세계 최초 MPZL2 유전자 변이 인간화 마우스에서 청력 회복 확인
자체 개발 염기교정 유전자가위 1회 주사로 조직 회복, 안전성 확보
국내 연구진이 유전성 난청을 유발하는 MPZL2 유전자의 대표적 돌연변이(c.220C>T)를 정확히 교정하는 유전자 치료법을 개발해, 단 한 번의 주사로 청력 회복 효과를 입증하는 데 성공했다.
이번 연구는 동아시아 인구에서 높은 빈도로 나타나는 유전성 난청 돌연변이에 아데닌 염기교정 유전자가위(Adenine Base Editor, ABE)를 정밀 적용해 전임상 수준에서 치료 가능성을 입증한 세계 최초 사례로, ‘원샷(one-and-done)’ 유전자 치료의 가능성을 보여준 의미 있는 성과다.
▲ 연구 개요: MPZL2 돌연변이 인간화 마우스에 자체 개발 유전자가위를 1회 주사해 청력 개선 확인
서울대병원 소아이비인후과 이상연 교수와 서울의대 생화학교실 배상수 교수팀(정소향 뇌과학 협동과정, 구한솔 종양생물학 협동과정)으로 구성된 공동 연구팀은 유전성 난청의 원인이 되는 MPZL2 유전자의 돌연변이를 보유한 인간화 마우스 모델을 개발하고, 자체 제작한 유전자가위를 적용해 청력 회복 효과와 청각세포 회복을 확인했다고 25일 밝혔다.
▲ [사진 왼쪽부터] 서울대병원 소아이비인후과 이상연 교수, 서울의대 생화학교실 배상수 교수·정소향 뇌과학 협동과정 학생·구한솔 종양생물학 협동과정 학생
MPZL2 유전자의 c.220C>T 변이는 DFNB111형 감각신경성 유전성 난청의 주요 원인 중 하나로, 특히 동아시아 인구에서 높은 빈도로 발생하며 전체 유전성 난청 환자의 약 10%에서 관찰된다.
이 변이는 글루타민을 암호화하는 CAG 코돈이 종결 신호인 TAG로 바뀌는 넌센스(nonsense) 변이로, MPZL2 단백질 생성이 중단되면서 청소년기 이후 급격한 청력 저하를 유발해 점차 고도난청으로 진행된다. 그러나 현재까지 이를 근본적으로 치료할 수 있는 방법은 없었다.
연구팀은 국내외 1,437가계로 구성된 유전성 난청 코호트를 분석해 c.220C>T 변이가 주요 원인임을 확인하고, 이를 모사한 인간화 마우스 모델을 제작했다. 이어 교정 효율과 정확도를 높인 최신형 아데닌 염기교정 유전자가위(ABE8eWQ‑SpRY)를 자체 개발해, 돌연변이 염기를 정상 염기서열로 정밀하게 교정하는 전략을 수립했다. 이 유전자가위는 DNA 이중가닥을 자르지 않고 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 변환하는 방식으로 작동해, 세포 손상이 적고 표적 정확도가 높은 차세대 유전자 편집 기술이다.
연구팀은 이 유전자가위를 아데노-연관 바이러스(AAV)의 변형형 벡터인 AAV-ie에 탑재해, 마우스의 달팽이관 정원창(round window)을 통해 귀 안으로 단 1회 주사하는 방식으로 전달했다. AAV-ie는 청각세포에 대한 전달 효율이 높고 안정적으로 작동하며, 유전자가위는 가이드 RNA(sgRNA)의 안내를 받아 돌연변이 부위에 정확히 도달해 병을 유발하는 아데닌 염기를 정상 구아닌으로 교정했다.
▲ 유전자 교정 치료 후 청각세포 및 지지세포 회복 효과: (왼쪽) 정상군 대비 유전자 치료군에서 외유모세포(OHC) 보존이 뚜렷하게 확인됨 (가운데) 지지세포(DC)의 조직 구조도 치료군에서 회복 양상 나타남 (오른쪽) 치료군은 미치료군보다 OHC·DC 생존율이 유의미하게 높아, 조직 수준의 회복 효과를 입증함
치료 효과는 청성뇌간유발반응(ABR) 및 이음향방사(DPOAE) 검사를 통해 객관적으로 측정됐다. 그 결과, 치료군에서는 전 주파수 대역에서 20~30dB 수준의 청력 향상이 확인됐고, 이 효과는 20주차 이상 지속됐다. 이는 내이 유전자 교정 기술의 생체 내 적용 가능성과 치료 효율성을 뒷받침하는 중요한 결과로 평가된다.
조직 분석에서도 청각세포인 외유모세포(OHC)와 이를 지지하는 지지세포(DC)의 생존률이 유의미하게 증가했고, 달팽이관의 조직 구조도 뚜렷하게 회복돼 유전자 교정이 청각세포의 기능뿐 아니라 조직학적 복원에도 실질적으로 기여함을 시사한다.
연구팀은 치료의 정확성과 안전성을 평가하기 위해 DNA 수준에서 Cas-OFFinder 프로그램을 활용해 비표적(오프타깃) 교정 가능성을 예측하고, GUIDE-seq 분석을 통해 오프타깃이 없음을 검증했다.
실제 달팽이관 조직 시퀀싱 분석으로 표적 이외 부위에서의 교정 발생 여부를 분석한 결과, 표적 이탈 효과와 오프타깃이 없음을 확인했다. RNA 수준에서도 RNA-seq 분석을 시행해 비표적 RNA 편집이 발생하지 않았음을 확인함으로써, 이번에 사용된 유전자가위가 높은 표적 정확도와 생체 내 안전성을 동시에 갖추었음을 입증했다.
서울의대 배상수 교수(생화학교실)는 “이번 연구는 동아시아 인구에서 빈도가 높은 유전성 난청 돌연변이를 정확히 겨냥해 자체 개발한 유전자가위로 교정함으로써, 정밀 유전자 치료의 가능성을 실질적으로 입증했다는 데 의의가 있다”라고 전했다.
서울대병원 이상연 교수(소아이비인후과)는 “기존에는 난청 치료는 보청기나 인공와우에 국한되어 있었지만, 앞으로는 유전적 원인이 명확한 난청 환자에게 맞춤형 유전자 치료를 적용할 수 있는 새로운 길이 열릴 것으로 기대한다”며 “추가 전임상 및 임상 연구를 통해 실제 환자 치료로 이어질 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.
이번 연구는 서울의대 의사과학자 과제, 이건희 소아암·희귀질환 연구사업, 한국연구재단 우수신진연구, 서울형 바이오 과제의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 최우수 국제학술지 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 15.7)’ 최신호에 게재됐다.
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