한양대 황규호 교수, 대용량 유전자 삽입 기술 「Nature」 게재

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한양대학교 자연과학대학 화학과 황규호 교수가 공동 제1저자로 참여한 국제공동연구팀이 DNA 이중가닥을 절단하지 않고도 최대 1만 2,100 염기 길이의 대용량 DNA를 원하는 위치에 삽입할 수 있는 새로운 유전자 편집 기술 ‘프라임 어셈블리(prime assembly)’를 개발했다. 미국 하버드 의과대학 및 보스턴아동병원 다니엘 바우어(Daniel E. Bauer) 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구는 국제학술지 「Nature」에 지난 16일 온라인 게재됐다.

프라임 어셈블리는 기존 기술로는 어려웠던 대용량 유전자 삽입뿐 아니라 최대 100만 염기 규모의 유전체 재배열까지 구현할 수 있는 기술이다. 특히 세포 분열이 활발하지 않은 조건에서도 작동해, 향후 유전질환 치료제와 세포치료제 개발에 활용될 가능성을 넓혔다.

기존 크리스퍼(CRISPR) 유전자가위는 DNA 이중나선을 절단해 원하는 부위를 편집하는 방식이 주로 활용돼 왔다. 그러나 절단 과정에서 의도하지 않은 변이가 발생할 수 있고, 절단 부위에 새로운 유전자를 삽입하는 상동재조합 방식은 세포가 분열하는 시기에 주로 작동해 혈액줄기세포나 면역세포와 같은 치료용 세포에 적용하는 데 한계가 있었다.

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연구팀은 시험관에서 여러 DNA 조각을 이어 붙이는 분자생물학 기법인 ‘깁슨 어셈블리(Gibson assembly)’에 착안해, 이와 유사한 DNA 조립 과정을 살아 있는 세포 안에서 구현하는 전략을 고안했다. 표적 부위 양쪽의 DNA 한 가닥씩에만 흠집을 내 짧은 단일가닥 부위를 만들면, 이와 서로 맞물리도록 설계된 공여 DNA가 결합하고 세포가 원래 가지고 있는 복구 효소가 그 틈을 메우면서 DNA 조각들을 하나로 이어 붙이는 방식이다.

연구 결과, 최대 1만 2,100 염기 길이의 DNA를 원하는 유전체 위치에 삽입하는 데 성공했다. 삽입 부위를 분석한 결과 대부분 의도한 서열대로 DNA가 이어졌으며, 이중가닥 절단 방식에서 흔히 발생할 수 있는 접합부 변이도 적게 나타났다.

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프라임 어셈블리는 대용량 DNA 삽입뿐 아니라 유전체 구조를 크게 바꾸는 데에도 활용됐다. 연구팀은 최대 100만 염기 규모의 결손과 역위를 유도하는 데 성공했으며, 분열을 멈춘 세포와 휴지기 T세포에서도 유전자 편집이 이뤄지는 것을 확인했다. 세포 분열에 의존하는 기존 방식과 달리 다양한 상태의 세포에 적용할 수 있다는 점에서 치료 목적의 유전자 편집 기술로 활용 가능성을 제시했다.

한편 황 교수는 이러한 대규모 유전자 편집 결과를 정확하게 분석하는 프로그램 ‘크리스퍼룽고(CRISPRLungo)’도 제1저자로 개발해 지난 8월 20일 국제학술지 「Nature Biomedical Engineering」에 발표했다.

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대규모 DNA 결손이나 DNA 서열이 통째로 뒤집히는 역위와 같은 구조적 변화는 짧은 구간의 DNA를 읽는 기존 분석법으로는 정확하게 파악하기 어렵다. 크리스퍼룽고는 긴 DNA 서열을 한 번에 읽는 롱리드 시퀀싱(long-read sequencing) 데이터를 활용해 대규모 삽입·결손·역위 등 다양한 유전자 편집 결과를 유형별로 구분하고 정량할 수 있도록 개발됐다.

연구팀은 크리스퍼룽고를 기존에 발표된 겸상적혈구빈혈 치료 연구 데이터에 적용해 기존 분석에서 검출하지 못했던 역위 변이를 찾아냈다. 또한 별도의 프로그램 설치 없이 웹브라우저에서 바로 구동할 수 있어 전산 분야의 전문 지식이 없는 연구자도 활용할 수 있도록 접근성을 높였다.

황 교수는 “이중가닥 절단 없이 유전자 하나를 통째로 갈아 끼울 수 있게 된 만큼, 돌연변이가 제각각인 유전질환에도 하나의 전략으로 대응할 수 있는 길이 열렸다”며 “새로운 편집 기술은 그 결과를 정확히 읽어낼 수 있을 때 비로소 치료로 이어지는 만큼, 두 기술을 함께 발전시켜 나가겠다”고 말했다.

크리스퍼룽고 연구는 한국연구재단 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.

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■ 논문명(1): Targeted genomic integration and rearrangement using prime assembly
■ 게재지: Nature (2026년 9월 16일 온라인 게재)
■ 저자정보: Sébastien Levesque(공동 제1저자·공동 교신저자, 보스턴아동병원·라발대), Nozomu Kawashima(공동 제1저자, 보스턴아동병원), 황규호(공동 제1저자, 한양대학교·보스턴아동병원), Daniel E. Bauer(공동 교신저자, 보스턴아동병원·하버드 의과대학) 외

■ 논문명(2): Analysing long-read CRISPR experiments with CRISPRLungo
■ 게재지: Nature Biomedical Engineering (2026년 8월 20일 온라인 게재)
■ 저자정보: 황규호(제1저자, 한양대학교·매사추세츠종합병원), Daniel E. Bauer, Luca Pinello(교신저자) 외