DNA를 자르지 않고 다시 쓰다
유전자를 잘라내는 시대에서 잘못된 염기서열을 원하는 정보로 고쳐 쓰는 시...




  • DNA를 자르지 않고 다시 쓰다

    - 프라임 에디팅, 유전자치료의 정밀성과 확장성을 시험하다

    유전자를 잘라내는 시대에서 잘못된 염기서열을 원하는 정보로 고쳐 쓰는 시대로 전환되고 있다. 프라임 에디팅은 첫 환자 치료에서 의미 있는 성과를 내며 실험실 기술에서 임상 치료 플랫폼으로 이동했다. 정밀 편집의 가능성이 확인된 지금, 경쟁의 중심은 편집 정확도에서 전달 효율과 장기 안전성, 제조 경쟁력으로 넓어지고 있다.

    [Key Message]
    * 프라임 에디팅은 유전자치료를 ‘절단’에서 ‘교정’의 단계로 전환하고 있다. DNA 이중가닥을 끊지 않고 원하는 염기서열을 써 넣어 기존 유전자편집보다 다양한 돌연변이를 정밀하게 다룰 수 있다.

    * PM359의 초기 임상 성과는 프라임 에디팅이 실제 환자에게서 작동한다는 가능성을 보여줬다. 다만 치료 인원과 관찰 기간이 제한적이므로 효과의 지속성과 장기 안전성을 추가로 검증해야 한다.

    * 임상 확장의 최대 관문은 편집 기술보다 전달 기술이다. 혈액세포를 몸 밖에서 교정하는 방식을 넘어 간·폐·근육·뇌 등 표적 조직에 편집 장치를 안전하게 전달해야 적용 질환을 넓힐 수 있다.

    * DNA 이중가닥을 자르지 않는다고 해서 위험이 사라지는 것은 아니다. 오프타깃 편집과 의도하지 않은 삽입·결실, 면역반응, 장기적인 유전체 변화까지 체계적으로 추적해야 한다.

    * 프라임 에디팅의 산업 경쟁력은 하나의 편집률만으로 결정되지 않는다. 체내 전달과 대량생산, 비용 절감, 규제 표준화, 장기 추적 체계를 함께 확보한 플랫폼이 치료 시장을 주도하게 될 것이다.

    ***

    유전자 가위에서 정밀 교정기로
    유전자편집 기술은 오랫동안 DNA를 얼마나 정확하게 자를 수 있는가를 중심으로 발전했다. 크리스퍼 유전자 가위는 표적 염기서열을 찾아 DNA의 두 가닥을 절단한 뒤, 세포가 손상된 부위를 스스로 복구하는 과정에서 유전자를 제거하거나 새로운 변화를 일으켰다. 이전보다 빠르고 저렴하며 활용 범위가 넓었지만, DNA를 자르는 행위 자체가 새로운 위험을 만들 수 있었다. 복구 과정에서 원하지 않는 삽입이나 결실이 나타나거나 염색체 구조가 바뀔 가능성이 있었기 때문이다.

    염기교정은 이러한 한계를 줄였다. DNA 이중가닥을 절단하지 않고 특정 염기 하나를 다른 염기로 바꿀 수 있게 되면서 정밀도가 높아졌다. 그러나 변환할 수 있는 염기의 조합이 제한됐고, 여러 염기를 동시에 바꾸거나 작은 DNA 조각을 삽입하고 삭제하는 작업에는 제약이 있었다. 질병을 일으키는 돌연변이의 형태가 다양하다는 점을 고려하면 하나의 편집 방식만으로 모든 유전질환을 치료하기는 어려웠다.

    2019년 처음 공개된 프라임 에디팅은 이 틈을 메우기 위해 등장했다. 흔히 문서 편집 프로그램의 ‘검색 후 바꾸기’ 기능에 비유되는 이 기술은 DNA에서 잘못된 부분을 찾아 원하는 유전정보로 다시 쓴다. 절단 기능을 일부 제한한 Cas9 단백질, 새로운 DNA 서열을 만드는 역전사효소, 표적 위치와 교정 내용을 동시에 안내하는 프라임 편집 가이드 RNA가 하나의 편집 장치로 작동한다.

    작동 과정도 기존 유전자 가위와 달랐다. 프라임 에디터는 DNA 두 가닥을 한꺼번에 끊지 않고 한쪽 가닥에 작은 절개를 만든다. 이어 가이드 RNA에 기록된 정보를 주형으로 삼아 수정할 염기서열을 DNA에 복사한다. 세포의 복구 기전이 새로 만들어진 서열을 받아들이면 변이가 교정된다. 외부에서 별도의 DNA 주형을 공급할 필요가 없고, 염기 치환뿐 아니라 짧은 서열의 삽입과 삭제도 가능하다는 것이 핵심이었다.

    이론적으로는 알려진 질병 유발 변이의 상당 부분을 겨냥할 수 있다. 그러나 넓은 편집 가능성이 곧바로 광범위한 치료 가능성을 뜻하지는 않는다. 세포마다 편집 효율이 다르고, 질환에 따라 필요한 교정 비율도 달라진다. 프라임 에디터의 구성 요소가 복잡하고 크다는 점도 임상 적용을 어렵게 만들었다. 초기의 질문이 ‘유전정보를 원하는 대로 바꿀 수 있는가’였다면, 임상 단계의 질문은 ‘필요한 세포에 충분한 양을 안전하게 전달할 수 있는가’로 바뀌었다.

    첫 임상 성과가 연 전환점
    프라임 에디팅의 임상 전환점은 희귀 면역질환인 만성육아종병 치료에서 마련됐다. 만성육아종병은 면역세포가 세균과 곰팡이를 제거하는 데 필요한 활성산소를 제대로 만들지 못해 반복적인 중증 감염과 염증을 일으키는 유전질환이다. 그중 일부 환자는 NCF1 유전자의 특정 변이로 인해 호중구의 방어 기능을 잃는다. 기존에는 항생제와 항진균제를 장기간 사용하거나 적합한 공여자를 찾아 조혈모세포를 이식해야 했다.

    PM359는 이러한 변이를 교정하도록 설계된 프라임 에디팅 기반 치료제다. 환자의 몸에서 CD34 양성 조혈모세포를 채취하고, 실험실에서 프라임 에디터를 이용해 NCF1 유전자를 교정한 뒤, 전처치를 거쳐 다시 환자에게 투여하는 방식이다. 편집된 줄기세포가 골수에 자리 잡으면 정상 기능을 갖춘 면역세포를 지속해서 생산할 수 있다는 구상이었다.

    미국 식품의약국은 2024년 4월 PM359의 임상시험계획을 승인했다. 프라임 에디팅을 이용한 치료제가 사람을 대상으로 임상시험에 들어갈 수 있도록 허가받은 첫 사례였다. 이어 진행된 1·2상 시험은 안전성과 생물학적 활성, 초기 치료 효과를 평가하도록 설계됐다. 안정된 상태의 성인 환자를 먼저 치료한 뒤 감염이나 중증 염증이 있는 환자, 청소년과 소아로 대상을 넓히는 단계적 접근이 적용됐다.

    2025년 공개된 첫 환자 결과는 프라임 에디팅이 사람의 세포에서도 임상적으로 의미 있는 기능 회복을 만들어낼 수 있음을 보여줬다. 치료 전에는 정상적인 NADPH 산화효소 기능이 거의 확인되지 않았지만, 치료 15일 뒤에는 호중구의 58%, 30일 뒤에는 66%에서 기능이 회복됐다. 잠재적인 임상적 이익을 기대할 수 있다고 평가된 기준을 크게 웃도는 수준이었다. 호중구와 혈소판의 생착도 비교적 빠르게 이뤄졌으며, 초기 관찰에서는 PM359와 직접 관련된 중대한 이상반응이 보고되지 않았다.

    2025년 말에는 두 명의 환자를 대상으로 한 임상 결과가 의학 학술지에 발표됐다. 편집된 조혈모세포가 체내에 자리 잡아 기능성 면역세포를 만들어냈고, 감염 방어에 필요한 생물학적 기능이 회복된 것으로 보고됐다. 프라임 에디팅이 실험실의 세포와 동물 모델을 넘어 실제 환자의 질병 기전을 교정할 수 있다는 첫 임상 근거였다.

    다만 이를 곧바로 광범위한 치료 성공으로 확대 해석해서는 안 된다. 치료받은 환자 수가 매우 적고 관찰 기간도 제한적이다. 효과가 수년 이상 유지되는지, 편집된 조혈모세포가 장기간 정상적인 혈액세포를 생산하는지, 시간이 흐른 뒤 예상하지 못한 이상이 나타나지 않는지 확인해야 한다. 첫 성과의 가장 중요한 의미는 완성된 치료법의 탄생보다 프라임 에디팅이 임상에서 작동할 수 있다는 사실을 처음 증명했다는 데 있었다.

    희귀질환에서 넓어지는 치료 지도
    프라임 에디팅은 처음부터 하나의 돌연변이나 질환에만 묶인 기술이 아니었다. 가이드 RNA에 표적 위치와 교정할 정보를 새롭게 설계하면 여러 종류의 변이를 겨냥할 수 있는 플랫폼 성격을 지녔다. 하나의 질환마다 전혀 다른 치료 기술을 처음부터 개발하는 방식이 아니라, 핵심 편집 장치를 유지하면서 표적과 전달 체계를 바꾸는 개발 전략이 가능해졌다.

    초기 임상이 혈액과 면역질환에서 시작된 데에는 현실적인 이유가 있었다. 조혈모세포는 몸 밖으로 꺼내 편집하고 품질을 검사한 뒤 다시 환자에게 투여할 수 있다. 편집률과 세포 생존율, 의도하지 않은 변화를 투여 전에 확인할 수 있어 통제 가능성이 상대적으로 높다. 이미 조혈모세포 이식과 세포 유전자치료를 위한 병원 인프라도 갖춰져 있었다. 프라임 에디팅의 첫 임상 적용은 가장 관리하기 쉬운 세포에서 기술의 유효성을 증명하는 선택이었다.

    후속 개발의 관심은 간으로 빠르게 이동하고 있다. 간은 혈류를 통해 접근하기 쉽고, 지질나노입자가 비교적 잘 축적되는 장기다. 알파-1 항트립신 결핍증, 윌슨병, 페닐케톤뇨증과 같은 유전성 간·대사질환은 특정 유전자 변이를 교정했을 때 명확한 생물학적 효과를 기대할 수 있다. 일부 질환은 간세포 전체가 아니라 일정 비율만 정상화돼도 치료 효과를 낼 가능성이 있어 체내 편집의 초기 대상으로 적합하다.

    2026년 발표된 전임상 연구에서는 지질나노입자를 이용해 프라임 에디팅 구성 요소를 생쥐의 간에 전달하고, 페닐케톤뇨증을 유발하는 변이를 교정해 혈중 페닐알라닌 수치를 치료 가능 수준으로 낮춘 결과가 제시됐다. 이는 프라임 에디팅이 세포를 꺼내지 않고 몸속 장기에서 직접 작동할 가능성을 보여줬다. 임상 치료로 인정받으려면 더 많은 독성시험과 대동물 연구, 제조 검증이 필요하지만, 체외 편집에 머물렀던 적용 범위를 체내 치료로 넓힐 수 있는 기술적 근거가 강화됐다.

    근육질환과 신경질환, 망막질환도 장기적인 확장 영역으로 꼽힌다. 이들 질환에는 단일 염기 치환만으로 고치기 어려운 다양한 변이가 존재한다. 프라임 에디팅의 삽입·삭제 능력과 두 개의 편집기를 함께 사용하는 트윈 프라임 에디팅이 발전하면 반복서열 제거, 엑손 교체, 비교적 큰 유전자 구간의 수정까지 가능해질 수 있다.

    하지만 질환 목록의 확장이 곧 임상 파이프라인의 확장을 의미하지는 않는다. 혈액에서 가능했던 체외 품질 검사를 뇌나 근육, 폐에서는 그대로 적용할 수 없다. 표적 장기의 세포 가운데 어느 정도를 편집해야 증상이 개선되는지, 재투여가 가능한지, 소아 환자의 성장 과정에서도 효과와 안전성이 유지되는지를 질환별로 확인해야 한다. 프라임 에디팅은 범용 도구이지만 치료제는 질환과 조직마다 새롭게 검증돼야 한다.

    정밀성보다 어려운 전달의 장벽
    프라임 에디팅의 상용화를 가르는 가장 큰 장벽은 유전정보를 고치는 능력보다 이를 필요한 세포까지 운반하는 능력이다. 프라임 에디터는 Cas9 단백질과 역전사효소가 결합된 큰 분자이며, 가이드 RNA 역시 표적 정보뿐 아니라 새로 써 넣을 서열을 포함한다. 구성 요소가 크고 복잡해 하나의 전달체에 안정적으로 담기 어렵다. 세포 안으로 들어간 뒤에도 핵까지 이동하고, 충분한 시간 동안 활성을 유지해야 한다.

    체외 편집은 이러한 문제를 상당 부분 통제할 수 있다. 채취한 세포에 전기천공 등의 방법으로 편집 물질을 전달하고, 편집 효율과 세포 상태를 확인한 후 적합한 세포만 환자에게 투여할 수 있다. 반면 체내 편집은 혈액 속에서 분해되지 않아야 하며, 원하지 않는 장기가 아니라 표적 조직에 도달해야 한다. 세포막을 통과한 뒤에는 편집 물질을 세포질과 핵으로 방출해야 하고, 역할을 마친 뒤에는 신속하게 사라져야 한다.

    지질나노입자는 가장 주목받는 전달 수단 가운데 하나다. RNA 의약품과 백신 개발을 통해 제조 경험이 축적됐고, 편집 장치를 DNA 형태가 아니라 일시적으로 작동하는 RNA 형태로 전달할 수 있다. 편집 물질이 장기간 세포 안에 남지 않으면 불필요한 편집과 면역반응의 가능성을 낮출 수 있다. 그러나 현재의 지질나노입자는 간으로 잘 이동하는 반면 폐, 근육, 뇌, 골수 등 다른 조직에 선택적으로 도달하는 능력은 충분하지 않다.

    2026년 연구에서는 프라임 에디터를 구성하는 전령 RNA와 가이드 RNA의 비율, 입자 내부의 포장 방식, RNA의 안정성, 역전사효소의 구조 등을 함께 최적화했다. 가이드 RNA의 끝부분을 보호하는 새로운 구조는 세포 안에서 RNA가 너무 빨리 분해되는 문제를 줄였고, 인공지능을 활용해 재설계된 역전사효소는 안정성과 편집 활성을 높였다. 각 구성 요소를 따로 개선하는 수준에서 벗어나 편집기와 전달체를 하나의 치료 시스템으로 설계하기 시작한 것이다.

    바이러스 유사입자와 변형 바이러스 벡터, 고분자 나노입자도 대안으로 연구되고 있다. 바이러스 유사입자는 유전물질을 복제하는 바이러스의 위험을 줄이면서 단백질과 RNA를 세포에 전달할 수 있다. 바이러스 벡터는 특정 조직에 도달하는 능력이 우수하지만 프라임 에디터의 큰 크기와 장기간 발현 가능성이 부담이다. 편집기를 여러 조각으로 나눠 전달한 뒤 세포 안에서 다시 조립하는 방식도 연구되지만, 시스템이 복잡해질수록 생산과 품질관리의 난도는 높아진다.

    향후 경쟁은 편집률 하나로 평가되기 어려울 전망이다. 낮은 용량으로 충분한 교정을 만들 수 있는지, 표적 조직 이외의 노출을 줄일 수 있는지, 대규모 생산에서도 입자의 품질을 일정하게 유지할 수 있는지가 함께 고려돼야 한다. 전달 기술은 프라임 에디팅에 부수적으로 붙는 포장재가 아니라 치료 가능한 질환과 환자 규모를 결정하는 핵심 자산으로 부상하고 있다.

    보이지 않는 오류와 장기 안전성
    프라임 에디팅은 DNA 이중가닥 절단을 피한다는 점에서 기존 크리스퍼 유전자 가위보다 안전할 가능성이 있다. 표적 DNA와 가이드 RNA의 결합, 절개 위치의 확인, 새 서열의 복사라는 여러 단계가 맞아야 편집이 완성되기 때문에 높은 특이성을 확보할 여지도 있다. 그러나 ‘절단하지 않는다’는 표현이 ‘위험이 없다’는 의미는 아니다.

    먼저 표적 위치에서 의도와 다른 결과가 발생할 수 있다. 새 염기서열이 일부만 복사되거나 불필요한 삽입과 결실이 나타날 수 있고, 편집 과정에서 생성된 DNA 구조가 세포의 복구 기전과 예상하지 않은 방식으로 결합할 수도 있다. 표적과 유사한 다른 염기서열에서 편집이 일어나는 오프타깃 문제도 완전히 사라지지 않는다. 낮은 빈도의 오류라 해도 수백만 개에서 수억 개의 세포를 치료한다면 임상적으로 의미 있는 위험이 될 수 있다.

    세포의 종류와 상태도 안전성에 영향을 미친다. 배양 과정에서 증식 능력이 강한 특정 세포가 선택되거나, 편집과 전처치에 잘 견디는 일부 세포만 살아남을 수 있다. 조혈모세포 치료에서는 특정 편집 세포가 비정상적으로 증식하지 않는지 장기간 추적해야 한다. 체내 편집에서는 간세포 외의 조직이나 생식세포가 노출되지 않는지도 확인해야 한다.

    면역반응 역시 중요한 변수다. 프라임 에디터에는 세균 유래 Cas 단백질과 역전사효소가 포함된다. 인체가 이를 외부 물질로 인식하면 염증이나 면역반응이 발생할 수 있으며, 기존 면역 기억 때문에 편집된 세포가 제거될 가능성도 있다. 전달체에 대한 항체가 만들어지면 같은 치료제를 다시 투여하기 어려워질 수 있다. 일회 투여로 충분한 치료 효과를 내는 설계가 강조되는 이유다.

    안전성 평가는 오프타깃 후보 몇 곳을 확인하는 방식만으로 충분하지 않다. 유전체 전체의 염기서열 변화, 큰 결실과 염색체 재배열, 세포별 편집 결과, 유전자 발현 변화, 종양 발생 가능성을 함께 살펴야 한다. 분석 기술이 정교해질수록 이전에는 발견하지 못했던 낮은 빈도의 부산물이 확인될 수도 있다. 더 많은 오류가 발견된다는 사실은 기술이 후퇴했다는 의미가 아니라 안전성 검증의 해상도가 높아졌다는 의미로 해석해야 한다.

    임상 규제의 핵심도 편집 순간의 정확도에서 환자의 장기적 결과로 이동할 가능성이 크다. 유전자편집은 약물이 체내에서 사라진 뒤에도 DNA의 변화가 남는다. 단기 임상시험에서 이상이 없더라도 수년 뒤의 혈액학적 변화와 종양 발생, 장기 기능을 관찰해야 한다. 프라임 에디팅의 신뢰는 오류가 전혀 없다는 주장보다 어떤 위험을 어떤 방법으로 측정하고 추적하는지를 투명하게 제시하는 데서 형성될 것이다.

    플랫폼의 가능성과 치료제의 현실
    프라임 에디팅은 의약품 산업의 개발 방식을 바꿀 잠재력을 지녔다. 기존 저분자 의약품은 질병 관련 단백질의 기능을 억제하거나 보완했지만, 프라임 에디팅은 질병의 원인이 되는 유전정보 자체를 교정한다. 한 번의 치료로 장기간 효과를 유지할 수 있다면 평생 약물을 복용해야 했던 유전질환의 치료 구조도 달라질 수 있다.

    산업적 경쟁은 세 층위에서 전개될 전망이다. 첫째는 편집 엔진의 경쟁이다. 더 작고 효율적인 Cas 단백질, 안정적인 역전사효소, 분해에 강한 가이드 RNA가 필요하다. 둘째는 전달 기술의 경쟁이다. 간을 넘어 폐와 근육, 중추신경계, 골수에 선택적으로 접근하는 전달체가 확보돼야 한다. 셋째는 제조와 분석의 경쟁이다. 연구실에서 높은 편집률을 기록하는 것과 환자에게 투여할 수 있는 균일한 치료제를 반복 생산하는 것은 다른 문제다.

    프라임 에디팅은 환자별 맞춤치료와 표준화된 대량 치료 사이에서도 선택을 요구받는다. 같은 질환이라도 환자마다 변이 위치가 다르면 각각 다른 가이드 RNA가 필요할 수 있다. 모든 변이를 별도의 치료제로 개발하면 규제와 생산 비용이 감당하기 어려워진다. 반면 다수 환자에게 공통으로 나타나는 변이, 하나의 편집으로 여러 변이를 우회할 수 있는 유전자 구간, 유전자 기능을 복원하는 공통 전략을 선택하면 시장성과 개발 효율을 높일 수 있다.

    규제기관도 새로운 평가 틀을 마련해야 한다. 편집기와 전달체는 같고 가이드 RNA만 달라지는 치료제에 기존의 개별 의약품 심사 방식을 그대로 적용할 것인지가 쟁점이다. 플랫폼의 공통 요소에 대한 자료를 재사용하고, 변경된 가이드 RNA의 표적 특이성과 독성만 추가로 평가하는 방식이 정착되면 희귀변이 치료제 개발 속도가 빨라질 수 있다. 반대로 기준이 지나치게 느슨하면 낮은 빈도의 유전체 위험을 놓칠 수 있다.

    가격과 접근성도 임상 현실화의 중요한 조건이다. 환자의 세포를 채취해 개별적으로 편집하고 품질을 검사한 뒤 다시 투여하는 체외 치료는 제조 과정이 길고 비용이 높다. 골수 전처치와 입원 치료가 필요하면 의료 인프라가 부족한 지역에서는 접근하기 어렵다. 미리 생산할 수 있는 체내 투여제가 개발되면 비용과 공급망을 단순화할 수 있지만, 안전성을 사전에 확인하기 어렵다는 새로운 부담을 안게 된다.

    향후 수년은 프라임 에디팅의 가능성이 실제 치료 플랫폼으로 정착할 수 있는지를 가르는 시기가 될 것이다. 초기 환자에서 확인된 기능 회복이 장기간 지속되는지, 체내 전달 연구가 사람의 임상으로 이어지는지, 간 이외의 조직에서도 충분한 편집률을 확보하는지가 주요 이정표가 된다. 제조 비용 절감과 규제 표준화, 장기 안전성 자료의 축적도 기술의 속도를 결정할 것이다.

    프라임 에디팅의 첫 임상 성과는 DNA를 정밀하게 고쳐 쓰는 치료가 더 이상 이론에만 머물지 않는다는 사실을 보여줬다. 그러나 진정한 임상 현실화는 한두 명의 환자에게서 높은 편집률을 기록하는 데서 완성되지 않는다. 다양한 환자에게 동일한 품질로 치료제를 제공하고, 필요한 조직에 안전하게 전달하며, 수년 뒤에도 치료 효과와 유전체 안정성을 입증해야 한다. 유전자치료의 다음 승부는 더 날카로운 가위를 만드는 경쟁이 아니라 더 정확하게 도달하고, 필요한 만큼 작동하고, 위험을 끝까지 추적하는 시스템을 구축하는 경쟁이 될 것이다.

    Reference
    Nature, October 2019, Anzalone, A. V., et al., Search-and-Replace Genome Editing without Double-Strand Breaks or Donor DNA
    New England Journal of Medicine, December 2025, Gori, J. L., et al., Prime Editing for p47phox-Deficient Chronic Granulomatous Disease
    Nature Reviews Bioengineering, September 2025, Flugel, C. L., Cadinanos-Garai, A., and Abou-el-Enein, M., A Clinical Roadmap for Base and Prime Editing
    Nature Biotechnology, May 2026, Sakai, H. A., et al., Directed Evolution of Small RNA-Stabilizing Motifs That Improve Prime-Editing Efficiency
    Nature Nanotechnology, June 2026, Jiang, A. Y., et al., Efficient Prime Editing In Vivo and In Vitro Using Lipid Nanoparticles