Genome-wide structural variant landscape following HDR-enhanced CRISPR editing in human hematopoietic stem and progenitor cells
이 연구는 DNA-PK 억제제가 편집된 인간 조혈모세포 및 전구세포에서 유전체 전체의 구조적 변이를 실질적으로 증가시키지는 않으면서도 표적 내 대규모 결실을 중간 정도로 증가시킨다는 점을 밝히고 있으며, 편집으로 유발되는 구조적 변이의 내재적 위험은 특히 다중 동시 편집이 포함된 모든 치료 프로토콜에 대해 세심한 안전성 평가를 필요로 한다는 것을 보여준다.
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의사들이 한때 불치병이라 여겨졌던 질병들을 치료하기 위해 환자 자신의 혈구 세포 내 유전 코드를 다시 쓸 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 게놈 편집 기술이 약속하는 미래입니다. 이 기술은 분자 가위처럼 작동하여, 결함이 있는 명령어를 제거하거나 새로운 명령어를 삽입하기 위해 정밀한 위치에서 DNA를 절단합니다. 이 도구의 가장 대중적인 버전인 CRISPR-Cas9은 DNA 가닥에 깨끗한 절단을 만드는 방식으로 작동합니다. 그러면 세포는 이 절단 부위를 복구하려고 시도하며, 과학자들은 이러한 복구 과정을 유도하여 특정한 변화를 일으키는 방법을 터득했습니다. 하지만 세포는 완벽한 편집자가 아닙니다. 절단된 부분을 고칠 때, 세포는 때때로 실수를 하여 커다란 DNA 조각을 삭제하거나 서로 다른 염색체 사이의 조각을 실수로 맞바꾸기도 합니다. '구조적 변이'라고 불리는 이러한 오류는 위험할 수 있으며, 건강한 세포를 암세포로 변형시킬 잠재적 위험이 있습니다. 편집을 더 정밀하게 만들기 위해, 연구자들은 화학적 억제제를 사용하여 세포의 기본적이고 오류가 잦은 복구 경로를 차단하고, 세포가 더 정확한 방법을 사용하도록 강제하기 시작했습니다. 그러나 중요한 질문이 남아 있습니다. 이 화학적 촉진제가 새로운 숨겨진 위험을 만들어내지는 않을까요?
연구팀은 이 질문에 답하기 위해 우리 몸의 전체 혈액 공급을 보충하는 마스터 세포인 인간 혈액 줄기세포를 연구하며 연구를 시작했습니다. 그들은 편집의 정밀도를 높이기 위해 설계된 특정 화학적 억제제를 사용하는 것이 의도치 않게 게놈에 대규모 손상을 입히는지 확인하고자 했습니다. 이를 위해 그들은 세포의 DNA를 관찰하는 두 가지 강력한 방법을 사용했습니다. 첫째, DNA 가닥 전체를 한 번에 읽을 수 있는 롱 리드(long-read) 시퀀싱 기술을 사용하여 편집이 일어난 바로 그 지점에서 커다란 조각이 누락되었는지 확인했습니다. 둘째, DNA 가닥의 방향을 추적하여 염색체가 부품을 맞바꾸거나 안팎이 뒤집히는 것과 같은 복잡한 재배열을 전체 게놈에 걸쳐 탐지하는 정교한 단일 세포 이미징 기법인 스트랜드-랩(Strand-seq)을 사용했습니다. 이 조합을 통해 그들은 즉각적인 국소적 손상뿐만 아니라 표준 검사로는 놓칠 수 있는 더 넓고 숨겨진 구조적 변화까지 모두 볼 수 있었습니다.
연구진은 두 가지 서로 다른 게놈 위치에서 세포를 편집하며, 화학적 억제제를 사용한 조건과 사용하지 않은 조건을 테스트했습니다. 그들은 DNA를 절단하는 편집 도구 자체의 행위가 커다란 결실(deletions)의 주요 원인이라는 것을 발견했습니다. 화학적 촉진제가 없더라도 세포는 절단 부위 주변에서 상당한 양의 DNA 조각을 빈번하게 소실했습니다. 편집 효율을 높이기 위해 화학적 억제제를 추가했을 때, 이러한 커다란 결실의 빈도는 약간만 증가했습니다. 가장 중요한 발견은, 특정 복구 경로를 차단하는 두 번째 화학 물질을 추가함으로써 이러한 커다란 결실을 거의 완전히 막을 수 있었다는 점입니다. 이는 커다란 결실이 편집 도구의 피할 수 없는 부작용이 아니라, 세포가 구멍을 메우려는 방식의 결과이며, 이 과정이 통제 가능하다는 것을 시사합니다.
과학자들이 염색체가 조각을 맞바꾸거나 뒤집히는 것과 같은 다른 유형의 손상을 찾기 위해 전체 게놈을 조사했을 때, 이러한 사건들은 드물지만 발생한다는 것을 발견했습니다. 이러한 대규모 오류의 빈도는 주로 DNA에서 발생하는 절단의 횟수에 의해 결정되었습니다. 두 곳의 위치를 동시에 편집했을 때 이러한 오류의 수가 증가했지만, 이는 두 개별 절단의 합과 일치하는 방식으로 증가했습니다. 놀랍게도, 화학적 억제제는 이러한 게놈 전반의 오류를 악화시키지 않았습니다. 사실, 데이터에 따르면 억제제가 세포의 복구 행동을 변화시켜, 염색체가 조각을 맞바꿀 가능성은 줄이는 대신 국소적인 결실 가능성을 약간 높이는 쪽으로 작용할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 화학 물질이 혼란스러운 손상 환경을 조성하는 것이 아니라, 특정한 유형의 복구 방식을 변화시킨다는 것을 나타냅니다.
또한 이 연구는 이러한 오류가 무작위로 발생하는 것이 아님을 밝혀냈습니다. 오류는 DNA가 빽빽하게 뭉쳐 있는 숨겨진 영역보다는, DNA가 느슨하게 풀려 있고 접근 가능한 개방된 부분에서 발생하는 경향이 있었습니다. 나아가 연구진은 편집 과정을 견뎌내고 성장할 수 있었던 세포들은 가장 치명적인 오류로부터 대체로 자유롭다는 것을 발견했습니다. 이는 향후 치료법에 있어 매우 중요한 세부 사항인데, 가장 위험한 세포들은 자연적으로 생존하지 못할 수도 있으며, 결과적으로 더 안전한 세포 집단이 남게 된다는 것을 시사하기 때문입니다. 연구진은 편집 과정 자체가 커다란 결실의 위험을 수반하지만, 이 위험은 관리 가능하며 적절한 도구 조합을 통해 크게 줄일 수 있다고 결론지었습니다. 게놈 불안정성을 유발한다고 흔히 비난받던 화학적 억제제는 예상보다 훨씬 완만한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 진짜 과제는 세포가 절단 후에 사용하는 구체적인 복구 경로를 이해하는 데 있으며, 본 연구는 잘못된 복구 메커니즘을 억제함으로써 과학자들이 이 생명을 구하는 치료법을 더 안전하고 정밀하게 만들 수 있다는 명확한 길을 제시하고 있습니다.
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