지난 달, 바이오메디컬 회사 Intellia는 간의 기형 단백질로 인한 희귀 질환을 치료하는 CRISPR 요법의 1상 시험에서 유망한 결과를 보고했다. 그러나 유전자 편집 도구가 발견된 지 거의 10년이 지난 지금까지 임상 시험에 사용된 치료법은 극소수에 불과하며 지금까지 규제 기관의 승인을 받은 치료법은 없다.

그 주요 이유 중 하나는 다음을 포함하여 심각한 부작용을 초래할 수 있는 게놈에 상당한 수의 암을 의도하지 않게 변경하는 기술의 경향에 대한 우려이다. 도구를 보다 정확하게 재설계하기 위한 많은 노력이 있었지만 일반적으로 이로 인해 편집 속도가 크게 저하되었다.

CRISPR 시스템의 구조를 주의 깊게 연구함으로써 텍사스 대학교 오스틴의 연구원 팀은 이제 성능을 유지하면서 오류를 줄이는 방식으로 중요한 Cas9 단백질을 재설계하는 방법을 찾았다. 공동 선임 저자인 케네스 존슨(Kenneth Johnson)은 보도 자료에서 "이것은 유전자 편집에서 CRISPR Cas 시스템의 광범위한 적용 측면에서 게임 체인저가 될 수 있다."고 말했다.

Cas9 단백질은 CRISPR 시스템에서 중심적인 역할을 한다. 효소는 DNA 서열을 절단하는 역할을 하여 잘못된 유전자를 제거하거나 새로운 유전 물질을 추가할 공간을 만들 수 있다. 효소가 올바른 위치에서 절단되도록 하기 위해 대략 20자 길이의 특정 유전자 서열에 결합하도록 설계된 가이드 RNA 조각과 쌍을 이룬다.

그러나 이 안내 프로세스가 항상 완전히 정확한 것은 아니며 때로는 Cas9 단백질이 잘못된 섹션을 절단하여 소위 "오프 타겟(off target)" 편집으로 이어진다. 어떤 유전자가 영향을 받는지에 따라 CRISPR 요법으로 치료받는 환자에게 심각한 부작용이 생길 수 있다.

따라서 시스템이 때때로 잘못된 표적을 편집하는 이유를 이해하기 위해 연구원들은 저온 전자 현미경이라는 최첨단 이미징 기술을 사용하여 일치하지 않는 서열에 고정되는 Cas9 단백질의 스냅샷을 찍는다.

그들은 가이드 RNA가 잘못된 서열에 결합할 때 일반적으로 Cas9가 DNA를 슬라이스할 수 있도록 하는 특징적인 꼬임을 생성하지 못한다는 것을 발견했다. 그러나 18번과 20번 위치의 문자를 제외하고 서열이 맞으면 Cas9 단백질의 손가락 모양 구조가 서열을 안정화시켜 모양을 교정하고 잘릴 수 있다는 것을 발견했다.

이 안정화 과정이 관찰된 것은 이번이 처음이었고, 이 통찰력을 기반으로 팀은 손가락과 같은 구조가 더 이상 일치하지 않는 서열에 연결되지 않도록 Cas9 단백질을 재설계했다. 팀이 SuperFi-Cas9라고 명명한 결과 단백질은 원래 Cas9보다 표적을 벗어난 부위를 절단할 가능성이 4,000배 적은 것으로 밝혀졌다.

이것은 원치 않는 편집을 피하기 위해 Cas9를 재설계하려는 첫 번째 시도는 아니지만 이전 접근 방식으로 인해 편집 속도가 크게 감소했다. 공동 제1저자인 잭 브라보(Jack Bravo)는 "자연 발생 Cas9보다 안전하지만 비용이 많이 든다. 매우 느리게 진행되고 있다."고 말했다.

반면 SuperFi-Cas9은 원래 단백질만큼 빠르다. 연구원들은 지금까지 시험관의 DNA에서만 그것을 테스트했지만 그들은 이미 다른 연구원들과 협력하여 살아있는 세포에서 그것을 시도하기 시작했으며 대학은 이 기술을 상용화하는 데 도움이 될 업계 파트너를 찾고 있다.

그러한 새로운 기술이 임상에 적용되기까지는 시간이 걸리겠지만, 이 연구는 인간의 광범위한 질병을 치료할 수 있는 보다 안전한 CRISPR 치료법을 만드는 중요한 단계이다.

이미지 출처: Jack Bravo/오스틴에 있는 텍사스 대학교