토마토·콩 유전자 편집 효율 6배 높인 '스마트PE' 개발

토마토, 콩, 유채 등 주요 쌍떡잎식물의 유전자 편집 효율을 크게 높이는 새로운 시스템이 개발됐다.

28일 중국과학원(CAS) 유전·발육생물학연구소(IGDB) 가오카이샤 교수 연구팀은 기존 '프라임 편집' 기술의 효율을 개선한 '스마트PE(SmartPE)' 시스템을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 플랜츠'에 게재됐다.

프라임 편집은 DNA 이중나선을 절단하지 않고 특정 염기를 바꾸거나 삽입·삭제하는 기술이다. 표적 이탈 효과가 적다는 장점이 있지만, 쌍떡잎식물에서는 효율이 낮고 표적 위치에 따라 편차가 큰 한계가 있었다.

연구팀은 두 개의 프라임 편집 가이드 RNA(pegRNA)의 역전사 주형(RTT)에 의도적으로 불일치 염기를 도입하는 전략을 사용했다. 이 방식은 애기장대 표본 실험에서 평균 편집 활성을 6배 이상 높여 약 10%의 효율을 기록했다.

연구팀은 불일치 염기를 연속적으로 배열하거나 3bp(염기쌍) 간격으로 배치했을 때 편집 효율이 최대 20%까지 높아지는 것을 확인했다. 반면 간격이 6bp 이상 벌어지면 효율은 급격히 감소했다.

스마트PE 기술을 원형질체에 적용한 결과, 토마토는 9개 표적 중 6개에서 10% 이상, 콩은 11개 표적 중 9개에서 5% 이상의 효율을 보였다. 유채 역시 5개 표적에서 약 10% 안팎의 효율에 도달했다. 이는 일부 표적에서 거의 활성을 보이지 못했던 기존 프라임 편집 기술과 대조적이다.

안정적인 형질전환 실험에서도 성과가 나타났다. 토마토에서는 스마트PE를 통해 동형접합(7.3%) 및 이형접합(12.5%) 편집 개체를 얻었다. 기존 방식으로는 이형접합 편집(1.0%) 개체만 얻을 수 있었다. 애기장대와 토마토에서는 최대 32% 효율로 유전자 삽입에 성공했다.

연구팀은 스마트PE가 애기장대, 토마토, 콩, 유채 등 여러 쌍떡잎식물의 프라임 편집 효율을 개선한다고 설명했다. 또한 불일치 염기의 밀도와 분포에 관한 설계 원칙은 쌍떡잎 작물에 프라임 편집기를 적용하기 위한 실용적인 틀을 제공한다고 덧붙였다.