를 높이므로, 실험실 유래 대유행 가능성을 증가시킬 수 있는 기술이라 사료된다. 따라서 유전자재조합 기술의 안전을 확보하기 위한 기술적 조치와 함께 체계적인 실험실 생물안전을 확보할 수 있는 전략적 접근방법이 개발되어야 한다. 다만 사례별로 그 적용은 차이가 있을 수 있으므로, 비의도적인 노출과 잠재적 위해성에 관한 위해성 평가 요소의 적용은 필수적이다. 이를 위해 위해성 심사 시 비의도적인 노출과 잠재적 위해성에 관한 위해성 평가 요소의 도입 등 현행 위해성 평가체계의 개선 및 평가기술 표준화연구가 필요하다고 판단된다.
이 글은 2016년 국립안동대학교가 수행한 질병관리본부의 학술연구 용역과제 결과보고서인 “유전자가위(CRISPR) 등 새로운 유전자 변형 생물체 개발 기술에 대한 인체 위해성 평가기준 개발 연구”의 일부를 요약 후 세부사항을 추가 및 보완하여 정리한 것입니다.
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출처 : 질병관리본부(바로가기)
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