[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

암세포는 정상세포와 달리 유전체에 무작위로 생성된 돌연변이가 축적되어 있으며, 이를 기반으로 한 유전체 변이에 특이적으로 반응하는 정밀 항암 치료 기술이 요구되고 있다. 기존의 항암 치료법은 방사선이나 항암제를 통해 DNA 손상을 유도하지만, 이들 방식은 정상세포까지 광범위하게 영향을 주어 부작용이 크다는 한계가 있다. 이러한 상황에서 특정 돌연변이를 표적으로 암세포만 선택적으로 죽이는 유전자 편집 기반 치료 전략이 주목받고 있으며, 특히 CRISPR 유전자가위 시스템을 항암제 자체로 활용하려는 시도가 최근 활발히 진행되고 있다.

이전 연구에서 CRISPR 유전자가위를 이용해 암세포 유전체에 존재하는 돌연변이를 인식하여 DNA 이중가닥 절단을 유도하고, 이를 통해 암세포만을 선택적으로 사멸시킬 수 있음을 입증한 바 있다. 그러나 이를 실행하려면 많은 수의 CRISPR를 동시에 전달해야 하는 기술적 어려움이 존재한다. 이로 인해 전달 효율이 떨어지고, 임상 적용에 불리한 복잡성이 발생할 수밖에 없다.

따라서 더 적은 수의 CRISPR 만으로도 암세포를 특이적으로 사멸시킬 수 있는 전략이 요구되었다. 본 연구는 세포 사멸에 필요한 CRISPR 개수를 최소화하면서도 암세포 특이적 사멸 효과를 유지하고, DNA 손상 복구 차단 전략을 병행해 항암 효과를 극대화할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시하였다.

2.연구내용

연구팀은 암세포 유전체에 존재하는 돌연변이를 인식하도록 설계한 CRISPR 를 활용해, 유전자가위가 오직 암세포에서만 표적 서열을 절단하여 사멸시키는 시스템을 개발하였다. 특히 기존의 Cas9 단백질 대신, DNA를 단일가닥만 절단하는 Cas9-nickase 를 사용하였다. 여기에 DNA 손상 복구를 억제하는 올라파립(olaparip)과 같은 PARP 억제제을 동시에 사용함으로써, 단일가닥 절단이 암세포 내에서 이중가닥 손상으로 발전하고, 회복되지 못한 DNA 손상이 암세포 사멸로 이어지도록 하였다. 기존에 BRCA 유전자 결함이 있는 암에서만 효과를 보였던 PARP 억제제를 BRCA 기능이 정상인 암세포에서도 효율적으로 작동시킬 수 있도록 만든 것이다.

실제 대장암 세포주와 대장암 환자 유래 오가노이드 모델에 이 시스템을 적용한 결과, 암세포에서만 세포 사멸이 나타남이 확인되었으며, 동일 조건에서의 정상세포와 정상 오가노이드는 세포 독성이 관찰되지 않았다. 특히 필요한 CRISPR의 개수를 20~30개에서 4개로 줄였음에도 불구하고, 효과적인 암세포 특이적 사멸 효과를 확보함으로써, 기술적 복잡성을 낮추고 실용성을 크게 향상시켰다.

또한 연구팀은 환자 유래 대장암 오가노이드와 생쥐 종양 모델에서도 암세포 특이적인 사멸 효과를 관찰하여, 생체 내에서도 적용 가능한 치료 전략임이 입증하였다.

3.기대효과

본 연구는 유전체 돌연변이 정보를 기반으로 정상세포를 손상시키지 않고, 암세포만을 정밀하게 제거하는 차세대 유전자 편집 기반 항암 치료 기술의 임상 가능성을 보여준다. 지난 22년에 제시됐던 기술과 달리 더 적은 개수의 표적만으로도 강력한 항암 효과를 유도할 수 있어, 유전자 치료 플랫폼의 안전성, 효율성, 적용 용이성이 모두 향상될 것이다.

특히 BRCA2 유전자 기능이 정상인 암세포에서도 PARP 억제제를 효율적으로 적용할 수 있도록 유도한 점은, 기존 PARP 기반 치료가 가진 한계를 극복할 수 있는 새로운 전략이다. PARP 억제 항암제 예시에서 보듯, 기존의 항암제는 치료 효과 등이 암 특이적 단백질에 크게 의존하는데, 이번 연구는 암 세포의 DNA를 표적 및 치료 효과의 대상으로 하는 새로운 치료 전략을 제시해 기존 항암제의 한계를 보완할 수 있음을 보였다.

향후 다양한 암종에 맞춘 맞춤형 정밀 치료제로 확장이 가능하며, 임상적 실용화를 위한 핵심 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.CRISPR 유전자가위

세균의 면역 체계에서 유래한 유전자 편집 기술. 특정 DNA 염기서열을 인식해 자를 수 있어, 다양한 유전자 편집 기술에 활용된다. 가위 역할을 하는 효소(Cas9)와 효소를 목적지(특정 DNA 염기서열)로 안내하는 가이드 RNA(gRNA)로 구성되어 있다.

2.Cas9-nickase

Cas9 단백질의 변형체로, DNA 단일가닥 절단을 발생시킨다. 이중가닥 절단에 비해 세포 독성 및 돌연변이 유발 가능성이 낮다.

3.PARP 억제제 (PARP inhibitor)

DNA 손상 복구에 관여하는 효소인 PARP(Poly ADP-ribose polymerase)의 활성을 억제하는 약물. DNA 복구 기능을 차단해 세포 사멸을 유도하며, 특히 BRCA 유전자 돌연변이가 있는 암에서 효과가 뛰어나다. 올라파립(olaparip)과 같은 약물이 PARP억제제에 해당한다.

4.오가노이드 (Organoid)

줄기세포나 환자 조직에서 유래한 세포를 3차원적으로 배양해 만든 미니 장기 구조체로, 실제 장기와 유사한 조직 구조와 기능을 가지며, 환자 맞춤형 질병 연구 및 약물 반응 실험에 사용된다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 암 특이적 돌연변이를 표적하는 CRISPR 유전자가위 기반 암세포 사멸 기술의 모식도. 암세포에 존재하는 돌연변이를 표적으로 하는 4개 이상의 유전자가위를 전달하면 DNA 다중 손상을 복구하지 못하고 세포가 사멸하게 된다. 유전자가위의 개수를 줄이고 방사선 등의 방법으로 추가 손상을 유도하거나, DNA 손상 복구 억제제 등을 활용하는 방법도 유사한 효과를 나타낸다. 정상세포에는 돌연변이 서열이 없기때문에 CRISPR 유전자가위로 손상 시키지 못한다. 방사선이나 약물의 부작용을 크게 낮추는 방법으로도 활용 가능하다.

그림 2. 기존 CRISPR 사용과 Cas9-nickase 와 PARP 억제제를 이용한 표적치료 비교. 기존 CRISPR 유전자가위는 DNA 이중가닥을 절단하여 비표적 돌연변이를 유발할 수 있고, 세포 독성이 높다. Cas9-nickase는 단일가닥만을 절단하여 돌연변이 발생 확률을 감소시킬 수 있지만, 세포 사멸 유도가 힘들다. 단일가닥 절단과 동시에 PARP 억제제를 사용한다면, 이는 이중가닥 절단으로 이어져 세포 사멸을 유도한다.

그림 3. Cas9-nickase 와 PARP 억제제(올라파립)를 함께 이용한 항암 치료효과를 동물 모델에서 검증함. 왼쪽 그래프는 다양한 실험군에 따른 종양의 크기 변화를 시간에 따라 보여준다. 다른 실험군 대비 암세포 특이적 크리스퍼 4개 (Hmix-4)와 올라파립을 함께 처리했을 때, 종양 성장이 억제됨을 확인했다. 이 결과는 해당 기술이 생체 내에서도 효과적인 항암 효과를 보여준다는 것을 입증한다.