바이오스펙테이터

바이오스펙테이터 장종원 기자

PNA(Peptide nucleic acid, 펩타이드 핵산) 기술을 활용한 유전자 변이 교정 가능성을 제시한 연구결과가 나왔다.

예일대와 카네기멜론대 연구진은 카네기 멜론 핵산 과학기술센터(CNAST)에서 개발한 PNA 기술을 이용해서 마우스 모체의 임신 유지와 태아 성장에 영향을 미치지 않으면서 베타-지중해성빈혈(β-thalassemia) 유발하는 태아의 베타-글로빈(β-globin) 유전자 돌연변이를 수정하는데 성공했다고 11일 밝혔다. 연구진은 앞선 2016년 성인 마우스모델의 유전자 결함을 교정에 성공한 바 있다.

Danith H.Ly 카네기 멜론대 화학과 교수는 "이번 연구를 통해 인간의 단일유전자 장애를 교정하기 위한 안전하고 다양한 태아 유전자 교정방법의 기초를 제공하게 됐다"고 밝혔다. 해당 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)'에 게재됐다.

베타 지중해성빈혈과 같은 유전적 장애는 임신 초기에 진단이 가능해 모체 내에서의 유전적 교정의 기회가 높지만, 지금까지 그런 치료법이 존재하지 않았다. 해당 질환을 가진 어린이는 평생동안 수혈을 받거나, 골수이식이 이뤄져야 한다.

Ly 박사는 "초기 배아 시기에 많은 줄기세포들이 빠르게 분열한다. 만약 우리가 초기에 유전적 돌연변이를 바로 잡을 수 있다면 돌연변이가 태아 발달에 미치는 영향을 극적으로 줄이거나 병을 치료할 수 있다"고 말했다. 자궁 내의 초기 배아에게 유전자 교정 치료법을 적용하면, 수정된 유전자를 가진 줄기세포가 분열, 번식함으로써 치료 효과를 높일 수 있다는 것이다.

모체 내 태아의 유전자 교정은 줄기세포 이식, 바이러스 벡터를 이용한 유전자 전달과 같은 기존의 유전자 치료법으로는 접근하기 어렵지만, CRISPR-Cas9과 같은 부분 특이적 유전자 교정도구는 또 다른 접근법이 될 수 있다. 하지만 CRISPR 기술은 특정 서열에서 DNA를 절단하기 위한 효소가 필요하며, 오프 타깃 부작용에 대한 비상 보완 장치가 미흡하다는 지적이 존재한다.

Ly박사와 그의 연구진은 CNAST에서 개발한 PNA 기술을 활용했다. 이 기술은 외인성 효소를 사용하지 않고 결함이 발생한 DNA서열을 교정하기 위해 세포가 가진 자체 수리 기전을 사용하도록 자극한다. 연구진은 "PNA 기술은 DNA를 절단하지 않고 단지 DNA에 특이적으로 결합해 이상이 발생한 것을 고쳐준다. 오프 타깃 부작용이 존재하지 않아 치료법에 유용하게 적용할 수 있다"고 전했다.

DNA의 당-인산 뼈대를 펩타이드 결합체로 치환한 합성 분자인 PNA는 왓슨-크릭(Watson-Crick),후그 스틴(Hoogsteen) 염기쌍을 통해 특정 DNA 타깃 사이트에 결합, PNA-DNA-PNA 트리플 구조를 생성하며 DNA의 내인성 복구를 유도해 변이를 교정한다. 이 때 PNA는 FDA로부터 승인 받은 폴리-락트산-글리콜산(PLGA) 나노입자에 담겨 전해진다.

연구진은 인간 제대정맥 수혈, 양수천자와 유사한 기술을 사용해 나노입자에 캡슐화된 PNA 구성요소를 정맥과 양수 내 직접 주입, 마우스 태아에게 전달했다. 마우스의 임신기간이 비교적 짧아 치료는 1회만 적용됐다.

건강한 마우스모델에게 적용한 실험 결과에서, PNA 구성물(NPs)은 태아의 생존과 건강, 성장에 어떠한 악영향도 미치지 않았으며, 발달 이상이나 종양 형성과 같은 이상반응도 나타나지 않았다. 자궁 내에 PNA를 주입한 모체도 임신과 출산에 문제없이 건강한 새끼를 낳았다.

그 결과를 바탕으로 지중해성빈혈 마우스 동물모델에게 적용했을 때, PNA를 적용한 태아가 치료받지 않은 대조군과 비교해 헤모글로빈 수치가 유의미하게 증가한 성체로 성장하는 결과를 얻었다. 흥미로운 것은 치료 적용군의 헤모글로빈 수치가 정상 범주에 속한 것이다. 또한 치료군은 출생 후 대조군과 비교해 비장 세포의 무게가 73% 감소한 것으로 나타났으며 출생 후 생존 기간 역시 훨씬 길어진 것을 확인했다.

Ly박사는 "생후 500일 후, PNA 치료군의 생존율은 100%였고 대조군 생존율은 69%에 불과했다"고 말했다. 또한 그는 "PNA 유전자 교정 기술 적용 이후 5000만개의 샘플을 분석했지만, 단 한개의 오프 사이트 에러도 나오지 않았다는 것이 매우 고무적"이라고 덧붙였다.

치료군 마우스의 골수를 분석한 결과, 전체 골수세포에서 유전자 편집 빈도는 6%에 불과했지만, 효과를 나타내기에는 충분했다. 또한 태아 상태에서 1번 치료를 적용한 것이 성체 마우스에게 4번의 치료를 적용한 것과 같은 효과를 보였다. 연구진은 태아의 간에서 조혈 줄기세포의 사이클에 접근이 가능한 태아 유전자 편집이 성체에서의 교정보다 치료 이점이 있음을 의미한다고 설명했다.

Ly박사는 "마우스는 임신기간이 짧아 단 1회의 치료만 적용할 수 있었고 유전자 편집 빈도도 6%에 그쳤지만, 임신기간이 더 긴 동물과 사람에게는 여러 차례 치료 적용이 가능하기 때문에 유전자 편집 빈도가 더 높아질 가능성이 있다"고 덧붙였다. 연구진은 이미 반복투여와 관련한 선행연구에서 낮은 독성을 확인했다.

Ly박사와 연구진은 "이번 실험을 통해 PNA 유전자 교정 기술이 모체 내 태아에게 특이적, 비효소적 유전자 편집을 적용, 질병을 유발하는 유전자를 교정하는 것에 효과적인 수단이라는 것을 증명했다"며 "베타-지중해성빈혈의 발생률과 사망률을 줄이는 치료법으로서의 가능성을 확인했다"고 덧붙였다.