나뭇잎 교과서

단일클론항체·줄기세포·유전자 편집

특정 암세포만 찾아가는 항체, 손상된 조직을 다시 만드는 줄기세포, 잘못된 염기를 고치는 유전자 가위. 이 세 가지 기술은 치료할 수 없던 병에 새로운 길을 열고 있습니다.

본문

단일클론항체·줄기세포·유전자 편집

본문

사람의 유전체는 31억 염기쌍이다. 유전자 가위는 그 가운데 병을 일으키는 염기 몇 개만 찾아 자르고 고친다. 31억 글자짜리 책에서 오타 하나를 찾아 고치는 셈이다. 엉뚱한 곳을 자르면 다른 유전자가 망가질 수 있다. 유전자 가위는 어떻게 원하는 곳만 찾을까? 그리고 단일클론항체와 줄기세포는 유전자 편집과 어떻게 다른 치료법일까?

그림 1. 길이 \(L\)인 안내 서열이 사람 유전체(양쪽 가닥)에서 우연히 일치할 곳의 기댓값(로그 눈금). 12염기면 수백 곳이지만, 20염기면 0.01곳보다 적어 거의 한 곳만 찾는다.
먼저 알아야 할 것염기 상보성(DNA 복제), 제한 효소와 인식 서열(생명공학기술의 발달), 세포 분화(세포 분화와 발생), 항원과 항체.

3.2.1유전자 가위

CRISPR-Cas9 유전자 가위는 DNA를 자르는 효소 Cas9과, 자를 곳을 알려 주는 안내 RNA로 이루어진다. 안내 RNA에는 표적 DNA와 상보적인 약 20염기의 서열이 있다. Cas9은 DNA를 훑다가 안내 RNA와 상보적으로 짝이 맞는 곳을 만나면 그곳의 두 가닥을 자른다. 세포가 잘린 DNA를 고치는 동안 염기가 빠지거나 들어가 유전자가 꺼지거나, 함께 넣어 준 올바른 서열로 바뀐다.

정리 3.2.1 표적의 유일성

무작위 서열에서 길이 \(L\)인 특정 서열이 나타날 확률은 \(\left(\frac{1}{4}\right)^L\)이다. 유전체 길이가 \(G\)이고 양쪽 가닥을 모두 보면, 우연히 일치하는 곳의 기댓값은 \(\dfrac{2G}{4^L}\)이다.

그림 1에서 안내 서열 길이를 바꾸어 보자. 사람 유전체에서 기댓값이 1 아래로 떨어지려면 \(4^L > 6.2 \times 10^9\), 곧 \(L \ge 17\)이어야 한다. 그래서 안내 서열은 보통 20염기로 만든다. 그런데 몇 염기가 어긋나도 잘리는 경우가 있어, 실제로는 비슷한 서열이 유전체에 없는지 컴퓨터로 확인해 고른다.1

3.2.2세 가지 치료 기술

단일클론항체는 한 종류의 항원에만 결합하는 항체를 대량으로 만든 것이다. 항체를 만드는 B 림프구를 오래 사는 암세포와 융합하여 만든 세포가 같은 항체를 계속 만든다. 특정 암세포 표면의 단백질에만 붙는 항체로 암을 치료하고, 임신 진단 키트에도 쓴다. 줄기세포는 여러 종류의 세포로 분화할 수 있는 세포로, 손상된 조직을 대신할 세포를 만드는 데 연구된다. 유전자 편집은 원인 유전자 자체를 고친다.

기술원리쓰임 단일클론항체한 항원만 찾아 결합표적 항암제, 진단 줄기세포여러 세포로 분화조직 재생 연구 유전자 편집원하는 서열을 자르고 고침유전병 치료
그림 2. 세 기술은 각각 단백질, 세포, 유전자 수준에서 병을 다룬다.

3.2.3예제 풀이

예제 3.2.2

사람 유전체 \(3.1 \times 10^9\) 염기쌍의 양쪽 가닥에서 12염기 안내 서열과 20염기 안내 서열이 우연히 일치할 곳의 기댓값을 각각 구하여라.

양쪽 가닥의 길이는 \(6.2 \times 10^9\)이다. 12염기는 \(4^{12} \approx 1.68 \times 10^7\)이므로 기댓값은 \(\dfrac{6.2 \times 10^9}{1.68 \times 10^7} \approx 370\)곳이다. 원하는 곳 말고도 수백 곳을 자를 수 있다.

20염기는 \(4^{20} \approx 1.1 \times 10^{12}\)이므로 기댓값은 \(\dfrac{6.2 \times 10^9}{1.1 \times 10^{12}} \approx 0.0056\)곳이다. 우연한 일치가 거의 없어, 원하는 한 곳만 찾을 수 있다. 즉 염기 8개를 더 붙였을 뿐인데 엉뚱한 곳을 자를 가능성이 약 6만 분의 1로 줄었다. 그래서 짧은 서열 몇 개의 차이가 유전자 가위의 정확도를 결정한다.

아래 탐구 카드에서 유전자 가위가 표적을 찾는 원리와, 단일클론항체·줄기세포·유전자 편집이 고치는 병을 살펴보자.

  1. CRISPR는 원래 세균이 침입한 바이러스의 DNA 조각을 기억해 두었다가 다시 들어오면 잘라 내는 면역 장치이다. 샤르팡티에와 다우드나가 이를 유전자 편집 도구로 바꾸어 2020년 노벨 화학상을 받았다.
마무리

유전자 가위는 안내 RNA의 약 20염기가 상보적으로 짝지은 곳을 Cas9이 자르는 방식으로 표적을 찾으며, 서열이 길수록 우연한 일치가 \(\frac{2G}{4^L}\)로 급격히 줄어든다. 단일클론항체는 단백질을, 줄기세포는 세포를, 유전자 편집은 유전자를 다룬다. 그래서 처음 질문의 유전자 가위는 20염기 길이의 안내 서열로, 수십억 염기 가운데 사실상 한 곳뿐인 표적을 찾아 자른다.

탐구 1

유전자 가위는 수십억 염기 가운데 한 곳을 어떻게 찾아 자를까?

CRISPR-Cas9 유전자 편집 · 가이드 RNA와 PAM
가이드 RNA (20염기)
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표적과 맞지 않는 염기
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바로 뒤의 PAM (NGG)
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판정
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가이드 RNA는 처음에 표적 유전자의 11~30번 염기에 맞게 설계했고, 슬라이더로 옮기면 다른 위치와 맞춰 볼 수 있다. Cas9은 PAM 앞 3번째와 4번째 염기 사이를 자르며, 불일치를 3개 이하까지 허용하는 것은 단순화한 기준이다.

  1. 질문사람 유전체는 30억 염기쌍이다. 병을 일으키는 염기 하나를 고치려면 그 한 곳만 정확히 찾아서 잘라야 하는데, 세균의 면역 체계에서 온 유전자 가위는 어떻게 이 일을 할까?
  2. 복원RNA와 DNA는 상보적 염기쌍(A–U/T, G–C)으로 결합할 수 있다. 그리고 세포는 끊어진 DNA를 수선하는 능력을 가지고 있다.
  3. 설명CRISPR-Cas9은 세균이 침입한 바이러스 DNA를 기억해 두었다가 자르는 방어 체계에서 왔다. 가이드 RNA 20염기가 표적 DNA의 한 가닥과 상보적으로 결합하고, 그 바로 뒤에 PAM(Cas9의 경우 NGG) 서열이 있어야 Cas9 단백질이 DNA 두 가닥을 자른다. 잘린 DNA를 세포가 이을 때 염기가 조금 빠지거나 끼어들어 유전자가 망가지기도 하고(유전자 불활성화), 함께 넣어 준 주형 DNA를 따라 원하는 서열로 고쳐지기도 한다(유전자 교정).
  4. 연결가이드 RNA 서열만 바꾸면 어떤 유전자든 겨냥할 수 있어서, 이전의 유전자 편집 도구보다 훨씬 쉽고 저렴하다. 2023년에는 환자의 조혈 줄기세포를 꺼내 태아 헤모글로빈이 다시 만들어지도록 편집한 뒤 되돌려 넣는 치료가 낫 모양 적혈구 빈혈증에 처음 승인되었다. 단일클론항체와 줄기세포 치료는 읽기 자료에서 함께 비교한다.
  5. 적용시작 위치를 옮기며 가이드 RNA가 표적과 완전히 맞고 PAM도 있는 곳을 찾아보자. 그리고 ‘다른 염색체의 비슷한 서열’로 바꾸면 불일치가 몇 개인지, 이 서열도 잘릴 수 있다면 어떤 문제가 생길지 생각해 보자.
  6. 판단표적이 아닌 비슷한 서열이 잘리는 표적 외 절단은 유전자 편집의 가장 큰 안전 문제이다. 그래서 가이드 RNA를 설계할 때 유전체 전체에서 비슷한 서열을 검색해 피하고, 정확도를 높인 Cas9 변형 효소를 쓴다. 또 이 카드의 ‘3개 이하면 잘릴 수 있음’은 설명용 기준이며, 실제로는 불일치의 위치에 따라 달라진다.

확인조건이 달라지면

가이드 RNA 20염기가 표적 서열과 완벽히 일치하지만, 그 바로 뒤에 NGG 서열이 없다면?

읽기 2

단일클론항체, 줄기세포, 유전자 편집은 어떤 병을 고칠까?

읽기 · 난치병 치료에 쓰이는 세 가지 기술

세 기술은 원리가 다르지만, 모두 몸속의 특정한 표적을 정확히 겨냥한다는 공통점이 있다. 무엇을 겨냥하고, 어디까지 왔을까?

단일클론항체줄기세포 치료유전자 편집 치료
원리한 가지 항원 부위에만 결합하는 항체. 항체를 만드는 B 세포와 무한히 분열하는 암세포를 융합한 하이브리도마로 대량 생산여러 세포로 분화할 수 있는 줄기세포(성체, 배아, iPS)를 필요한 세포로 분화시켜 손상된 조직을 대체유전자 가위로 원인 유전자를 고치거나, 병을 완화하는 유전자를 켜거나 끔
치료 사례암세포의 표지를 겨냥한 항암제(HER2 등), 류머티즘 관절염, 면역 관문 억제제로 면역 세포가 암을 공격하게 함조혈 모세포 이식(백혈병, 오래된 줄기세포 치료), 피부·연골 재생, iPS 유래 망막 세포 이식 임상 연구낫 모양 적혈구 빈혈증·β-지중해 빈혈 치료제 승인(2023), 유전성 질환의 체내 편집 임상 시험
한계와 과제비싼 생산 비용, 일부 환자에게만 효과, 면역 부작용종양 형성 위험, 이식 거부, 배아 줄기세포의 윤리 문제표적 외 절단, 전달 방법, 매우 높은 치료비, 생식세포 편집의 윤리 문제

전망 토론을 위한 질문

전망을 토론할 때는 이런 질문을 던져 볼 수 있다. 치료 한 번에 수십억 원이 드는 유전자 치료를 건강 보험으로 지원해야 할까, 지원한다면 기준은 무엇이어야 할까? 치료받는 사람에게만 영향을 주는 체세포 편집과, 자손에게 전해지는 생식세포나 배아 편집은 윤리적으로 어떻게 다를까? 그리고 치료와 능력 향상의 경계는 어디일까?

판단새 치료법 소식은 기적의 치료로 과장되기 쉽다. 그래서 기사를 읽을 때 동물 실험인지, 초기 임상 시험(소수 환자)인지, 정식 승인된 치료인지 확인해야 한다. 초기 결과가 좋았다가 대규모 시험에서 효과가 줄거나 부작용이 드러나는 경우도 많기 때문이다.

확인조건이 달라지면

하이브리도마를 만들 때 B 세포를 암세포(골수종 세포)와 융합하는 까닭은?

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