국내 연구진이 유전자 가위* 기술을 이용하여 인간 유래 역분화 줄기 세포(iPS cell)에서 뒤집어진 혈우병 유전자를 다시 뒤집어 원상 복구하는 기술을 개발하였다.
    * 유전자의 특정 부위를 절단하여 유전체 교정을 가능하게 하는 인공 제한효소 

연세대학교 의과대학 김동욱 교수팀과 IBS(기초과학연구원)의 유전체교정연구단(단장 김진수 서울대 화학부 교수)으로 이루어진 공동 연구팀이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)의 바이오‧의료기술개발사업 등의 지원으로 수행되었으며, 미국국립과학원회보(PNAS)에 6월 10일 온라인 게재되었다.
   * (논문제목) Targeted inversion and reversion of the blood coagulation factor 8 gene in human iPS cells using TALENs
    - (제1저자) 연세대학교 의과대학 박철용 박사, IBS 유전체교정 연구단 김정은 연수연구원 (서울대 화학부 대학원 박사과정), IBS 유전체교정 연구단 권지연 연수연구원 (서울대 화학부 대학원 박사과정)
    - (교신저자) 김동욱 교수 (연세대학교 의과대학 교수), IBS 유전체교정 연구단  김진수 단장 (서울대 화학부 교수)

사람들의 유전체 염기서열을 서로 비교해 보면, 어떤 사람은 다른 사람에 비해 특정 유전자의 일부가 뒤집어져 있기도 하고 삭제 또는 중복되어 있기도 하다. 이러한 변이를 ‘구조 변이’라고 하는데, 이 구조 변이는 여러 질병의 원인이 되기도 한다. 

중증 혈우병 환자 대다수는 8번 혈액응고인자 유전자의 일부가 뒤집어져 단백질이 제대로 만들어지지 않아 발생한다. 공동 연구팀은 특정 염기서열을 인식할 수 있는 유전자가위 효소의 일종인 탈렌*을 제작해 인간 유래 역분화 줄기 세포에 도입해서 혈우병 질환 모델 세포를 만들었다. 더 나아가 만들어진 질환 모델 세포에 동일 탈렌을 도입해 뒤집어진 염색체를 원상 복구하여 8번 혈액응고인자의 발현을 정상상태로 복구시키는 데 성공하였다.
     * 탈렌은 연구자가 원하는 유전자 염기 서열을 절단하도록 고안된 인공 제한효소로 인간 및 동식물 유전자 교정에 사용되는 유전자 가위. 탈렌은 유전자 염기 서열을 특이적으로 인식하는 TALE effector array와 절단을 일으키는 Fok1 뉴클레이즈로 구성되어 있음.

유전자가위 기술을 이용해 인간 유래 역분화 줄기세포에서 염색체의 일부를 뒤집을 수도 있고 뒤집어진 부분을 원상 복구할 수도 있다는 사실은 이번 연구를 통해 처음으로 밝혀졌다.

또한 공동연구팀은 원상복구한 역분화 줄기세포를 분화시켜 만든 세포에서 8번 혈액응고인자가 정상적으로 발현됨을 확인하였다. 

환자 맞춤형 역분화줄기세포는 면역거부 반응을 피할 수 있다는 점에서 세포치료제로 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있으나 유전병 환자의 경우 그 유전병의 원인이 되는 돌연변이를 그대로 가지고 있다는 문제가 있다. 이번 연구는 유전자의 일부가 뒤집어진 돌연변이를 유전자가위를 이용해 원천 복구하는 방법을 제시하여 줄기세포를 이용한 유전질환 치료 및 세포치료제 개발에 한 걸음 더 나아간 획기적인 성과로 평가 받고 있다. 

연세대 김동욱 교수와 IBS 김진수 단장은 “본 연구는 중장기적으로 혈우병 환자의 역분화 줄기세포에서 유전자 교정을 한 후 정상으로 된 세포치료제를 개발해 임상에 사용하려는 것이 궁극적인 목적”이라고 밝혔다.

연 구 결 과  개 요

Targeted inversion and reversion of the blood coagulation factor 8 gene in human iPS cells using TALENs

Chul-Yong Park, Jungeun Kim, Jiyeon Kweon, Jeong Sang Son, Jae Souk Lee, Jeong-Eun Yoo, Sung-Rae Cho, Jong-Hoon Kim, Jin-Soo Kim, and Dong-Wook Kim

(PNAS)

중증 혈우병 환자 대다수는 8번 혈액응고인자 유전자 일부가 고장나(뒤집어져서) 증상이 나타난다. 이번 연구에서 공동 연구팀은 뒤집어진 유전자에 작동할 수 있는 탈렌을 디자인했고, 이를 인간 유래 역분화 줄기세포(iPS cell)에 도입해 원상 복구 시킬 수 있음을 보고했다. 탈렌이 도입된 세포 중 약 1.3~1.4%에서 원하는 유전 변이가 도입되거나 혹은 도입된 변이가 정상으로 바뀌는 것을 확인해 상당히 높은 효율로 작동함을 보고하였다. 탈렌을 이용해 변이 유전체 배열이 정상 상태로 복구된 역분화 줄기세포를 얻은 다음, 이를 분화시키면 8번 혈액응고인자의 유전자가 정상으로 발현되는 것을 확인하였다. 이 연구는 역분화 줄기세포에서 고장난 혈우병 유전자가 정상으로 교정됨을 보여주고 있다. 따라서 이 기술을 이용하면 환자 세포에서 유전자 교정을 한 후 그 세포를 세포치료제로 활용할 수 있다는 가능성을 제시해 준다.

그림 1. 유전자가위 작동 모식도  중증 혈우병 환자의 경우 8번 혈액응고인자 유전자 일부가 뒤집어진 상태라 정상적인 혈액응고인자 발현을 일으키지 못해 질환을 나타낸다. 연구팀은 뒤집어진 염색체 지점에 동시에 작동할 수 있는 탈렌을 만들어 인간 유래 역분화 줄기세포(iPS cell)에 도입해 다시 뒤집어 정상적인 혈액응고인자 발현을 유도하였다.

연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가

 인간 유래 역분화 줄기세포(iPS cell)에서 유전자가위 기술을 이용, 고장 난 혈우병 유전자 교정을 통해 염색체의 일부를 뒤집을 수도 있고 뒤집어진 부분을 원상 복구할 수도 있다는 사실을 처음으로 밝혔다.

어디에 쓸 수 있나

 중증 혈우병 환자 대다수는 8번 혈액응고인자 유전자의 일부가 뒤집어져서 발생하는데 이 환자의 세포로부터 환자 유래 역분화 줄기세포주를 만들고 유전자 교정을 한 후 원하는 세포로 분화시켜 세포치료용으로 이용할 수 있다.

실용화를 위한 과제는

 환자 유래 역분화줄기세포에서 유전자 교정 후, 8번 혈액응고인자를 발현하는 세포로의 효과적인 분화와 효율적인 이식 방법에 대한 연구가 추가로 진행되어야 한다.

연구를 시작한 계기는

 이전 연구를 통해 암세포주에서 염색체 일부를 뒤집을 수 있다고 밝혔지만 질병의 증상이 개선되는지 확인하기 어려웠고 교정이 되더라도 환자에 이식할 수 없는 암세포이므로 이를 극복하고자 줄기세포를 이용한 이번 연구를 시작하게 되었다. 즉, 환자 유래 역분화 줄기세포를 이용해 고장 난 혈우병 유전자를 교정 후 궁극적으로 정상으로 된 세포치료제를 개발하고자 연구를 시작하게 되었고 최초로 줄기세포에서 그 결과를 보고하게 되었다.

출처 : 생명과학 미래창조과학부 (2014-06-17 09:44)