▲ (좌측부터) 이현지 교수(고려대학교 의과대학), 이성현 교수(성균관대학교 의학과 및 메타바이오헬스학과), 김진수 교수(싱가포르국립대, ㈜엣진 CTO), 홍성호 연구원(고려대학교 의과대학), 조성익 박사(연세대학교 의과대학), 임가영 박사(한국과학기술연구원KIST 뇌과학연구소)

고려대학교 의과대학(학장 편성범)은 융합의학교실 이현지 교수 연구팀(공동 제1저자 홍성호 연구원)과 엣진 연구팀(김진수 CTO)이 세계 최초로 미토콘드리아 DNA의 특정 서열에서 아데닌(A) 염기를 구아닌(G)로 변형한 생쥐를 제작하는 데 성공했다고 1월 5일 밝혔다.

세포 내에 존재하는 에너지 공급원, 미토콘드리아는 그 내부에 에너지대사에 필수역할을 하는 단백질의 유전정보를 가진 미토콘드리아 DNA를 가지고 있다.

이 DNA의 결함은 미토콘드리아의 고장으로 이어지게 되며, 뇌, 신경, 근육에서 다양한 병증으로 나타나게 된다.

또한 부모 중 모계유전으로만 전달되는 미토콘드리아의 특성상 엄마의 미토콘드리아 결함이 자녀에게 유전돼 미토콘드리아 질환으로 나타날 수 있다.

현재 크리스퍼 유전자 가위 (CRISPR-Cas9) 기술이 DNA 교정기술로 활용되지만, 특정 DNA 서열을 인식하는 것에 사용하는 가이드 RNA가 미토콘드리아 내부로 수송되지 못하기 때문에 미토콘드리아 DNA 교정에는 사용하지 못한다는 한계점이 존재한다. 

이에 현재까지 개발된 미토콘드리아 DNA 교정기술로는 DNA 염기 서열 4종류 아데닌(A), 구아닌(G), 티민(T), 시토신(C) 중 시토신(C) 염기를 티민(T)으로 교정 가능한 염기교정효소 (이하 DdCBE)와 아데닌(A)염기를 구아닌(G)로 교정 가능한 염기교정기술 (Transcription Activator-Like Effector-linked Deaminase, 이하 TALED)가 있다.

이 중 DdCBE를 활용해 미토콘드리아 C-to-T 유전자 교정을 일으킨 생쥐를 제작한 연구 사례는 있지만, TALED를 활용해 미토콘드리아 A-to-G 유전자 교정을 동물실험에서 성공한 사례는 보고되지 않았다.

▲ 기존의 미토콘드리아 유전자 교정기술인 TALED는 무작위한 RNA 및 DNA 변형을 일으켜 생쥐배아에 적용할 경우 비정상적인 발달을 하는 반면(위), 연구진이 개량한 TALED-V28R은 무작위한 RNA 및 DNA 변형을 줄이고 나아가 미토콘드리아 질환모델 개발에도 성공했다

연구진은 기존에 개발된 TALED가 세포 내에서 의도하지 않은 무작위적 DNA 및 RNA 변형을 일으킨다는 것을 확인했으며, 이로 인해 TALED가 생쥐의 수정란에 주입될 경우 배아 발달이 정상적으로 이뤄지지 못함을 발견했다.

이에 TALED 구성 단백질 중 DNA 변형을 매개하는 단백질이 더욱 정밀한 활성을 나타낼 수 있게 개량한 TALED(V28R-TALED)를 개발했으며, 이를 통해 TALED의 부작용인 세포 내 무작위적 DNA 및 RNA 변형이 크게 감소된 것을 확인했다.

나아가 개량된 TALED를 생쥐의 수정란에 미세주입해 미토콘드리아 질환 '리 증후군(Leigh syndrome)'의 돌연변이를 보유, 병증을 나타내는 질환모델 제작에 성공했다.

공동 제 1저자인 조성익 박사는 "미토콘드리아 유전병은 심각한 증상을 유발하는 경우가 많은데, 이번 연구는 한국의 연구자들이 이를 극복하기 위한 새로운 기술을 개발하고, 그 기술을 발전시킨 좋은 예라고 생각한다"라며, "앞으로도 기술발전 및 부작용 연구를 매진해 미토콘드리아 유전병 극복에 희망과 가능성을 제시하겠다"라고 소감을 밝혔다. 

또한 공동 제 1저자 홍성호 연구원은 "미토콘드리아 질환 해결을 위한 유전자 교정 연구에 참여해 성취에 도움이 될 수 있었다는 점만으로도 큰 영광이다"라며, "연구 성과가 누군가에게는 희망이 될 수도 있는 연구 분야라는 것을 배우고, 큰 성취를 이룬 것이 더욱 기쁘다"라고 말했다.

연구책임자 이현지 교수는 "기존 미토콘드리아 유전자 교정 기술의 의도치 않은 무작위적 DNA 및 RNA 변형을 규명하고 이를 개선해 동물에 성공적으로 적용한 이번 연구는 미토콘드리아 유전자 교정기술이 치료제로 개발되기 전에 반드시 선행돼야 하는 연구"라며, "지금까지 적절한 치료법이 없었던 미토콘드리아 질환에 있어 치료의 길이 열리는데 한 발짝 더 다가간 것 같아 기쁘다"라고 전했다.

한편, 이번 연구는 세계적 국제학술지인 셀(Cell)(IF=66.85) 지에 'Engineering TALE-linked deaminases to facilitate precision adenine base editing in mitochondrial DNA'라는 제목으로 2024년 1월 4일 (현지시간)에 게재됐으며 조성익 박사(연세대학교 의과대학), 임가영 박사(한국과학기술연구원/KIST 뇌과학연구소), 홍성호 연구원(고려대학교 의과대학)이 공동 제 1저자로, 이성현 교수(성균관대학교 의학과 및 메타바이오헬스학과), 이현지 교수(고려대학교 의과대학), 김진수 교수(싱가포르국립대, ㈜엣진 CTO)가 공동 교신저자로 참여했다.