한국비임상시험연구회 (The Korean Society of Nonclinical Study)
한국비임상시험연구회

혁명이라 함은 권력이나 조직 구조의 큰 변화를 뜻한다. 그 의미를 이어 산업부분에서 그 전과 비교하여 발전된 기술이나 기계와 같이 전과 비교하여 큰 변화를 맞이하는 것을 산업혁명이라고 한다. 가장 좋은 예로 18세기에 영국에서 증기기관이 발명되면서 사람이 해야 할 일을 “원동기”가 대신 하면서 비교도 할 수 없는, 폭발적인 생산성 증가가 있었다. 학자들은 18세기 후반~19세기 초반에 소비재와 경공업을 중심으로 일어난 변화는 1차 산업혁명으로 분류하고 19세기 중후반에 전기화학 등 중화학 공업이 시작된 것은 2차 산업혁명으로 분류했다. 그럼 3차 산업혁명은? 이제 막 본격화되기 시작한, 태양광, 전기 자동차 등 녹색에너지, 인터넷 커뮤니케이션 등을 3차 산업혁명으로 분류하려고 하였다. 그런데 3차 산업혁명이 완성되기도 전에 많은 미래학자들이 4차 산업혁명을 이야기 하고 있다. 4차 산업혁명에서는 인공지능과 함께 유전자가위, 합성생물학이 중심을 이룰 것으로 기대되고 있다. 유전자가위는 대체 무엇이고 어떤 일을 할 수 있을까?

Breakthrough of the year는 American Association for the Advancement of Science (AAAS)가 선정하는, 그 해에 가장 획기적인 연구성과에 주어지는 상이다. 의학/생물학 관련 분야에서는 2013년에 암에 대한 면역치료 (Cancer immunotherapy)가 선정되었는데 2015년에는 CRISPR/Cas9이 선정되었다. (Figure 1) AAAS는 세계적인 학술잡지인 Science를 발간하는 단체로 이미 잘 알려져 있다.


도대체 CRISPR/Cas9에는 어떤 성과들이 있길래 2015년을 대표하는 연구성과로 선정된 것일까? CRISPR/Cas9 유전자 가위는 2016년 노벨 화학상의 강력한 후보였다. 도대체 어떤 연구성과가 있었길래 이렇게 주목받고 있는 것인지 간략히 중요한 내용만 한 번 살펴보자.

1. 2007년 - 세균이 박테리오파지에 저항하는데 CRISPR가 일종의 무기 역할을 하고 있음이 확인됨 (Barrangou, Fremaux et al. 2007)
2. 2012년 - CRISPR가 유전자 가위로 사용되어 특정한 유전자 염기서열만 선택적으로 정확히 잘라낼 수 있음이 확인됨 (Jinek, Chylinski et al. 2012)
3. 2015년 - 모기에 말라리아 저항성을 부여하여 사람에게 말라리아를 옮기지 못하게 제어 성공 (Gantz, Jasinskiene et al. 2015) : 모기 자체가 말라리아 원충을 갖지 못하니 사람으로부터 흡혈을 해도 말라리아를 전염시킬 수 없었다. 전세계 32억 인구가 말라리아에 노출될 위험을 안고 살고 있으며 2015년에만 2.14억 명이 신규로 감염되었고 438,000명이 말라리아로 사망했다 (자료 출처 : WHO [The world Malaria report 2015]). 이러한 문제를 해결하는데 바로 CRISPR/Cas9이 사용되었다.(Figure 2)

<Figure 2. CRISPR/Cas9 유전자 가위를 이용, 모기에게 말라리아 원충에 대한 저항성을 부여하여 모기 자체가 말라리아 원충을 갖지 못하게 하는 방법으로 사람에게 흡혈을 해도 말라리아를 전염시킬 수 없는 모기를 만들었다. (이미지 출처: Nature ('Gene drive' mosquitoes engineered to fight malaria/ URL:http://www.nature.com/news/gene-drive-mosquitoes-engineered-to-fight-malaria-1.18858). >


4. 2015년 – 돼지 유래 세포의 염색체내에 존재하는 PERV 바이러스의 유전자 62개를 모두 제거 성공 (Yang, Güell et al. 2015) : 돼지는 PERV (Porcine Endogenous Retrovirus)를 돼지의 유전자내에 가지고 있다. 그래서 돼지를 아무리 깨끗하게 키워도 바이러스를 제거할 수가 없어 돼지의 장기를 사람에게 옮기는데 이 PERV 바이러스가 가장 큰 걸림돌이 되고 있었다. 그런데 돼지 유래 세포주 (PK-15 cell line) 염색체 내에 산재되어 있던 PERV 유전자 62개를 모두 불활화 하는데 성공했다. 아직 돼지로 태어나지는 않은 상태지만 세포수준에서 여러 염색체에 퍼져 있는 62개나 되는 유전자를 한꺼번에 ‘편집’하여 말로만 듣던 유전자 치료 또는 유전자 편집이 예상보다 훨씬 가까이 있음을 느끼는 계기가 되었다.
5. 2015년 - Myostatin 형질전환 돼지의 탄생: 2015년 7월 2일자 Nature지에 매우 흥미로운 기사가 한편 실렸다. 세 마리의 돼지 사진인데 특징이 근육이 많다는 것이다. 꼭 근육질 사람의 몸매를 보는 것처럼 앞다리와 견갑골(scapular), 뒷다리 및 엉덩이 근육에 근육의 결이 구분될 만큼 큰 근육이 명확히 보이고 있다. (Figure 3)

<Figure 3. 서울대 김진수 교수 연구팀과 중국 연변대 윤희준 교수팀과 공동으로 제작한 마이오스타틴(myostatsin) 돌연변이 돼지. 중국에서는 마이오스타틴 돌연변이 돼지의 정액을 판매해서 일반 돼지 농장에서 인공수정 방법으로 번식할 수 있도록 할 계획이라고 한다.>

이 돼지는 근육이 일정 크기까지만 성장하도록 하는 마이오스타틴 유전자가 유전자가위로 불활화된 돼지로 근육량이 많은 동물을 생산할 수 있을 것으로 기대가 되고 있다.


6. 2016년 - CD163 분자를 유전자 차원에서 제거하여 PRRS 바이러스에 감염되지 않는 돼지의 생산 성공 (Whitworth, Rowland et al. 2016) : 앞에서 소개한 PERV 연구만 해도 놀라운 연구라고 생각했는데 실제로 이러한 기술을 응용한 돼지가 이렇게 빨리 태어날 줄 예상하지 못했다. 이 돼지의 탄생은 이제 앞으로 사람도 질병에 걸리지 않도록, 이미 걸린 질병도 충분히 낫게 할 수 있는, 아니 교정할 수 있는 유전자 편집의 시대의 도래를 알리는 중요한 이정표가 되었다.

CRISPR는 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats의 약자이고 Cas9의 Cas는 CRISPR associated gene의 약자로 세균이 가지고 있는 유전자 전체를 분석해보면 반복되는 유전자 염기 서열이 관찰된다. (Figure 4)


세균은 자연환경에서 박테리오파지 및 플라스미드 등 외래 유전자와 끊임없이 만나게 되는데 이 반복적인 염기서열은 세균이 외래 유전자에 대해서 저항하는데 필요한 정보를 담고 있다. 한마디로 요약하면 CRISPR/Cas-9 시스템은 세균의 박테리오파지에 대한 면역 시스템인 셈이다. 연구자들은 이 면역 시스템을 응용해서 효율적으로 유전자를 제어할 수 있는 유전자가위 시스템을 개선한 것이다. 현재 학계와 산업계에서 모두 주목받고 있는 CRISPR/Cas9 시스템은 높은 특이성과 효율을 바탕으로 그동안 상상속에서나 가능하던 일들을 실현가능하게 해주었다. 4차 산업혁명의 중심으로 기술의 발전 가능성이 높고 그 중요성이 커지는 유전자가위에 대해서 많은 관심을 가져야 할 때라고 생각한다.

• Barrangou, R., C. Fremaux, H. Deveau, M. Richards, P. Boyaval, S. Moineau, D. A. Romero and P. Horvath (2007). "CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes." Science 315(5819): 1709-1712.
• Gantz, V. M., N. Jasinskiene, O. Tatarenkova, A. Fazekas, V. M. Macias, E. Bier and A. A. James (2015). "Highly efficient Cas9-mediated gene drive for population modification of the malaria vector mosquito Anopheles stephensi." Proceedings of the National Academy of Sciences 112(49): E6736-E6743.
• Jinek, M., K. Chylinski, I. Fonfara, M. Hauer, J. A. Doudna and E. Charpentier (2012). "A programmable dual-RNA–guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity." Science 337(6096): 816-821.
• Whitworth, K. M., R. R. Rowland, C. L. Ewen, B. R. Trible, M. A. Kerrigan, A. G. Cino-Ozuna, M. S. Samuel, J. E. Lightner, D. G. McLaren and A. J. Mileham (2016). "Gene-edited pigs are protected from porcine reproductive and respiratory syndrome virus." Nature biotechnology 34(1): 20-22.
• Yang, L., M. Güell, D. Niu, H. George, E. Lesha, D. Grishin, J. Aach, E. Shrock, W. Xu and J. Poci (2015). "Genome-wide inactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs)." Science 350(6264): 1101-1104.