오태광의 바이오 산책 <71> 유전자가위 치료제 (CRISPH-Cas9 Theraphies) > News Insight

 인간 유전체는 부모로부터 물려받아서 절대로 고칠 수 없다는 생각에 극단적 경우는 우생학이라는 편견을 가질 수도 있었고, 그냥 우등하지 않다고 생각하는 사람들은 주어진 조건에서 열심히 살아가자는 수동적인 자세를 가질 수도 있었다. 우등, 열등이 아니라 태어나면서 결함이 있는 유전자를 가지고 태어나서 한평생 고통 속에 살아가는 유전병 환자를 치료하는 의료기술로 유전자가위 치료제가 가시화되고 있다. 낡았거나 제조 시 약간 결함이 있는 기계는 새 부속품을 갈아 넣어서 성능을 향상하거나, 정상적 기능으로 복원할 수 있다. 아울러, 컴퓨터의 기억저장 능력도 간단하게 고성능 메모리칩만 바꾸면 얼마든지 획기적으로 저장능력을 높일 수도 있다. 

사람도 자신의 취약한 부분을 마치, 부속이나 칩을 바꾸는 기계나 컴퓨터의 능력을 정상화하거나 향상하듯이 불필요한 취약점을 제거 또는, 미약한 부분은 고성능으로 교환하는 기술이 개발되었다. 이런, 놀라운 바이오 기술을 유전자가위 기술(유전자 편집, Gene Editing)이라고 명명하고, 인간을 포함한 생물의 유전 정보를 원하는 데로 바꿀 수 있게 되었다. 유전자가위 기술은 제1세대부터 현재 제4세대까지 개발되어서 잘라주는 DNA 위치를 정밀하게 지정하는 가이드(Guide) 기술과 잘라주는 가위인 뉴클리이즈(Nuclease)라는 제한효소가 점점 정교하게 진화되어서 실제 사용 시 오류발생을 획기적으로 줄일 수 있었다. 

유전자가위 기술은 2014년 세계 10대 혁신 기술로 등장하여 아주 짧은 기간에 놀라운 속도로 발전을 하였고 심지어 우리가 먹는 식품 분야에도 유전자가위 기술로 만든 식품이 속속 개발되면서 2016년 세계 10대 혁신 기술로는 유전자 편집 식품이 채택되었고, 최근에는 유전자 편집 치료제가 등장하여 약으로는 치료할 수 없는 유전적인 질병을 치료할 수 있는 길을 열었다. 유전자 편집기술 중 제3세대 유전자 위인 크리스퍼 유전자 가위(CRISPR-Cas9)를 발견한 프랑스 에마뉘엘 샤르팡티에(Emmanuelle Charpentier)과 미국 제니퍼 다우드나(Jennifer A. Doudna)가 2020년 노벨 화학상의 공동 수상자가 선정되어 기술의 중요성과 파급효과를 알게 하였다. 

최근에 제3세대 유전자가위 기술인 CRISPR-Cas9의 CRISPR 1.0의 문제점을 해결한 CRISPR 2.0인 제4세대 유전자가위 기술인 프라임 편집(Prime edition) 기술이 개발(Nature News, CRISPR 2.0(2023.12))되어서 이제, 효율적으로 인간의 유전병을 치료할 수 있게 되었고, 제4 세대 유전자가위 기술이라고 명명하였다. 하지만, 최근에 개발되고 있는 첨단 바이오 기술이 그렇듯이 유전자가위 기술도 윤리적인 문제를 해결해야 하는 큰 장애물이 있다. 평생을 고통으로 살아가는 유전병 환자에게는 희망의 등불이 될 수 있겠지만, 유전자 편집으로 인간의 능력을 향상하는 분야는 공적인 인정을 받기 어렵다. 윤리 문제를 비롯한 일반인이 받아들이기 위한 공적 승인(Public acceptance)을 얻기 위해서는 유전자가위 기술도 더 많은 연구 노력은 물론, 공적 인정될 수 있는 범위와 정도가 사회적, 법적, 윤리적 검토가 필요하다. 

<유전자가위 치료제의 시작>

 유전자가위를 인체 치료제로 활용하기 위한 연구는 동물 장기를 잘못된 인체 장기로 대체하는 이종장기이식(異種臟器移植)에 이용되었다. 인체 기관과 유사한 돼지 장기를 이식에 사용하는데, 가장 큰 문제점은 면역거부반응과 돼지의 질병 감염성이다. 이런 문제를 해결하기 위해서 면역거부반응을 일으키는 효소인 GGTA1(3-galactosyl transferase)나 CMAH(Cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid hydroxylase) 유전자를 제1세대 유전자가위인 징거핑거(Zinc Finger Nuclease)로 제거한 돼지가 생산한 장기를 생산하여 세포 단계에서 실험하여 면역거부를 해결하였다. 아울러 하버드 의과대학 조지 처치(George Church) 교수가 2017년에 이종 장기 이식할 때 사람에게 전염될 수 있다고 알려진 돼지 내인성 레트로바이러스(Porcine endogenous retroviruses, PERV)를 세포 단계에서 제3세대 유전자가위인 CRISPR-Cas9으로 모두 불활성화시킨 PERV 불활성 돼지를 생산하였다. 유전자가위로 이종 장기 이식할 때 발생할 수 있는 면역거부 반응과 동물유래 질병 감염 가능성을 높여서 사람의 장기이식 시술을 할 수 있는 길을 열었다.

 인간에게 유전자가위를 치료로 사용한 예는 부모가 모두 에이즈(AIDS) 환자가 자식을 출산하면 자식이 모두 에이즈 병 전염을 걱정하여 유전자가위를 사용하여 건강한 아이를 출산하는 데 성공하여서 “인간 유전체 편집 국제학회”(2018)에서 발표하여 전 세계적으로 생명윤리 문제로 큰 비난을 받았고, 주도한 중국의 허젠쿠이 교수는 최종 3년 형을 선고받았다. 문제는 2015년 전 세계 과학계는 유전자 편집한 인가 배아 착상하는 것은 비윤리적인 행위라는 선언에 정면으로 대치하는 위반하는 것은 큰 문제이지만, 에이즈라는 무서운 질병을 자식에게 대물림하지 않게 에이즈에 내성이 있는 쌍둥이 여자아기 출산을 한 사건이다. 에이즈(AIDS)를 발병하는 HIV 바이러스는 인간의 CCR5라는 단백질에 붙어서 면역세포에 감염하여 결국 면역결핍을 발생시켜 발병하는데 CCR5 단백질을 변형시키면 HIV바이러스가 인체와 접촉할 수 없어서 에이즈가 걸리지 않게 된다. 결국, 에이즈 환자 부부의 수정란에 CCR5 유전자를 유전자가위로 편집하여 성공하였다. 생명윤리 문제에는 큰 문제점을 남기고 무서운 처벌은 받았지만, 에이즈에 내성이 있어서 평생 에이즈가 걸리지 않은 건강한 아기를 출산하였다. 초기의 유전자 치료는 인간의 질병을 직접 치료하는 것은 아니고 유전자가위로 인간에 해가 되는 병원성 유전자를 제거하거나 유전자 변이를 일으켜서 병원성 바이러스와 같은 병원균의 침입 경로를 차단하는 방법을 사용하였다. 하지만, 수정란을 사용한 유전자 변형은 생명윤리에 위배 되어서 많은 비난을 받았다. 

<유전자가위 기술을 이용한 질병의 근원 제거>

인간을 가장 많이 죽게 한 생물은 주로 전염병을 퍼뜨리는 동물, 곤충이 있는데, 그중, 가장 우리를 성가시게 하는 것은 앵앵거리면서 곤한 여름잠을 설치게 하고, 등산이나 해수욕장에서 따끔하게 피를 빼앗기고 피부가 붓게 하는 모기일 것이다. 사실은 모기는 말라리아, 뎅기열, 일본 뇌염, 황열 등 20여 종의 치명적인 질병을 인간에게 전염시켜서 놀랍게도 세상에 가장 치명적인 동물(World’s Deadiest Animal)의 1위로 보고되고 있다. 인간의 목숨을 앗아가는 치명적인 동물은 사나운 맹수가 아닌 모기가 1위이고 참고로 2위는 사람, 3위는 뱀으로 나타나고 있다. 모기는 암컷이 산란기에 동물단백질이 필요하여 사람의 피를 빨게 되고 수컷 모기는 사람의 피를 빨지 않기 때문에 사람에게 해가 되지 않게 된다는 것을 알게 되었다. 

과학자들은 모기와의 전쟁을 끝내기 위한 여러 가지 연구를 해왔다는데, 수컷은 해롭지 않고 암컷이 질병의 원인이기 때문에 암컷이 생기지 않게 하는 성비 조절(Biasing the sex ratio)과 암컷의 생식과 관련된 핵심 유전자를 녹아웃(KNOC out) 시키는 암컷 생식능력 조절(Control of mosquito female fertility)방법을 사용하고 있다. 이중 효율적인 성비 조절 방법을 설명하면 <그림 1>과 같이 수컷 X염색체를 유전자가위로 파괴하면 수컷은 Y염색체만 암컷의 X염색체와 결합하기 때문에 XX 염색체인 암컷 모기는 전혀 만들어지지 않고, 수컷 모기가 만들어지기 때문에 암컷 모기가 암컷 새끼를 생산하지 못하게 된다. 이렇게 되면, 자연계에는 수컷 모기만 남기 때문에 번식을 하지 못하여 근원적으로 모기의 종을 박멸하는 이론이다. 

 
 하지만, 이런 유전자가위로 수컷의 X염색체 파괴하여 최종 수컷만 남아서 더, 이상 번식을 중단하여 박멸 된다면 무서운 자연 생태계 교란이 일어날 수 있다. 생태계에 모기가 완전히 사라지면 모기를 먹이로 하는 수많은 생물의 먹이사슬이 깨어져서 엄청난 생태교란이 일어나 어떤 일이 발생할지 가늠하기 어려워서 이런 모기 살충 방법은 실제로는 사용할 수 없다. 모기는 전 세계에 3,500종 살아가고 있고 1억 7천 만 년 전 중생대 쥐라기에 등장하여 지금까지 끈질긴 적응력과 번식력으로 살아가기 때문에 지구생태계에 중요한 가족 구성원이다. 모기의 예에서 보듯이 유전자가위 치료제는 기존의 치료제와는 달리 근원적인 치료가 되기 때문에 정확한 위치를 제거하거나 편집하는 기술 개발이 매우 중요하여 1세대 유전자가위에서 현재는 4세대 유전자가위까지 혁신적 발전을 하여 이제 인체의 유전자 제거 및 교정에도 사용하여 2023년에는 최초의 유전자가위 치료제가 미국(FDA)과 영국(MHRA)에서 조건부로 승인되었다. 

<최근 의료용 유전자가위 치료제>

유전자가위는 지금까지 치료가 어렵거나 아예, 치료할 수 없었던 질병들을 근원적으로 발병하는 데 관여하는 유전자를 제거 또는 교정하여 완벽하게 정상적인 건강을 회복하게 하는 꿈의 치료제가 될 것으로 기대하고 있다. 인간은 약 30억 쌍이라는 엄청난 크기의 유전체 정보를 가지고 있고, 이 유전 정보로부터 약 2만~2만 5천여 개의 유전자를 가지고 있는데 유전적으로 잘못된 유전자를 물려받거나, 생활 습관으로 돌연변이로 유전자가 변형되면 유전질환에 걸리게 된다. 현재까지 알려진 유전질환은 75,000종에 이른다는 보고가 있다. 즉, 유전자에 생기는 돌연변이를 정상화하면 적어도 수만 가지 이상의 질병을 치료할 수 있을 것이라는 희망이 있다. 유전자가위 기술의 획기적인 발전은 잘못된 유전자를 오차 없이 정확하게 제거 또는 편집할 수 있어 이제 인간의 유전질환을 치료하는 유전자가위 치료제 개발이 가능하게 되었다. 현재까지 유전자가위를 이용해 혈우병, 신경 퇴행성 유전질환, 골수암, 선천적 망막 이상 등 다양한 유전적 이유로 발생하는 병을 치료하려는 연구 결과와 시도가 활발히 이루어지고 있다. 실제 B형 혈우병 환자에게 최초로 FDA 승인(2022.11)된 유전자 치료제인 “햄제닉스(Hemgenix)는 현재(2023.5) 가장 비싼 약값인 350만 US$(약 45억 원)으로 판매하고 있다. 

앞에서 설명한 중국의 허젠쿠이 교수의 경우도 에이즈(AIDS) 환자 부모에서 태어나는 에이즈 보균 아기를 미리 에이즈로부터 예방하기 위해 에이즈 바이러스인 HIV의 인간 침입 경로인 CCR5라는 단백질을 유전자가위로 수정란에서 변형한 것이다. 인간 수정란을 사용한 유전자 변형은 엄격한 생명윤리라는 법적 위반이기 때문에 비난을 받았다. 만약, 성체에서 유전자가위로 CCR5라는 단백질을 변형하여 에이즈를 예방했더라면, 유전자가위 치료가 아닌 유전자가위 예방의 좋은 예가 될 수도 있었을 것이다. 드디어, 2023년 11월에 인간이 수천 년 이어온 유전 질병과 끊임없는 투쟁을 종식할 수 있는 방향타가 될 수 있는 유전자가위 치료제가 신약 치료제로 판매 허가가 되었다.

유전자가위 기술을 이용한 세포 신약 치료제인 “카스게비(Casgevy)(영국 제품명, 미국 제품명 엑사셀(Exa-cel))”가 영국의 MHRA(medicine and Healthcare products Regulatory Agency)가 11월 16일(2023), 미국 FDA(Food and Drug Administration)는 12월 8일(2023)에 겸상 적혈구 빈혈증 시판을 조건부 승인하였고, 그 후 베타 지중해 빈혈이란 난치성 혈액 질환의 치료제로도 승인하였다. 카스게비(엑사셀)는 미국의 버텍스 파마슈티컬스(Vertex Pharmaceuticals Inc)과 스위스 크리스퍼 테라퓨틱스(CRISPR Therapeutics AG)는 겸상 적혈구 빈혈증(Sickle-cell anemia) 및 수혈 의존성 베타 지중해 빈혈(Beta Thalassemia) 치료제로 시판 조건부 승인을 받았다. 여기서는 겸상 적혈구 빈혈증을 소개하면 전 세계에 약 500만 명의 환자가 있는 대표적인 유전병으로 그림 2.과 같이 일반 적혈구는 타원형인 데 비해서, 낫 모양이고 6번째 위치의 아미노산인 글루탐산(Glutamic acid)이 발린(Valine)으로 변형되어서 적혈구 막이 점성이 있어 뭉치어 혈관을 막아서 폐쇄하거나 산소전달 능력이 저하되는 등 심각한 합병증을 동반하여 현재까지는 매달 수혈하거나 골수이식을 해야만 생존할 수 있지만, 혈액 기능자가 정기적으로 수혈하지 않으면 수명이 짧다.

겸상적혈구 빈혈증의 유전자 치료는 <그림 2>의 중간에 있는 헤모글로빈(Hemoglobin) 분자의 6번째 아미노산인 글루탐산 아미노산으로 바뀌어 된 겸상적혈구를 치료하기 위해서는 발린을 글루탐산으로 바꾸면 되는데, 그림 2의 오른쪽 유전자 염기에서는 아미노산인 글루탐산은 CTC이고 아미노산인 발린은 CAC이어서 겸상적혈구 발린의 중간 염기인 A를 T로 유전자가위 기술로 치환하면 발린이 글루탐산으로 바뀌어서 정상 적혈구가 된다. 대부분의 유전자 변형은 1개의 염기가 바뀌면 아미노산이 전혀 다른 아미노산으로 바뀌어서 유전적 결함이 생기고 질병이 생긴다. 치료용 유전자가위는 체내에 유전자가위를 투입하여 체내에서 유전자를 제거하거나 다른 유전자로 편집하는 체내 편집과 해당 세포를 체외로 뽑아내 낸 후 유전자가위로 편집한 후 체내로 주입하는 체외편집하는 2가지 방식을 사용한다. 겸상적혈구 빈혈증인 “카스케비”는 체외편집 방식을 사용하여 환자의 혈액 줄기세포를 채취하여 몸 밖에서 제3세대 유전자가위인 CRISPR-Cas9으로 헤모글로빈 생성을 막는 BCL11A (B-cell lymphoma/leukemia 11A) 유전자를 제거하여 적혈구에서 산소전달 능력이 큰 태아 형 헤모글로빈을 유도하여 망가진 헤모글로빈의 기능을 대체하여 태아 형 헤모글로빈을 발현시켜서 치료한다. 미국 FDA의 엑사셀(카스케비의 미국상표명) 임상시험 결과 겸상적혈구 빈혈증에는 17명의 환자 중 16명이 치료목표를 달성하였고, 단 한 명의 환자고 부작용이 없었다. 수혈 의존성 베타 지중해 빈혈도 역시 27명 중 24명이 치료목표를 달성하여 조건부 시판 허가를 받았다. 여기서 조건부는 12세 이상의 환자를 대상으로 하고 판매하고 판매 중 안정성 문제가 생기면 사용 중지한다는 조건이다.

이렇게 좋은 치료제이지만 문제는 약값(藥價)인데 미국의 의약품 감시기관인 임상 경제검토연구소(ICER, The Institute for Clinical and Economic Review)는 약의 개발비용과 효과성을 검토하여 최대 약값을 232만 US$(약 30억 원)로 전망했고, 최종 비용 대비 효과(Cost-effective)를 고려할 때 193만 US$(약 25억 원)책정할 수 있다고 밝힌다. 하지만, 개발사인 버텍스 파마슈티컬스은 400만에서 최대 600만 US$(52억~78억 원)까지 달할 수 있다고 전망하고 있다. 하지만, 제3세대 유전자가위 기술인 CRISPR-Cas9의 경우 건당 30US$(3만5000~4만 원)이면 가능한데 아주 큰 차이가 이유는 몸 밖에서 체외편집을 해서 골수에서 자신의 줄기세포를 뽑고, 줄기세포 중 문제성이 있는 유전자를 추출하여 유전자가위를 사용하여 편집하고, 다시 편집된 줄기세포를 몸 안으로 다시 주입하는 방법을 사용한다. 비싼 치료비는 고액의 약값도 있지만, 처리 후 화학치료와 같은 병원 치료뿐만 아니라 치료 진행 중 부작용, 치료 중간효과 검정 등 수많은 분석이 진행되어서 마치 개인 맞춤형으로 실험과 분석을 하는 개인을 위한 대형 연구과제와 같은 성격이어서 굉장한 치료비용도 필요한 것으로 추정한다. 차후, 유전자가위 기술이 혁신적으로 발전하면 약값은 낮아질 것이고 특히, 체내 유전자 편집이 가능해지고 보험적용이 되면 합리적 가격이 될 것으로 기대한다. 하지만 유전자 치료의 가장 큰 장점은 원샷(One shot) 치료제로 한번 치료로 완치된다는 사실이다. 특히, 유전자 결함이 있는 환자는 지금까지는 근원적인 치료가 되지 않고 평생 건강한 사람에게서 수혈을 받고 평생 면역을 관리하는 약을 먹어야 하는데 원샷으로 유전자 치료를 받으면 추가로 다른 약물 치료가 필요 없는 큰 장점이 있지만, 지극히 높은 치료비용은 빠르게 진행되고 있는 획기적 유전자가위 기술의 혁신을 기대를 걸고 있다. 

<맺는말> 

 지금까지 행하고 있는 경험기반 의학의 문제점은 동일 의약품이 같은 질환이라도 반응하는 정도가 사람에 따라 달라서 질환에 따라 차이가 있지만, 평균 50% 의약품이 반응하는 정도가 달라서 정확한 치료 효과를 얻기 어려웠다. 하지만, 인간유전체가 완전히 해독되고 아주 저렴한 비용으로 개인 유전체 정보를 알 수 있게 됨에 따라서 개인이 병에 걸리는 근본적 원인이 규명되어서 치료 약 선택이 경험에 의한 산탄식(散彈式) 의학 (Shot gun medicine)에서 정확한 병인을 공격하는 정밀의학(Precision medicine)으로 패러다임이 바뀌었다.

유전질환이 인간 유전체 30억 염기쌍 중 단 한 개의 염기만 바뀌어도 일어날 수 있어서 부모로부터 유전도 되기도 하지만, 실제로 돌연변이가 일어나 후손까지 대물림을 할 수 있다는데 두려움을 느낀다. 이런 잘못된 유전자의 교정은 지금까지는 정확한 치료 방법이 없어서 수혈, 골수이식 등의 방법을 사용하여 치료했지만 불편하고 비용이 많이 들 뿐만 아니라, 평생 면역조절 약품을 먹어야 하고, 수혈의 경우도 자신에 적합한 기증자가 반듯이 있어야 하고 정기적으로 수혈이 필요하다. 이런 어려움을 해결한 방법이 유전자 치료인데, 잘못된 유전자를 교정하여 근원적으로 치료하는 방법이지만 개인 맞춤형이기 때문에 자신 세포 유래의 줄기세포 등으로 만드는 개인전용 의약품이기 때문에 엄청난 치료비용이 드는 어려운 점이 있다. 유전자가위 기술이 제3세대인 CRISPR-Cas9이 개발되어서 정확하고 빠를 뿐만 아니라, 비교적 저렴한 가격으로 만들 수는 있지만, 현재 기술로는 체외에서 유전자가위로 편집하는 과정으로 많은 단계의 의료적 처리가 필요하므로 비싼 치료비용이 필요하다. 

하지만, 기존의 방법도 평생 근원적 치료는 안 되면서도 계속 의학 서비스가 필요하여 만만한 비용은 아니다. 과학자들이 몸 체외가 아닌 체내에서 유전자가위가 작동하여 근원적인 유전자 편집을 가능하게 하는 방법이 개발된다면 유전자가위를 현재 약을 먹거나 주사를 맞듯이 할 수 있게 되면, 합리적 치료비용을 기대할 수 있을 것으로 생각한다. 불과 20년 전만 하더라도 90대 후반 100세의 어르신을 찾기 어려웠는데 이제 어렵지 않게 만날 수 있어서 인간 수명 120세 시대 나아가서는 150세 시대를 이야기하면서 평균 수명 100세 시대를 의미하는 “호모 헌드레드(Homo hundred)” 시대가 열린다고 한다. 더구나 구글 바이오 자회사인 칼리코(Calico)는 인간 수명 500세까지 연장하는 장수 프로젝트를 100만 명 유전자 데이터와 700만여 개의 가계도로 유전자 패턴을 분석하여 추진하고 있다고 한다. 혁신적인 유전자가위 기술은 인간 평균 수명 100세 시대를 여는데 핵심기술로 작용할 것으로 판단한다. 

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