서울대학교 국제농업기술대학원 디자인동물자원연구실 개요 

유전자는 사람의 질병과 높은 연관성을 가지는 것으로 알려져 있으며 이러한 유전자의 기능을 밝혀내고 궁극적으로 사람의 질병치료법을 연구하기 위하여 human genome project가 완성되었다. 현재는 모델동물을 활용한 후속연구가 활발히 진행되고 있다. 

마우스 유전체는 사람과 99%이상 동일하여 유전자변형으로 나타나는 증상이 사람의 질환과 유사하여 질환관련 마우스모델은 인간질환 극복을 위한 치료 및 신약개발에 있어서 인간을 대신할 수 있는 이점이 있다. 그린바이오과학기술연구원 디자인동물이식연구소의 디자인동물자원연구실 염수청 교수는 사람의 유전자기반 질환 동물모델을 제작하고, 이를 평가함으로써 궁극적으로 임상적용이 가능한 target을 발굴하고, 치료법을 개발하는데 중점을 두고 연구를 진행하고 있다. 

질환모델동물의 활용

CRISPR/Cas9 기반 유전자변형 기술을 활용한 형질전환 동물제작  

최근 신약개발 동향은 개발초기 단계에서부터 RNAi knockdown, constitutive/conditional KO, conditional KI, humanized 모델 동물을 활용하고 있으며 신규 치료기법 개발에서의 질환모델 이용의 활용은 drug validation 및 target gene의 drug modeling을 통한 약효예측 등에서 가치를 인정받고 있다. 질환모델마우스의 가격은 마리당 100~2000 달러 수준으로 질환모델 마우스의 산업적 활용도와 함께 경제적 가치 또한 높다. (1994년 OB 유전자 제거를 통하여 제작된 비만마우스는 Amgen사에 2000만 달러에 판매)

최근 유전자가위(CRISPR/Cas9) 기술이 발전하면서, 신약개발, 유전자치료, 에너지생산, 품종개량, 유전자 기능 분석 및 유전자변형 동물 생산 등의 다분야로 활용되고 있으며, 유전자가위는 특정 DNA 염기서열을 인식하여 해당부위를 절단(strand breakage)을 유도하는 기술로서, 특정유전자의 기능을 제거한 넉아웃(knock out; KO), 특정유전자를 특정위치에 새로이 도입하는 넉인(knock in; KI) 등의 구현에 활용되고 있다. 일반적으로 KO 형질전환은 용이하지만 신규 유전자도입을 통한 KI(single strand DNA; ssDNA 및 double strand DNA; dsDNA)는 효율이 매우 낮아서 이를 향상시키기 위한 연구가 전 세계적으로 수행되고 있는 추세다.

본 연구팀은 2014년 이후, 22종의 KO mouse 3종의 TG mouse, 6종의 KI mouse 및 1종의 structure variant mouse를 제작하여 유전자기능 분석 및 질환의 치료와 관련된 공동연구를 수행 중에 있다.

유전자변형을 활용한 동물모델 및 배아줄기세포의 제작 및 효율향상 연구의 예

유전자 돌연변이 기반 질환모델 개발  

사람의 유전체에 대한 정보를 기반으로 진행된, 사람의 질병과 유전자의 돌연변이에 대한 연구결과, 50% 이상의 경우에서 single nucleotide polymorphism (SNP)에 의하여 발생하는 것으로 관찰되고 있다.(Nature Biotechnology, 2017) 이러한 배경으로 최근 발표된 미국 NIH의 somatic cell genome editing program 관련하여, 여러 가지 필수 인프라(기술)에 대한 논의가 진행되고 있으며, 사람 유전자 돌연변이/교정 관련된 동물모델의 필수적 개발이 제시되고 있다.(NIH somatic cell genome editing program: http://commonfund.nih.gov/editing) 즉, 사람의 유전질환과 동일한 형태의 유전자변이를 통한 질환의 검증, 안전성 검증 및 이를 활용한 메커니즘 연구는 사람 유전자 교정/치료법 개발의 필수적인 과정이다.

유전자와 질환의 연관성 분석 및 유전자교정 효율향상 연구

디자인동물자원연구실 염수청 교수 연구팀에서는 사람에서 발견된 질환유발 가능 유전자 돌연변이를 가지는 동물모델을 제작하여, 실제 사람과 동일한 형태의 질환이 유발되는지 확인하고, 이를 활용하여 추가적인 메커니즘 분석, 유전자교정 연구 및 치료제의 안전성/유효성 분석 등을 수행중이다. 하지만, 전세계적으로 CRISPR/Cas9 기반의 KO은 높은 효율이 보고되고 있으나, KI 기반 유전자돌연변이 유발과 관련된 기술은 아직 최적화에 이르지 못한 상태이며, 이에 본 실험실에서는 특정유전자위의 돌연변이 유발 효율향상을 위한 기초연구를 통하여 CRISPR의 target sequence을 인식하는 sgRNA의 디자인형태를 조정함으로써 10배 이상의 KI 효율개선을 확인하고 보고하였다. 또한, 환자에서 발견된 특정 돌연변이 형태와 실제 질환발현 연관성을 확인하기 위한 동물모델을 제작하여 기초-임상의 공동연구를 수행 중에 있다.

사람 유전자 돌연변이 (SNP) 기반 질환모델동물의 제작의 예, a) 사람의 유전질병, b) target 돌연변이 분석, c) SNP 유도 동물모델의 개발

유전자기반 교정 및 치료를 위한 플랫폼 구축연구 

다양한 형태의 동물모델은 궁극적으로 사람에서의 유전자기반 질환에 대한 치료법 발굴을 포함하여, 사람의 유전자를 직접 치료하기 위한 유전자교정의 유효성/안정성 연구 분야에 활용이 가능하여 사람의 유전질환 및 돌연변이에 대한 유전자 교정에 관련된 다수의 연구가 수행되고 있으나, 사람과 동물의 유전자 DNA의 염기서열(sequence)이 상이하여 사람을 대상으로 하는 유전자치료제의 평가를 위해서는 DNA sequence humanized 동물모델이 필요하다.

이에 본 연구팀에서는 유전자변형 기법을 통하여 사람과 가장 유사한 형태의 질환모델 동물을 제작하며, 특히 사람의 유전자치료에서 최종 target으로 활용가능한 사람의 염기서열(nucleotide sequence)을 포함시켜, 사람 유전자치료 평가 플랫폼을 개발하고 있다. 또한 CRISPR/cas9의 on-target gene targeting 효율 및 off-target effect에 대한 연구를 통하여 최적의 CRISPCR/cas9를 발굴 및 응용에 관련된 연구를 수행하고 있다. 

사람의 유전자치료제 개발 및 평가를 위한 동물모델 플랫폼 구축, a) strategy, b) animal model 구축, c) 유전차 교정 효과 분석

실험실 생활 

디자인동물자원연구실은 서울대학교 평창캠퍼스 103동 2층에 위치하고 있으며, 그린바이오과학기술연구원의 디자인동물센터를 활용하여, 형질전환동물의 제작 및 다양한 동물실험을 수행하고 있다.

Homepage: http://resource.simpleintra.net/labweb/