유전체의 구조적 변이는 혈우병, 암, Fragile X 증후군과 같은 유전질환을 일으킴
유전자 가위를 이용해 환자유래 줄기세포에서 이러한 유전체의 복잡한 구조적 변이를 교정 한 후 그 환자에게 다시 세포치료제로 사용 가능 (유전자 및 세포치료제)
유전자 가위를 이용해 각종 암 모델을 만들어 암 연구 및 신약 개발에 활용 가능
Cell 자매지 Trends in Biotechnology (IF=11.96)에 총설로 전략 소개
최근 가장 화두가 되고 있는 유망 기술 중 하나가 유전자 가위 기술이다. 각종 질병 세포 및 동식물에서 유전자 가위를 이용하여 유전자를 직접 편집함으로써 질병의 원인이 되는 유전자를 교정하거나 혹은 품질이 우수한 동식물을 만드는데 활용되고 있다.
연세대 의대 김동욱 교수는 2015년 박철용 박사, 성진재 학생과 같이 혈우병 (IBS 김진수 교수팀과 공동연구), Fragile X 증후군 (취약 X 증후군) 등의 환자 유래 역분화 줄기세포(iPS cells)에서 고장 난 유전자를 세계 최초로 교정하여 셀 스템 셀(Cell Stem Cell, IF=22.2), 셀 리포트 (Cell Reports, IF=8.3)등 셀 (Cell) 자매지에 논문으로 발표한 바가 있다.
그 후 이렇게 유전자 교정된 줄기세포를 그 환자에게 다시 세포치료제로 사용하려는 연구가 계속되고 있다. 이러한 질병에서 유전자 변이는 보통의 단순 변이 (Point mutation)보다 아주 복잡한 염색체의 구조적 변이 (Structural Variations)를 수반하는 경우가 많다.
김 교수팀은 최근 셀 (Cell) 자매지 트렌드 인 바이오테크놀로지 (Trends in Biotechnology)에 좀 더 복잡한 구조적 변이 관련 질병의 유전자 교정 및 질병 모델링에 대한 총설을 발표하였다. 이 총설에서는 크리스퍼같은 유전자 가위를 이용하여 환자 유래 줄기세포 혹은 암세포에서 구조적 변이인 염색체 역위 (Inversion), 염색체 전좌 (Translocation), 반복염기서열의 과다증폭 (Short nucleotide repeat expansion) 변이를 어떻게 교정하고, 또 어떻게 만들 수 있는지 (질병 모델링) 그 전략에 대하여 보고하였다. 환자 유래 줄기세포 (iPS 세포)에서 유전자를 교정하면 그 교정된 줄기세포를 다시 그 환자에게 세포치료제로 (유전자 및 세포치료제) 사용 할 수 있다. 또 유전자 가위로 인위적인 암 모델을 만들면 암이 생기는 질병 연구 및 신약 개발에 활용이 가능하다.
염색체 역위는 혈우병 및 일부 폐암 등에서 주로 발견되는 변이로 유전자 일부분이 뒤집어져 있다. (그림 1). 그 결과 유전자가 망가지거나(혈우병의 경우), 서로 다른 유전자가 융합되어 비정상적으로 발현(폐암의 경우)하게 된다. 이러한 유전자 역위의 경우 그림1에서 보는 바와 같이 하나의 유전자 가위로 뒤집어진 부위의 서로 유사한 상동 염기 서열을 자르게 하여 다시 뒤집게 하거나 혹은 두개의 서로 다른 유전자 가위로 뒤집어진 부위의 양쪽을 잘라 다시 뒤집어 정상으로 되돌릴 수 있다.
염색체 전좌는 백혈병 (Leukemia)이나 육종 (Sarcoma)을 비롯 각 종 암에서 흔히 발견되는 것으로 어떤 염색체 일부분이 떨어져 나와 다른 염색체에 결합함으로써 형성되는 변이이다. (그림 2). 이러한 변이는 대개 서로 다른 유전자끼리 융합을 매개하여 유전자 발현의 이상을 초래함으로써 각종 암을 일으키는 것으로 알려져 있다. 이 경우 교정 전략으로는 전좌 현상이 일어난 염색체 부분을 유전자 가위로 잘라 잘린 염색체 부분을 원래의 위치로 이동시킴으로써 염색체 전좌를 교정할 수 있다.
반복염기서열의 과다증폭은 취약 X 증후군, 헌팅턴 병과 같은 질병에서 흔히 발견된다. 이러한 질병에서는 짧은 길이의 염기 (예, CGG, CAG등)가 과다 반복되어 나타난다. (그림 3). 비록 정상인의 경우에서도 이러한 반복 서열이 적당한 길이로 존재하지만 (예: CGG가 55번 이하 반복), 이러한 반복 서열이 과다증폭하게 되면 (예: CGG가 200번 이상 반복) 유전자의 발현에 이상을 초래하거나 혹은 단백질의 기능에 영향을 주어 질병으로 발전하게 된다. 이러한 반복염기서열의 과다 증폭의 경우, 과다 증폭된 양 말단이나, 한쪽 말단 혹은 반복서열 내부를 유전자 가위로 절단하여 정상적인 수준의 반복 염기 서열을 가지도록 교정할 수 있다.
김 교수는 “이러한 구조적 변이는 생물체 진화에 있어 유전체의 다양성을 증가시키는 기능을 하지만, 경우에 따라 혈우병, 암, 취약 X 증후군과 같은 유전질환을 일으키기도 한다”며, “최근 크리스퍼(CRISPR/Cas9)같은 맞춤형 유전자 가위 기술의 발전은 이러한 유전체의 구조적 변이를 교정하고, 또한 질병 모델을 만들어 질병 연구 및 신약 개발 연구에 크게 기여하고 있다”고 말했다.
* (논문제목) Genome Editing of Structural Variations: Modeling and Gene Correction
* (제1저자) 연세대학교 의과대학 박철용 박사
* (교신저자) 줄기세포기반 신약개발연구단장 김동욱 교수(연세대 의대 교수)
연 구 결 과 개 요
Genome Editing of Strucutural Variations: Modeling and Gene Correction
Chul-Yong Park, Jin Jea Sung, and Dong-Wook Kim
(Cell 자매지 Trends in Biotechnology, IF=11.96)
염색체의 구조적 변이는 유전자를 이루는 DNA의 일부분에 역위(inversion), 전좌(translocation), 반복염기서열의 과다증폭 (short nucleotide repeat expansion) 등에 의해 DNA 서열이 구조적으로 변화되는 현상을 일컫는다. 이러한 구조적 변이는 생물체 진화에 있어 유전체의 다양성을 증가시키는 일반적인 기능을 하지만, 경우에 따라 혈우병, 암, 취약 X 증후군과 같은 유전질환을 일으킨다. 최근 맞춤형 제작이 가능한 징크핑거(ZFN), 탈렌(TALEN), 크리스퍼(CRISPR/Cas9)같은 유전자 가위 기술의 발전은 이러한 유전체의 구조적 변이를 만들어 질병 연구 및 신약 개발에 사용하거나 (질병 모델링), 또는 변이된 유전체를 교정하는데 크게 기여하고 있다.
이 총설에서는 역위, 전좌, 반복염기서열 과다 증폭 현상 등을 교정할 수 있는 다양한 전략을 소개하고, 혈우병, 암, 취약X증후군, 헌팅턴 병 등을 포함해 다양한 유전자 변환 질환을 유전체 수준에서 유전자 가위로 교정 가능함을 보여준다.
용 어 설 명
1. 유전자가위
유전자의 특정 부위를 절단하여 유전체 교정을 가능하게 하는 인공 효소. 처음 개발된 유전자가위로는 징크핑거 (ZFN)가 있으며, 탈렌(TALEN), 크리스퍼 (CRISPR/Cas9) 유전자 가위가 각각 순차적으로 개발되었다.
2. 유전체의 구조적 변이 (Chromosomal structural variation)
작게는 50bp 에서부터 크게는 수백만 bp까지의 DNA서열에서 발생하는 구조적 변이로써 역위(inversion), 전좌(translocation)등과 같은 현상을 일컫는다. 이러한 구조적 변이들은 생물 진화에 있어 유전체의 다양성에 기여하나, 경우에 따라 인간에게 각종 질환, 혈우병, 암 등을 유발하는 것으로 알려져 있다.
3. 염색체 역위 (Inversion)
염색체 내에서 DNA 서열 일부분의 방향이 뒤집어져 연결되는 변이이다. 이러한 변이에 의해 대상 유전자에서 정상적인 단백질이 발현되지 못하거나, 서로 다른 유전자가 융합되어 비정상적으로 발현할 수 있다. 이러한 유전자 역위는 A형 혈우병 및 폐암의 일부 사례에서 나타는 것으로 알려져 있다.
4. 염색체 전좌 (Translocation)
염색체의 일부분이 떨어져 나와 다른 염색체에 결합함으로써 형성되는 변이이다. 특히 이러한 변이는 대개 서로 다른 유전자끼리의 결합을 매개하여, 유전자 발현의 이상을 초래함으로써 각종 암을 일으키는 것으로 알려져 있다.
5. 반복염기서열의 과다증폭 (Short nucleotide repeat expansion)
유전체의 특정 위치에 짧은 길이의 염기서열(예, CGG, CAG등)이 과다 반복되어 생기는 변이이다. 정상인의 유전체에서는 이러한 반복염기서열이 적당한 길이로 존재하지만, 비정상적으로 과다하게 증폭된 반복염기서열은 유전자의 발현, 또는 단백질의 기능에 영향을 주어 취약 X 증후군, 헌팅턴 병과 같은 질병을 일으킨다.
그 림 설 명
[그림 1] 염색체 역위 (inversion)를 유전자 가위로 교정하는 모식도.
(ㄱ)역위가 일어난 가상의 유전자 엑손1 주위의 상동적 DNA 서열(homologous DNA sequence) 중 한곳을 유전자 가위로 잘라 상동 재조합(homologous recombination)방식에 의해 역위가 교정되는 전략을 나타낸다. (ㄴ)역위가 발생한 엑손 2 주위를 두 종류의 유전자 가위로 잘라 오려내어 비상동 말단연결 (non-homologous end-joining)방식에 의해 정상 유전자형으로 교정하는 전략을 나타내고 있다.
[그림 2] 염색체 전좌 (chromosomal translocation) 현상을 유전자 가위로 교정하는 전략을 나타낸 모식도.
상단의 전좌 염색체 1+2 와 2+1은 하단의 염색체 1과 2 사이의 전좌 현상에 의해 발생한다. 이러한 전좌 염색체에서 전좌가 일어난 부분을 특이적으로 인식하는 유전자 가위를 처리하면, 절단된 염색체 부분이 원래 위치로 이동하여 다시 정상 염색체 1, 2를 형성함으로써, 염색체 전좌가 교정될 수 있다.
[그림 3] 반복염기서열의 과다증폭 (short nucleotide repeat expansion)을 유전자 가위로 교정하는 전략을 나타낸 모식도.
그림의 최상단은 가상 유전자의 엑손1과 엑손2 사이에 과다하게 복제된 반복염기서열이 존재하는 것을 나타낸다. 이 반복염기서열의 양 말단이나 한쪽 말단 또는 반복서열 내부를 자르는 유전자 가위를 도입하여 정상적인 수준의 반복염기서열을 가지도록 교정할 수 있다.
□ 김동욱(金東旭)
○ 소속 및 연락처
- 연세대학교 의과대학 교수
- 줄기세포기반 신약개발연구단/단장
- 02-2228-1703(연구실)/ 010-7122-5208(핸폰) /dwkim2@yuhs.ac
○ 학력 및 연구/교육 경력
- 1986 : 고려대학교 학사
- 1996 : 일본 동경대학교 박사 [일본 국비 유학생]
- 1997~2001 : 미국 예일대 의대/연구원
- 2001~2004 : 미국 하버드 의대/Junior Faculty
- 2006~2007 : 미국 남가주대/Visiting Faculty
- 2003~현재 : 연세대학교 의과대학/Faculty
○ 주요경력
- 2006 : 범부처 국가 줄기세포 10년 종합계획수립 기획단/위원장
- 2006~2012 : 21세기 프론티어 세포응용연구사업단/단장
- 2005~2009 : 국제 줄기세포 학회(ISSCR)/국제분과 위원/한국대표
- 2008~2009 : 국제 줄기세포 학회(ISSCR)/정부정책분과 위원/한국대표
- 2006~2007 : 국제 줄기세포학회(ISSCR) 학술준비위원회/한국대표
- 2007~2012 : 국제 줄기세포 포럼/한국대표
- 2007~2012 : 아시아 태평양 줄기세포 네트워크(SNAP)/한국대표
- 2007~2012 : 세계 줄기세포 프로테옴 이니셔티브/공동의장
- 2006~현재 : 한국 줄기세포 학회/이사
- 2006~2014 : 한국 조직공학 재생의학회/부회장
- 2015~2020 : 학술지 JBC (Journal of Bilogical Chemistry) /편집위원
- 2006~2008 : 학술지 Tissue Engi. and Regenerative Medicine /편집위원장
- 2008~2011 : 학술지 Stem Cell Research /편집위원
- 2009~현재 : 학술지 Stem Cell Reviews and Reports /편집위원
- 2011~현재 : 학술지 Inflamation and Regeneration /편집위원
- 2004~2005 : 줄기세포 서울 국제 심포지움/위원장
- 2005~2006 : 아시아 오세아니아 생리학회 줄기세포분과/위원장
- 2005~2006 : 세계조직공학 및 재생의학회 줄기세포분과(미국)/위원장
- 2009 : 2009 세계 조직공학 및 재생의학회 학술대회(서울)/부회장
- 2005 : 한미과학자 협회(UKC) 줄기세포분과/위원장
- 2009 : 매일경제/객원 논설위원
- 2010~2011 : 국가과학기술위원회 재생의료 실무위원
- 2011~2015 : 식약처 특별 자문위원(세포치료제)
- 2013~현재 : 국가줄기세포은행 심의위원
- 2012~현재 : 줄기세포기반 신약개발연구단/단장
○ 주요연구내용
- 역분화 줄기세포(iPS cells)의 생성 기작 및 질병 모델/질병 기작에 대한 연구
- 배아줄기세포 및 iPS 세포로부터 각종 신경세포로의 분화에 관한 연구
- 파킨슨병, 척수손상, 혈우병 등의 난치성 질환에 줄기세포의 적용 연구를 수행
- 줄기세포의 세포 생물학적 특성 및 발생에 대한 연구, 환자 세포에서 유전자 교정
- 줄기세포이용 독성평가 플랫폼 개발 및 신약 개발 연구
