살아있는 세포 내에서 특정 유전자서열을 고효율로 첨가, 삭제, 치환하는 기술

기존의 유전자편집 효율을 크게 향상시키고 베이스 에디팅(Base editing)이 가지는 염기치환 및 교정범위의 한계를 극복하여 생명현상 연구뿐만 아니라 질병치료, 품종개량 등에 활용 가능

향후 5년 : 프라임 에디팅 기술의 고도화, 특이성 개선 및 다양한 Cas 기반의 프라임 에디팅 기술 개발

향후 10년 : 해당 기술의 고도화 및 체내 전달 기술을 적용한 유전자 교정치료의 임상 시도

1) 크리스퍼 기반 유전자 타게팅 기술 - 특정 DNA 염기서열 및 PAM 서열을 인식하는 크리스퍼 시스템(가이드RNA-Cas9구성)을 사용하여 교정하고자 하는 특정 유전자의 염기서열을 타게팅하는 기술 - 가이드RNA와 목적으로 하는 DNA 사이에 20 bp 정도 길이의 서열이 상동성을 보일 경우 타겟으로 인식

2) 단백질 엔지니어링 기술(nickase, fusion) - 기존에 사용되던 Cas9의 특정 아미노산 서열에 변화(H840A)를 준 닉케이즈(nickase) 형태로 사용하여 DNA이중가닥절단이 아닌 단일가닥 절단을 유도 - 닉케이즈 Cas9의 C말단에 역전사효소를 결합(PE1) 시킨 융합 단백질을 이용하여 가이드RNA를 주형으로 하는 역전사반응을 통해 단일가닥 절단이 일어나 부위를 정밀하게 교정. 또한 역전사효소의 아미노산 서열의 변형(D200N/L603W/T330P/T306K/ W313F)을 통하여 교정 효율을 높임(PE2)

3) RNA 엔지니어링 기술 - 교정하고자 하는 염기서열을 포함하면서 역전사효소의 주형으로 사용되는 RT(RTtemplate) 서열과 표적 유전자 염기서열에 결합하는 PBS(Prime-binding site)서열을 가이드RNA의 3'말단에 삽입한 pegRNA(Prime editing gRNA) 개발이 핵심요소 기술 - PBS 및 RT 서열의 길이 조합에 따라 교정 효율의 변화가 발생하며 RT서열의 구성을 통해 특정부위의 염기서열 치환, 또는 특정부위의 특정 염기서열 삽입 및 제거 가능

유전자 치료제로의 접근 시 교정 가능한 범위의 확대, 교정 효율 및 안정성 확보, 효과적인 전달 시스템의 확립 등 복합적인 측면의 고도화

미국 하버드대 데이비드 리우 교수 연구팀이 해당 기술(프라임 에디팅) 기술을 개발하여 기존의 사용되던 유전자 교정 기술과 비교하여 상회하는 효율과 자유로운 유전자 치환 가능성을 보여줌(Anzalone et al., Nature, 21 Oct 2019) - Cas9 nickase에 의한 DNA 단일가닥 절단과 역전사효소에 의한 DNA 염기서열 합성을 통해 교정하는 방법으로 기존에 사용되던 이중가닥 절단-복구기작으로 발생 할 수 있는 의도치 않은 염기서열의 제거 또는 삽입을 줄일 수 있음 - 기존의 유전자이중절단-상동재조합수리의 원리를 이용한 유전자 기술 및 베이스에디팅으로는 시도할 수 없던 교정범위의 확대  동 연구팀은 이전에 크리스퍼 기반의 유전자 타게팅 기술에 시티딘 탈아미노효소 및 아데노신 탈아미노효소를 결합하여 DNA 이중가닥 절단 없이 염기서열 교정이 가능한 염기교정유전자가위(Base editor) 개발 - 키스 정(J. Keith Joung) 연구팀이 탈아미노효소에 의한 DNA 염기서열 교정 시 비특이적 RNA 염기서열 교정을 확인하였으며 이후 탈아미노효소의 개량을 통해 RNA 비특이정 교정 최소화

Base editing 고도화 기술 개발 - Cytosine base editing 시스템 및 Adenine base editing 기술 고도화 - Di-genome seq 기술을 활용한 오프타겟 측정 기술 유전자가위 기술을 활용한 치료제 및 동식물 개발을 위한 스타트업 기업 창업 - (툴젠) CRISPR 국내 원천기술 기반으로 CAR-T 항암면역치료제 개발 및 종자개발 - (지플러스) 식물을 생산시스템으로 하는 항체신약생산 시스템 개발 - (진코어) 고효율 CRISPR-Cpf1 기술 및 UGET 기술을 활용한 희귀성 유전자치료제 개발 현재 프라임 에디팅 관련 개발 실적은 없으나 향후 다양한 연구그룹에서 관련 기술의 연구결과를 발표할 것으로 예측

기존의 CRISPR 기술로 해결하려 하였으나 어렵거나 불가능하였던 유전적 교정이 요구되는 난치성 질병치료, 작물과 가축의 품종개량 등에 활용할 수 있는 기반 기술로 범용적 가치 보유유전자편집 전체 시장은 2018년 36.2억 달러에서 연평균 14.5% 성장으로 2023년 71.2억달러 규모로 확대될 전망 - CRISPR 기술을 활용한 글로벌 유전자편집 시장은 2023년까지 14.7%로 성장 및 38.7억 달러를 형성할 것으로 전망되며 전체 유전자편집 시장 중 54.2%로 높은 시장 점유율을 유지 할 것으로 예상

DNA 염기서열을 자유자재로 편집 가능하여 적용범위가 넓어 현존하는 7만 5000종에 달하는 유전질환 중 89%를 치료할 수 있는 기술로 암, 난치질환 등 글로벌 난제의 해결 기대

국내 경쟁력 확보 및 고도화 기술개발 필요 국제특허 출원 등 국제경쟁력의 확보를 위해 신속한 대응 필요 해당 기술의 in vivo 치료 적용 시 크기에서 오는 체내 전달의 어려움을 극복 가능한 전달 시스템 개발 필요 다른 유전자편집 기술과 동일하게 다양한 안전성 이슈에 관한 연구 및 사회적 인식, 제도적 문제해결 필요

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