미토콘드리아 질환과 기존 유전자 편집의 한계
우리 몸의 세포에는 에너지를 생산하는 ‘미토콘드리아’라는 중요한 소기관이 있습니다. 이 미토콘드리아는 자체적인 DNA(mtDNA)를 가지고 있는데, 이 mtDNA에 돌연변이가 생기면 다양한 모계 유전 질환, 암, 노화 관련 질환이 발생할 수 있습니다. 그동안 핵 DNA의 돌연변이를 교정하는 데 혁신을 가져온 CRISPR/Cas 기술은 미토콘드리아 막을 효과적으로 통과하지 못해 mtDNA에 직접 접근하기 어려웠습니다. 이로 인해 미토콘드리아 질환 환자들은 유전자 편집 기술의 혜택을 받기 어려웠습니다.
DdCBE 기술의 등장과 미토콘드리아 편집
최근 이러한 한계를 극복하기 위해 이중 가닥 DNA 탈아미노효소 독소 A(DddA) 유래 시토신 염기 편집기(DdCBE)가 개발되었습니다. DdCBE는 CRISPR/Cas 시스템에 의존하지 않고도 미토콘드리아 게놈에 편집을 도입할 수 있도록 합니다. 이 기술은 전사 활성인자 유사 이펙터(TALES)와 박테리아 독소 DddA의 시토신 탈아미노효소 활성을 결합하여 TC>TT 돌연변이를 높은 특이성과 순도로 효율적으로 삽입할 수 있습니다.
환자 유래 세포 모델에서의 돌연변이 생성 및 교정
네덜란드 위트레흐트 대학교 의료 센터 연구팀은 DdCBE 기술의 임상 적용 가능성을 탐색하기 위해, 관련 세포 유형에서 병원성 돌연변이를 생성하고 기능적으로 교정하는 연구를 진행했습니다.
먼저, 연구팀은 간 오가노이드(organoid)에 에너지 생산을 손상시키는 m.15150G>A 돌연변이를 도입했습니다. 그 결과, 다양한 이종형성(heteroplasmy) 수준을 가진 오가노이드 라인을 얻었으며, 이에 상응하여 ATP 생산이 감소함을 확인했습니다. 이는 이 돌연변이의 이종형성 수준에 따른 기능적 결과를 연구할 수 있는 독특한 모델을 제공했습니다.
다음으로, 길텔만 유사 증후군(Gitelman-like syndrome) 환자로부터 유래한 섬유아세포에서 m.4291T>C 돌연변이를 교정했습니다. 이 돌연변이 교정을 통해 미토콘드리아 막 전위(mitochondrial membrane potential)가 회복되는 것을 관찰했습니다. DdCBE는 높은 특이성과 순도로 지속적인 편집을 생성했습니다. 또한, 편집된 mtDNA는 장기간 배양 후에도 안정적으로 유지되었고, 특정 돌연변이에 대해서는 선택적 불이익이 관찰되지 않았습니다.
임상 적용을 위한 전달 시스템 개선
임상 적용을 준비하기 위해 연구팀은 mRNA 매개 미토콘드리아 염기 편집이 DNA 매개 편집에 비해 효율성과 세포 생존율을 증가시킴을 확인했습니다. 더욱이, 유전자 산물에 대한 가장 진보된 비바이러스성 생체 내 전달 시스템인 지질 나노입자(LNPs)를 사용하여 mRNA 미토콘드리아 염기 편집기를 효율적으로 전달할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 시험관 내 전달 도구로서 modRNA의 잠재력을 입증하며, 높은 효율성과 생존력을 유지할 수 있음을 시사합니다.
이러한 접근 방식은 핵 DNA에 대한 유전자 편집 분야의 최근 발전(LNPs를 통한 modRNA 전달)을 기반으로 미토콘드리아 질환의 표적 장기 전달을 위한 중요한 발판이 될 수 있습니다.
오프타겟 편집 분석 및 향후 과제
연구팀은 유전자 교정된 섬유아세포에서 오프타겟 편집의 존재를 조사했습니다. 핵 게놈 내 9개의 고상동성 오프타겟 부위에서는 유의미한 오프타겟 편집 활성이 관찰되지 않았습니다. 그러나 미토콘드리아 게놈 내에서는 온타겟 편집 효율과 상관관계가 있는 것으로 보이는 오프타겟 편집이 일부 관찰되었습니다.
이 연구는 미토콘드리아 염기 편집이 환자 유래 세포에서 미토콘드리아 돌연변이를 생성하고 교정하는 데 유망하고 정밀한 유전자 편집 도구임을 입증했습니다. 또한 modRNA 및 LNP 전달과도 잘 호환됨을 보여주었습니다. 비록 추가 연구가 필요한 부분과 과제가 남아있지만, 질병 모델링 및 잠재적인 치료 개입에 있어 미토콘드리아 염기 편집의 잠재력은 미토콘드리아 의학의 미래 연구 및 개발에 유망한 길을 제시합니다.
한줄평: 미토콘드리아 염기 편집 기술은 미토콘드리아 질환의 근본적인 치료를 위한 가능성을 열었으며, 맞춤형 의학의 발전에 기여할 잠재력이 크다.
참고문헌: DOI: 10.1371/journal.pbio.3003207
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