융합생명공학과 김희권 교수 연구팀 (공동저자 김지윤, 김지성 학생)은 연세대학교 의과대학 김형범 교수 연구팀과 함께 차세대 유전자가위인 프라임에디터를 설계하는 세계최고 수준의 인공지능 모델 개발에 성공하였다. 연구결과는 세계 최고 권위의 학술지인 ‘셀 (Cell)’ 2023년 5월 11일 호에 게재되었다. 이 연구는 한국연구재단 우수신진연구 지원사업 (2020R1C1C1003284), 국가신약개발사업 (HN22C0571) 등의 지원을 받아 수행되었다.

유전자가위(CRISPR-Cas9)는 원하는 유전자 부위를 손쉽게 절단하고 원하는 형태로 교정할 수 있는 인공효소로서, 유전자치료제 개발의 원천기술, 유전자교정 동식물 개발, 유전체 스크리닝 기술의 핵심 도구이다. 유전자가위를 이용한 유전자교정기술을 개발한 과학자들이 2020년에 노벨화학상을 수상하였으며, 현재 유전자가위를 이용한 여러 유전자치료제의 임상연구가 진행되는 등 전세계적인 관심을 받고 있다.

기존 유전자가위기술은 DNA이중가닥절단에 의해 나타나는 세포독성, 비특이적 유전자교정과 같은 부작용이 나타나는 단점이 있다. 최근에는 DNA이중가닥을 완전히 자르지 않고 한 가닥만 자르면서, 절단 부위에 새로운 유전정보를 채워넣는 프라임에디터 유전자가위가 개발되었으며, 기존 유전자가위보다 훨씬 안전하고 효율적인 기술로 주목받고 있다. 하지만 프라임에디터 유전자가위 시스템은 기존 유전자가위보다 구조적으로 복잡하고, 설계할 수 있는 경우의 수도 수 백배 다양하기 때문에 효율이 높고 정밀한 유전자가위를 설계하는 데에 어려움이 있다. 따라서 프라임에디터 유전자가위를 임상 연구와 치료목적으로 사용하려면 어떤 조건에서 최적의 유전자 교정이 일어나는지 정확히 파악하는 것이 필요하며, 이를 위해서 대규모 실험데이터 확보 및 분석이 필수적이다.

이에 연구팀은 2020년부터 약 3년 동안 33만개 이상의 프라임에디터 유전자가위의 교정효율을 측정한 데이터를 확보하였다. 이는 그동안 학계에 보고된 측정 데이터 중 가장 규모가 큰 결과이다. 측정한 데이터를 분석한 결과, 연구팀은 프라임에디터 유전자가위의 교정효율을 결정하는 주요 기전과 영향을 밝혀내는데 성공하였다. 이에 그치지 않고, 연구팀은 분석한 데이터를 인공지능을 통한 학습과정을 거쳐 교정을 원하는 유전자 서열정보 등을 입력하면 활용 가능한 프라임에디터 유전자가위의 효율과 정확성을 예측하는 인공지능 모델들(DeepPrime, DeepPrime-FT, DeepPrime off)을 제작하였다.

이번에 제작한 모델은 프라임에디터 유전자가위의 교정효율 및 안전성에 대해 세계최고 수준의 예측 성능을 보인다. 기존에는 프라임에디터 유전자가위를 활용하기 위해 매번 수 십~수 백개 이상의 프라임에디터 유전자가위를 제작하고 실험적으로 검증하는 과정이 필요했으나, 이번에 연구팀이 구현한 기술을 이용하면 빠르고 정확하게 프라임에디터 유전자가위를 설계할 수 있어 향후 유전자치료 분야에서 높은 활용도가 기대된다.