크리스퍼 유전자 가위 원리(CRISPR-Cas9)

단백질 하나가 어떻게 유전체에서 한 자리를 찾을까요

사람 유전체 한 벌에는 염기쌍이 약 30억 개 들어 있습니다. 그중 유전자 하나만 고치고 싶다면, DNA를 읽어 짧은 구간 하나를 알아보고 그 자리만 자르는 도구가 있어야 합니다. 예전 도구인 징크핑거 핵산분해효소나 탈렌(TALEN)은 표적이 바뀔 때마다 단백질을 새로 설계해야 했고, 단백질 설계는 느리고 어렵습니다. 크리스퍼-Cas9은 이 문제를 바꿔 놓았습니다. 단백질은 그대로 두고 짧은 RNA 가이드만 새로 쓰면 되기 때문입니다.

이 전시는 그 과정을 분자 크기로 보여 줍니다. 무대에는 짧은 DNA 한 토막이 놓여 있고, Cas9이 가이드 RNA를 품고 다가옵니다. PAM을 찾고, 가이드를 DNA 20염기와 짝짓고, 두 가닥을 자른 뒤 세포가 끊긴 곳을 수선하는 순서를 따라가 볼 수 있습니다. 모형 위 상자에는 가이드 서열을 직접 써 넣을 수 있습니다. 글자가 맞지 않으면 짝짓기가 멈추고 아무것도 잘리지 않습니다. 숫자는 노벨 화학위원회, OpenStax, RCSB 단백질 정보은행(PDB), 미국 국립인간유전체연구소(NHGRI) 자료에서 가져왔고, 출처는 글 끝에 있습니다.

모형 크기로 본 DNA

DNA는 두 가닥이 서로 감긴 분자입니다. 가닥마다 당과 인산이 사슬처럼 이어져 있고, 당에는 A, C, G, T 네 가지 염기 가운데 하나가 붙습니다. 한 가닥의 A는 맞은편 T와, C는 G와 짝을 지으므로 한 가닥만 알면 다른 가닥도 알 수 있습니다. 모형에서 A는 초록, T는 빨강, G는 노랑, C는 파랑입니다. RNA에서 T 대신 쓰이는 U는 보라색입니다.

흔한 형태인 B형 DNA는 치수가 정해져 있습니다. 이중나선의 폭은 2 nm이고, 이웃한 염기쌍 사이는 0.34 nm이며, 3.4 nm마다(염기쌍 10개마다) 한 바퀴를 돕니다. 모형 왼쪽 끝의 검은 막대가 폭 2 nm와 한 바퀴 3.4 nm를 나타냅니다. 모형에는 염기쌍 44개가 있으니 길이는 44 × 0.34 = 15 nm입니다.

두 가닥은 서로 반대 방향으로 놓입니다. 화학에서는 가닥의 두 끝을 5′와 3′라 부르고, 서열은 5′에서 3′ 방향으로 씁니다. 모형에서 회색 가닥은 왼쪽에서 오른쪽으로 5′→3′이고, 짙은 가닥은 그 반대입니다. 회색 가닥은 가이드와 글자가 같고(가이드의 U 자리에 T), 짙은 가닥이 가이드와 짝을 짓습니다.

세균이 바이러스를 기억하는 방법

크리스퍼는 세균 유전체의 수수께끼에서 시작했습니다. 1987년 대장균 DNA에서 이상한 무늬가 보고되었습니다. 29 염기쌍 길이의 같은 서열이 다섯 번 되풀이되고, 그 사이에 매번 다른 32 염기쌍 서열이 끼어 있었습니다. 비슷한 배열이 여러 세균과 고세균에서 발견되었고, 여기에 CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, 규칙적인 간격으로 모여 있는 짧은 회문 반복)라는 이름이 붙었습니다. 배열 옆에는 cas(CRISPR 연관) 유전자 무리가 있었는데, 이 유전자들이 만드는 단백질은 핵산을 풀고 자르는 효소와 닮아 있었습니다.

2005년 세 연구진이 반복 서열 사이의 스페이서가 바이러스와 플라스미드의 DNA와 같다고 보고했습니다. 어떤 스페이서를 가진 세균은 그와 서열이 같은 바이러스에 거의 감염되지 않았습니다. 2007년에는 스트렙토코쿠스 테르모필루스(Streptococcus thermophilus) 실험이 이 관계를 직접 보여 주었습니다. 바이러스 공격에서 살아남은 세균은 그 바이러스에서 베낀 새 스페이서를 얻었고, 이후 그 바이러스에 저항했습니다. 스페이서를 없애면 저항성도 사라졌습니다.

크리스퍼 배열은 지난 감염의 기록인 셈입니다. 배열은 긴 RNA로 옮겨진 뒤 스페이서 하나씩 들어 있는 짧은 크리스퍼 RNA(crRNA)로 잘립니다. 짧은 RNA는 Cas 단백질과 결합해 서열이 맞는 DNA로 단백질을 이끕니다. 스트렙토코쿠스의 체계에서는 자르는 일을 Cas9 단백질 하나가 맡고, 여기에 작은 RNA인 tracrRNA가 더 필요합니다. tracrRNA는 2011년 에마뉘엘 샤르팡티에 연구진이 밝혔습니다.

Cas9과 가이드 RNA

스트렙토코쿠스 피오게네스(Streptococcus pyogenes)의 Cas9은 큰 단백질입니다. 단백질 정보은행의 결정 구조 4OO8에 들어 있는 사슬은 아미노산 1,372개, 무게 약 159 킬로달톤입니다. 2014년 2.5 Å 분해능으로 풀린 이 구조에서 Cas9은 두 로브로 나뉩니다. 인식 로브(REC)는 가이드 RNA와 RNA-DNA 짝을 붙잡고, 핵산분해 로브에는 두 절단 도메인 HNH와 RuvC, 그리고 끝쪽에 PAM 결합 도메인이 있습니다.

모형에서는 단백질을 그 자리에 놓인 부드러운 덩어리 네 개로 그렸습니다. 모양은 지어낸 것이고, 안쪽의 RNA와 DNA가 보이도록 반투명하게 만들었습니다. 조작 탭에서 속 보기를 켜면 더 옅어집니다.

세균 안에서 Cas9은 RNA 두 개를 함께 싣습니다. 스페이서가 든 crRNA와, 그것을 제자리에 잡아 주는 tracrRNA입니다. 2012년 샤르팡티에와 제니퍼 다우드나 연구진은 이 둘을 이어 가이드 RNA 한 가닥으로 만들었습니다. 가이드는 두 부분으로 되어 있습니다. 앞쪽 20글자인 스페이서가 표적을 정하고, 나머지는 접혀서 단백질 안에 자리 잡는 스캐폴드가 됩니다. 모형에서는 주황색 관으로 그렸습니다. 20글자를 바꾸면 같은 단백질이 다른 자리로 갑니다.

첫 단계: PAM 찾기

Cas9은 DNA의 모든 구간을 가이드와 맞춰 보지 않습니다. 먼저 PAM(protospacer adjacent motif, 프로토스페이서 인접 모티프)을 찾습니다. 스트렙토코쿠스 피오게네스의 Cas9에서는 회색 가닥에서 표적 바로 뒤에 오는 NGG입니다. 아무 염기 하나 다음에 G가 두 개 옵니다. PAM 결합 도메인에 있는 아르지닌 두 개가 수소결합으로 GG를 알아봅니다. PAM을 찾은 뒤에야 단백질은 그 옆의 DNA를 구부리고 두 가닥을 떼어 내기 시작합니다.

PAM은 세균에 관한 질문에도 답합니다. 스페이서가 바이러스 DNA와 맞는다면 크리스퍼 배열 안에 있는 자기 복사본과도 맞을 것입니다. 그런데도 세균이 자기 유전체를 자르지 않는 것은, 배열 속 스페이서 옆에는 PAM이 없고 바이러스 쪽 서열 옆에는 PAM이 있기 때문입니다.

모형의 PAM은 TGG입니다. 조작 탭에서 PAM(NGG)을 끄면 TGA로 바뀝니다. 그러면 가이드가 20염기 모두와 맞더라도 Cas9은 DNA 위에 머물다가 나선을 열지 못하고 떠납니다.

둘째 단계: 씨앗부터 스무 글자

PAM 옆에서 DNA가 염기쌍 하나씩 풀리고, 가이드 RNA가 짙은 가닥과 짝을 짓습니다. 회색 가닥은 옆으로 밀려나 고리를 만듭니다. RNA가 DNA 한 가닥과 짝을 짓고 다른 가닥은 밀려난 이 구조를 R-루프라 합니다. 짝짓기는 PAM 쪽 끝에서 시작하고, PAM에 가장 가까운 가이드 10염기인 씨앗(seed)이 가장 중요합니다. 씨앗에 불일치가 있으면 대개 인식이 멈춥니다.

모형 위 상자 윗줄은 회색 가닥의 표적을 5′→3′ 방향으로 보여 주고, 끝에 PAM이 붙어 있습니다. 씨앗 10자리는 옅은 색으로 칠했습니다. 아랫줄이 가이드입니다. 상자에 글자를 쓰거나 네 버튼을 눌러 보세요.

• 일치: 20글자가 모두 짝을 짓습니다. R-루프가 끝까지 열리고 Cas9이 자릅니다.
• 씨앗 불일치: 17번째 글자를 바꿨습니다. R-루프가 3 염기쌍만 열리고 멈춥니다.
• 먼 쪽 불일치: 3번째 글자를 바꿨습니다. R-루프가 17 염기쌍까지 열렸다가 다시 닫힙니다.
• 다른 유전자: 다른 서열을 겨냥해 쓴 가이드입니다. 짝을 짓는 글자가 없습니다.

짝을 짓지 못하는 글자는 검은 칸으로 표시됩니다. 모형에서는 불일치가 하나라도 있으면 그 글자에서 짝짓기가 멈추고, DNA가 다시 닫히고, Cas9이 떨어집니다. 실제 Cas9은 이보다 덜 엄격한데, 이 점은 뒤에서 다룹니다.

셋째 단계: 도메인 두 개, 절단 두 번

가이드가 20염기 모두와 짝을 지으면 HNH 도메인의 모양이 바뀌면서 짙은 가닥 쪽으로 돌아 들어옵니다. 두 핵산분해 도메인은 한 가닥씩 맡아 자릅니다. HNH는 가이드와 짝을 지은 가닥을, RuvC는 밀려난 회색 가닥을 자릅니다. 두 절단 모두 PAM에서 3 염기쌍 앞, 두 가닥의 같은 위치에서 일어나므로 끝이 어긋나지 않고 대개 뭉툭합니다.

모형에서 절단은 왼쪽에서 세어 27번째와 28번째 염기쌍 사이에 일어나고, PAM 쪽에는 표적 염기쌍 세 개가 남습니다. 절단 위치에서 노란 고리가 번쩍인 뒤 Cas9이 물러나고 두 끝이 벌어집니다.

두 도메인 가운데 하나를 못 쓰게 만들면 Cas9은 한 가닥만 자릅니다. 이런 닉카아제(nickase)는 가까이 붙은 반대쪽 가닥을 겨냥하는 가이드 두 개와 함께 쓰이며, 두 가이드가 모두 맞는 곳에서만 이중가닥이 끊어집니다.

끊긴 염색체를 세포가 고치는 방법

Cas9은 DNA를 끊기만 합니다. 실제로 서열을 바꾸는 것은 세포가 원래 가지고 있는 수선 체계이고, 세포는 끊긴 DNA를 늘 고치며 삽니다. 수선 경로는 크게 두 가지입니다.

첫째는 비상동 말단 연결(NHEJ)입니다. 세포가 두 끝을 그대로 다시 붙이는데, 이음매에서 염기가 몇 개 더해지거나 빠지는 일이 보통입니다. 유전자 안에서 염기 한두 개가 바뀌면 그 뒤의 코돈 읽는 틀이 모두 밀리고, 유전자가 단백질을 만들지 못하게 되는 일이 많습니다. 진행 막대나 순서대로 보기 7단계에서 모형이 염기쌍 하나를 더해 끝을 잇는 모습을 고리 표시와 함께 볼 수 있습니다.

둘째는 상동 재조합에 의한 수선(HDR)입니다. 끊긴 곳 양쪽과 서열이 같은 DNA 조각이 있으면, 세포는 그것을 주형 삼아 빈 곳을 베껴 채웁니다. 가운데 글자를 바꾼 주형을 넣어 주면 원하는 변화를 유전체에 써 넣을 수 있습니다. 수선 주형을 켜면 끊긴 곳 옆에 초록 주형이 나타나고, 끝이 이어질 때 절단 위치의 염기쌍 세 개가 주형의 글자로 바뀝니다.

숫자로 확인하기

20글자면 왜 충분할까요? 자리마다 네 가지가 올 수 있으니 20글자 서열은 4^20 = 1,099,511,627,776가지, 약 1.1 × 10^12가지입니다. 사람 유전체는 염기쌍이 약 3 × 10^9개이고 서열은 두 가닥 어느 쪽에나 놓일 수 있으니, 살펴볼 자리는 약 6 × 10^9곳입니다. 유전체가 무작위 서열이라면 특정한 20글자가 우연히 나타나는 횟수는 6 × 10^9 ÷ 1.1 × 10^12 ≈ 0.005번입니다. 이 무작위 모형에서는 고른 표적과 완전히 같은 추가 사본이 드물 것으로 예상되지만 실제 유전체에서 유일하다는 보장은 아닙니다.

씨앗만 보면 이야기가 달라집니다. 씨앗 10글자에 PAM의 G 두 개를 더하면 정해진 글자는 12개이고, 4^12 = 16,777,216입니다. 무작위 서열이라면 이 무늬는 6 × 10^9 ÷ 1.7 × 10^7 ≈ 360번쯤 나타납니다. 가이드의 먼 쪽이 잘 맞지 않아도 Cas9이 이런 자리를 자르는 일이 있어서, 가이드 서열은 쓰기 전에 유전체 전체와 비교해 봅니다. 실제 유전체에는 되풀이되는 서열이 많아 무작위 계산보다 사정이 나쁩니다.

모형에서 표적은 20 × 0.34 = 6.8 nm로 나선 두 바퀴입니다. 절단 위치는 PAM에서 3 염기쌍, 약 1 nm 떨어져 있습니다.

화면에서 해 보기

모형은 찾는 장면으로 시작합니다. Cas9 이 짧은 꾸민 DNA 를 따라 미끄러지며 NGG 표시마다 멈추고, 가이드가 맞는 곳에서만 이중나선이 열리고 잘립니다. 글자는 그림을 위해 꾸민 것입니다. 개념을 보여 주는 화면이지 실험 방법이 아닙니다.

• 무대 위 글자 줄에서 NGG 표시를 누르세요. Cas9 이 그 자리로 가고, 가이드가 짝을 이루지 못하면 떨어져 다음으로 갑니다.
• Cas9 을 직접 끌어 DNA 위를 옮기고 NGG 표시 위에 놓아 보세요.
• PAM 가까이 글자가 하나 틀린 가이드를 고르거나 PAM 을 끄면 Cas9 이 자르지 못하는 것을 볼 수 있습니다.
• 단백질 부품을 누르면 HNH·RuvC 도메인, REC 덩어리, PAM 결합 도메인이 하는 일이 나옵니다.
• 세균 이야기를 열면 세균이 바이러스 DNA 조각을 저장했다가 바이러스가 다시 왔을 때 쓰는 과정을 볼 수 있습니다.
• 조작 아래에는 과제, 숨은 볼거리, 머리카락·세포와의 크기 비교, 1987년부터 첫 승인 의약품까지의 크리스퍼 역사가 있습니다.

모형에서 단순하게 만든 부분

단백질은 측정한 표면이 아니라 덩어리 네 개이고, HNH 도메인은 한 자리에서 다른 자리로 미끄러지듯 옮겨 갈 뿐입니다. DNA는 한 바퀴에 정확히 염기쌍 10개인 곧은 나선이지만, 실제 DNA는 Cas9이 붙잡는 PAM 옆에서 꺾입니다. R-루프는 염기쌍 하나씩 고르게 열리는데, 실제로도 단계적으로 자라지만 속도가 일정하지는 않습니다. 절단 뒤 Cas9이 물러나는 것은 끝을 보여 주려는 연출이고, 실제 단백질이 얼마나 오래 붙어 있는지는 모형에 담지 않았습니다.

불일치 규칙도 실제보다 단순합니다. 실제 Cas9은 PAM에서 먼 쪽의 불일치를 어느 정도 견디고, 그런 표적 밖 자리를 자르기도 합니다. 수선도 경로마다 한 가지 예만 보여 줍니다. 비상동 말단 연결은 염기쌍 하나가 더해진 경우, 상동 재조합은 염기쌍 세 개가 바뀐 경우입니다. 실제 세포에서 비상동 말단 연결은 정해진 결과 하나가 아니라 여러 가지 짧은 삽입과 결실을 섞어 냅니다. 모형의 서열은 지어낸 것이고 실제 유전자가 아닙니다.

세균의 수수께끼에서 실험실 도구로

샤르팡티에는 스트렙토코쿠스 피오게네스를 연구하다 tracrRNA를 찾아 2011년 3월에 발표했습니다. 그해 봄 푸에르토리코 학회에서 캘리포니아 대학교 버클리의 생화학자 다우드나를 만났고, 두 사람은 Cas9을 함께 연구하기로 했습니다. 시험관에서 Cas9에 crRNA만 넣었을 때는 DNA가 잘리지 않았습니다. tracrRNA를 더하자 DNA가 잘렸습니다. 두 사람은 이어서 두 RNA를 가이드 한 가닥으로 합치고, 그 서열을 바꾸면 원하는 자리에서 DNA를 자를 수 있다는 것을 보였습니다. 논문은 2012년에 나왔고, 2013년 초 다른 연구진들이 사람과 생쥐 세포에서 이 방법으로 유전체를 편집할 수 있음을 보였습니다.

스웨덴 왕립과학원은 2020년 노벨 화학상을 에마뉘엘 샤르팡티에와 제니퍼 A. 다우드나에게 수여했습니다. 수상 이유는 「유전체 편집 방법을 개발한 공로」입니다.

어디에 쓰이나요

노벨위원회에 따르면 크리스퍼-Cas9은 기초 연구의 표준 도구가 되어, 세포와 실험동물의 유전자를 바꿔 그 유전자가 하는 일을 알아내는 데 쓰입니다. 식물 육종에도 쓰이며, 위원회 자료는 흙에서 카드뮴과 비소를 덜 흡수하도록 편집한 벼 품종을 예로 듭니다. 미국 국립의학도서관의 MedlinePlus는 유전체 편집이 여러 질병을 대상으로 연구와 임상시험에서 검토되고 있다고 설명하고, 난자, 정자, 배아의 유전체를 편집하는 일은 현재 미국과 다른 많은 나라에서 불법이라고 적고 있습니다.

크리스퍼-Cas9으로 만든 의약품 하나가 유럽연합에서 허가를 받았습니다. 유럽의약품청(EMA)은 2024년 2월 9일 카스게비(Casgevy, 성분명 엑사감글로진 오토템셀)에 조건부 판매 허가를 내주었습니다. 대상은 수혈에 의존하는 베타 지중해빈혈이나 중증 겸상적혈구병이 있는 12세 이상 환자입니다. 환자 자신의 혈액 줄기세포를 몸 밖에서 편집해 태아 헤모글로빈을 더 만들게 한 것입니다. 조건부 허가는 회사가 허가 뒤에도 근거를 더 내야 한다는 뜻입니다. 이 전시는 어떤 치료의 효과나 안전성도 주장하지 않으며, 자세한 내용은 유럽의약품청 페이지에 있습니다.

주소가 하나여도 오프타깃 절단이 생기는 이유

앞의 무작위 서열 계산은 완전 일치만 셉니다. 20염기 가이드에서 한 글자 불일치를 허용한다고 가정하면, 바꿀 위치 20개마다 다른 글자 3개가 있으므로 20 × 3 = 60개의 이웃 서열이 생깁니다. 원래 서열까지 합치면 61개입니다. 계산용 유전체를 3,200,000,000염기쌍으로 놓으면 두 가닥에서 시작 위치는 약 6,400,000,000개입니다. 각 염기가 독립적이고 같은 빈도로 나온다는 비현실적인 가정에서, 특정 가이드와 우연히 완전히 맞는 곳의 기댓값은 6,400,000,000 ÷ 4^20 ≈ 0.0058입니다. 원래 서열과 이웃 60개를 모두 세면 PAM 조건을 적용하기 전 약 0.36이 됩니다.

NGG에서 N은 무엇이든 되고 두 G가 나올 확률은 각각 1/4입니다. 이 가상 유전체에서 NGG까지 요구하면 기댓값에 1/16을 곱합니다. 61개 서열의 결과는 약 0.022입니다. 이는 우연한 서열 무늬의 예상 개수이지 임상 위험의 백분율이나 측정한 절단율이 아닙니다. 실제 존재하기 때문에 선택한 의도된 표적도 이 수에 포함되지 않습니다. 불일치를 허용한 모든 서열이 절단된다는 뜻도 아닙니다. 반복 서열, 염기 빈도 차이, DNA 포장 상태, 환자의 변이와 불일치 위치가 계산의 가정을 깨뜨립니다. 무작위 계산에서 일치가 드물어도 복제된 유전자에는 거의 같은 표적이 있을 수 있습니다.

그래서 가이드를 설계할 때는 해당 유전체를 검색하고 실제 실험으로 확인합니다. 예상 오프타깃은 조사할 후보이지 손상이 일어났다는 증거가 아닙니다. 절단이 검출되지 않았다는 결과에도 측정법의 감도 한계가 있습니다. 2016년 Kleinstiver 연구진은 DNA와의 비특이적 접촉을 약하게 만든 SpCas9-HF1을 발표했습니다. 시험한 여러 가이드에서 표적 활성을 유지하면서 검출되는 오프타깃 활성을 줄였습니다. 논문 제목의 ‘검출되지 않는’은 그 시험 조건의 결과이지 모든 세포와 가이드에 대한 보증이 아닙니다. 고충실도 효소도 표적에 따라 원하는 활성이 떨어질 수 있어 특이성과 효율을 함께 확인해야 합니다. 불일치 하나면 무조건 멈추는 이 모형은 교육용 단순화이며 이 개량 효소의 시뮬레이션이 아닙니다.

두 가닥을 끊지 않고 글자 바꾸기

이 전시의 ‘수선 주형’은 절단 뒤의 HDR을 나타냅니다. 모든 정밀 편집이 이 방식인 것은 아닙니다. 2016년 Komor 연구진은 DNA를 표적으로 삼는 Cas9 구성요소에 시티딘 탈아미노효소를 붙인 염기 편집기를 발표했습니다. 노출된 DNA의 시티딘을 유리딘으로 바꾸고, 뒤이은 처리로 C가 T로 바뀔 수 있습니다. 반대 가닥에서 보면 G에서 A로 바뀐 것입니다. 후속 설계는 한 가닥만 자르는 니케이스를 이용해 원하는 결과를 유도합니다. 의도적인 이중가닥 절단을 피한다고 해서 한 가닥 절단조차 없거나 원치 않는 산물이 없다는 뜻은 아닙니다.

염기 편집은 가이드 근처의 아무 글자나 바꾸는 것이 아니라 정해진 편집 범위에서 작동합니다. 그 범위에 다른 편집 가능한 염기가 있으면 함께 바뀌는 방관자 편집이 생길 수 있습니다. PAM의 위치도 결합할 자리를 제한합니다. 원하는 세포로 전달되는지, 다른 곳도 바뀌는지, 세포 중 어느 비율이 원하는 변화를 얻는지는 실험으로 확인해야 합니다. 필요한 변화가 효소의 화학 반응과 맞을 때 유용한 도구이지 유전체의 모든 오자를 마음대로 고치는 도구는 아닙니다.

2019년 Anzalone 연구진이 발표한 프라임 편집은 Cas9 니케이스에 역전사효소를 연결합니다. 길어진 프라임 편집 가이드 RNA인 pegRNA가 표적 주소와 원하는 변화의 주형 정보를 함께 담습니다. 효소가 RNA의 정보를 DNA로 복사한 뒤 세포가 편집 중간체를 처리해야 합니다. 별도 공여 DNA를 주거나 의도적으로 이중가닥을 끊지 않고도 치환과 작은 삽입·결실을 만들 수 있습니다. 여전히 세포 수선에 의존하고 효율과 원치 않는 산물은 표적과 설계에 따라 달라집니다. 이 화면에는 염기 편집과 프라임 편집 애니메이션이 없습니다. ‘수선 주형’의 초록색 물체는 HDR용 DNA이지 pegRNA가 아니며, 두 가닥 절단은 일반 Cas9 편집을 나타냅니다.

카스게비가 환자 세포에서 바꾸는 것

카스게비는 몸 밖에서 세포를 편집하는 실제 사례입니다. 영국 MHRA는 2023년 11월 16일 승인을 발표했고 발표문에는 실제 승인일이 11월 15일로 기록돼 있습니다. 미국 FDA는 2023년 12월 8일 반복적인 혈관폐쇄성 위기를 겪는 12세 이상 겸상적혈구병 환자에게 카스게비를 승인했습니다. 적응증과 사용 조건은 나라마다 같다고 가정하지 말고 각 규제기관의 자료로 확인해야 합니다. 이 날짜는 최초 결정에 관한 것으로 이후의 모든 승인을 나열한 것은 아닙니다.

겸상적혈구병에서는 비정상적인 성인 헤모글로빈 때문에 적혈구가 낫 모양으로 굳어 혈류를 막을 수 있습니다. 카스게비는 온몸 모든 세포의 원인 돌연변이를 직접 교체하지 않습니다. 환자의 조혈줄기세포를 채취해 몸 밖에서 CRISPR-Cas9으로 편집한 뒤 주입합니다. 편집은 태아 헤모글로빈의 조절에 작용해 치료된 줄기세포에서 만들어지는 적혈구가 이를 더 많이 생산하게 합니다. 원래 유전된 돌연변이가 남아 있어도 태아 헤모글로빈이 겸상화를 줄일 수 있습니다. 원래 DNA의 철자를 고치지 않고 조절 부위를 바꿔 질병의 영향을 보완하는 방식입니다.

세포 주입은 복잡한 치료 과정의 일부입니다. FDA는 변형 세포가 자리 잡을 골수를 준비하기 위해 먼저 고용량 항암치료를 받는다고 설명합니다. 채취, 제조, 전처치, 생착, 추적 관찰이 모두 중요하며 가이드 서열만으로 치료가 되지는 않습니다. 자기 세포를 써도 항암치료의 위험과 편집 세포의 장기 관찰 필요성은 사라지지 않습니다. 이는 체세포 치료입니다. 편집한 조혈세포가 난자나 정자가 되는 것은 아니며 자녀에게 편집을 물려주려는 치료도 아닙니다. 모형은 가상의 표적 하나에서 인식·절단·수선을 보여 줄 뿐 카스게비의 표적이나 임상 제조, 환자 적합성, 개인별 치료 성공 확률은 계산하지 않습니다.

유전되는 편집에 관해 화면으로 판단할 수 없는 것

조혈줄기세포와 배아 편집은 다른 문제를 일으킵니다. 배아의 편집은 발달 중인 사람의 여러 조직과 나중에 난자나 정자를 만드는 세포에도 도달할 수 있습니다. 동의할 수 없었던 후손에게 변화가 유전될 수 있습니다. 초기 세포 일부만 편집되면 세포 집단마다 DNA 변화가 다른 모자이크가 될 수 있습니다. 한 시료의 서열이 깨끗해 보여도 모든 조직이 같은 편집을 가졌다는 증거는 아닙니다. 정확한 위치에 변화가 생겨도 그 용도가 의학적으로 타당하고 공평하게 제공되는지까지 증명하지는 못합니다.

WHO의 2021년 권고는 체세포·생식세포·유전 가능한 편집을 구별하고 감독 체계, 등록부, 국제 협력, 불법·미등록·비윤리적·위험한 연구를 신고할 방법을 요구합니다. 이는 감독의 틀이지 국제적인 허가증이나 각국 법을 자동으로 대체하는 법률이 아닙니다. 2020년 노벨 화학상은 샤르팡티에와 다우드나의 유전체 편집 방법 개발에 수여됐습니다. 과학상이 모든 응용을 승인하는 것은 아닙니다.

화면에서는 분자 관찰과 그보다 큰 주장을 구별해 보세요. ‘일치’와 ‘PAM(NGG)’을 켜고 ‘진행’을 절단과 수선까지 옮깁니다. 가이드는 그대로 두고 PAM을 끄면 주소가 맞는 것만으로는 부족함을 볼 수 있습니다. PAM을 복구하고 ‘씨앗 불일치’와 ‘먼 쪽 불일치’를 비교합니다. 둘 다 절단은 멈추지만 짝짓기가 멈추는 위치가 다릅니다. 생물학적 위험이 같다는 증거는 아닙니다. 마지막으로 ‘수선 주형’을 켠 경우와 끈 경우를 비교합니다. 산물은 두 수선 경로의 예이지 세포에서 나타나는 빈도가 아닙니다. 각 실행에서 PAM 유무, 짝짓기가 멈춘 위치, 수선 산물을 기록해 보세요. 어느 관찰도 치료 안전성이나 배아 생존, 동의를 측정하지 않습니다.