아데닌 염기 하나만 콕 찝어 교정하는 ‘한국형 염기교정 기술’ 개발 새글 첨부파일 있음

- ADAR 효소를 이용한 단일 염기 수준의 고정밀 'snuABE'염기교정 기술 개발 -

[연구필요성]

CRISPR-Cas 기술은 유전자 기능을 규명하는 기초 생물학 연구부터 난치성 유전질환의 치료제 개발에 이르기까지 생명과학 전반에 걸쳐 폭넓게 활용되고 있다. 특히 염기교정 기술(base editing)은 DNA를 완전히 절단하지 않고 특정 염기를 다른 염기로 바꿀 수 있어, 단일 염기 변이에 의해 발생하는 다양한 유전질환을 치료할 수 있는 차세대 유전자 교정 기술로 주목받고 있다. 그중 아데닌 염기교정기(ABE, adenine base editor)는 A·T 염기쌍을 G·C 염기쌍으로 전환할 수 있어 많은 질병 변이를 교정할 수 있는 잠재력을 가진다. 그러나 기존 ABE는 표적 염기 주변에 존재하는 여러 아데닌을 동시에 편집할 수 있어, 원하는 질병 원인 염기 외의 주변 염기까지 함께 바뀌는 '주변 서열 치환(bystander editing)' 문제가 발생할 수 있다. 이러한 비의도적 염기교정은 치료 목적의 유전자 편집에서 안전성과 정확성을 제한하는 주요 요인으로 작용한다. 따라서 목표 염기 하나만을 선택적으로 교정할 수 있는 새로운 원리의 고정밀 아데닌 염기교정 기술 개발이 필요한 상황이다.

[연구성과/기대효과]

이번 연구는 RNA 편집 효소인 ADAR의 높은 염기 선택성을 DNA 편집에 적용하여, 타겟 아데닌 염기 하나만을 매우 정밀하게 교정할 수 있는 새로운 아데닌 염기교정기 (일명 snuABE)를 개발한 연구이다. 연구진은 ADAR가 이중가닥 RNA 구조에서 염기서열 불일치(mismatch)에 의해 노출된 특정 아데닌을 선택적으로 인식한다는 점에 착안하여, 이를 DNA 염기서열 편집에 활용한 것이다. 크리스퍼 단백질에 ADAR 효소를 결합함으로써, 타겟 아데닌 염기만을 표적하고, 주변 서열은 치환시키지 않는 새로운 개념의 유전자 교정 플랫폼을 확립하였다. 이를 'single nucleotide resolution adenine base editor' 줄여서 snuABE, 즉 '한국형(서울대) 염기교정 기술'로 명명하였다. 특히 연구진은 곤충인 '머릿니(Pediculus humanus)' 유래 ADAR 효소가 효율이 높다는 것을 밝히고, AI 기반 단백질 진화 알고리즘(EvolvePro)을 통해 염기교정 효율을 극대화시켰다.

이번 연구는 기존 TadA 효소 기반 ABE 플랫폼과는 전혀 다른 원리로 작용하는 새로운 아데닌 염기교정 플랫폼을 구현한 사례로, 향후 희귀질환 등 단일 염기 변이에 의한 유전질환 정밀 유전자 교정 치료에 중요한 전환점을 제공할 것으로 기대된다.

[본문]

서울대학교 의과대학(생화학교실) 배상수 교수 연구팀은 RNA 편집 효소 ADAR를 이용하여 단일 염기 수준의 정밀 DNA 아데닌 염기교정기를 개발하였다. 이번 연구는 기존 아데닌 염기교정기에서 문제가 되어온 '주변 염기 치환(bystander editing)' 문제를 최소화하고, 타겟 아데닌 서열만을 선택적으로 교정할 수 있는 새로운 개념의 유전자 편집 기술이다. 연구진은 이를 'single nucleotide resolution adenine base editor' 줄여서 snuABE, 즉 '한국형(서울대) 염기교정 기술'로 명명하였다. 본 연구 논문의 제목은 'Engineered ADARs enable precision A-to-G base editing of DNA'로, 생명공학분야 상위 1% 수준인 Nature Biotechnology (IF 44.5)에 게재되었다.

단일 염기 변이는 다양한 유전질환의 주요 원인으로 알려져 있으며, 이를 교정하기 위한 기술로 아데닌 염기교정기(ABE, adenine base editor)가 개발되어 왔다. ABE는 DNA를 완전히 절단하지 않고 A·T 염기쌍을 G·C 염기쌍으로 바꿀 수 있어 유전자 치료 분야에서 큰 가능성을 가진다. 그러나 기존 ABE는 타겟 염기서열 주변에 존재하는 여러 아데닌을 함께 치환시키는 부정확성이 문제로 제기되어 왔다 (그림1). 이러한 주변 염기 치환 문제는 유전자 교정 치료제 개발에 있어 안전성과 정밀성 측면에서 중대한 한계로 작용한다.

이를 해결하기 위해 연구진은 RNA 편집 효소인 ADAR의 독특한 작동 원리에 주목하였다. ADAR는 일반적인 DNA 염기교정 효소와 달리, 이중가닥 RNA 구조에서 염기서열 불일치(mismatch)에 의해 노출된 특정 아데닌을 선택적으로 인식하고 A-to-I 편집을 유도한다. 연구진은 이러한 ADAR의 높은 염기 선택성을 DNA 편집에 적용할 수 있다면, 목표 염기 하나만을 선택적으로 교정하는 새로운 형태의 ABE를 개발할 수 있을 것으로 판단하였다.

연구진은 ADAR 효소를 크리스퍼 단백질(nCas9)에 연결하고, 표적 아데닌 위치에 염기서열 불일치를 유도할 수 있는 독창적인 가이드 RNA (일명 tagRNA)를 제작하였다. 이를 통해 크리스퍼 단백질이 DNA 표적 부위에 결합하면서 DNA:RNA 결합 구조가 형성되고, 목표 아데닌만이 구조적으로 노출되어 ADAR 효소에 의해 선택적으로 편집되도록 유도하였다. 연구진은 이러한 전략을 통해 일명 '한국형(서울대) 염기교정 기술'인 snuABE를 확립하였다 (그림2).

또한 연구진은 곤충인 '머릿니(Pediculus humanus)' 유래 ADAR 효소가 효율이 높다는 것을 밝히고, AI 기반 단백질 진화 알고리즘(EvolvePro)을 통해 염기교정 효율을 극대화시켰다 (그림3). snuABE는 HEK293T 세포의 다양한 내재성 표적에서 단일 염기 선택적 A-to-G 편집을 유도하였으며(최대 50.0%), 환자 유래 섬유아세포, 줄기세포 등 다양한 인간세포 및 생쥐 간 조직에서도 DNA A-to-G 편집이 가능하다는 것을 확인하였다 (그림4).

이 연구는 RNA 편집 효소인 ADAR의 선택성을 DNA 염기교정에 적용하여, 기존 ABE의 한계였던 주변 염기 치환 문제를 해결할 수 있는 혁신적 전략을 제시한 최초의 연구로 평가받는다.

이번 연구는 목표 염기 하나만을 선택적으로 교정해야 하는 유전질환 치료에 활용 범위를 크게 높였다는 점에서 의미가 크다. 기존 ABE 기술은 치료 대상 염기 주변에 다른 아데닌 서열이 존재할 경우, 함께 치환시켜 정확한 유전자 교정이 되지 않았다. 하지만, snuABE 기술은 이러한 한계를 극복하여 정밀한 유전자 교정 치료제 개발에 기여할 수 있다. 이를 통해 또한 폰 히펠-린다우(VHL) 증후군, 콜레스테롤 조절 유전자(PCSK9), 혈액질환 표적 유전자(BCL11A) 등 다양한 질환 관련 유전자 변이에 적용함으로써, 세포·동물 모델에서 세포 유전자 치료 플랫폼으로의 확장 가능성도 제시하였다.

이번 연구는 서울대학교 배상수 교수 연구팀(제1저자 임현우, 정바다 박사과정생)이 성균관대 김요한 교수팀과 공동연구를 통해 진행하였으며, 개인기초연구사업(중견연구), 범부처재생의료기술개발사업, 과학난제도전융합연구개발사업, 이건희 소아암‧희귀질환극복사업 등의 지원을 받아 수행되었다.

[연구결과]

Engineered ADARs enable precision A-to-G base editing of DNA

Hyeon Woo Im, Bada Jeong, Yeji Lee, Ye Eun Oh, Chanju Jung, Yong-Woo Kim, Doyoon Kim, Soyoon Lee, Heesoo Uhm, Yohan Kim & Sangsu Bae
(Nature Biotechnology, https://doi.org/10.1038/s41587-026-03223-z)

[그림설명]

그림 1. 기존의 아데닌 염기교정 도구에서 발생하는 '주변 염기 치환(bystander editing)' 문제

그림 2. ADAR 효소를 활용한 단일염기 해상도의 '한국형 염기교정 기술'snuABE 개념도

그림 3. AI 기반 단백질 진화 알고리즘(EvolvePro)을 통한 snuABE 염기교정 효율 극대화

그림 4. snuABE의 성공적인 생체 내 표적 아데닌 염기교정 결과