생화학분자생물학회

 KAIST 뇌인지과학과

csi_kaist@kaist.ac.kr​ 

[연구자 소개]

저는 생명공학 학사 학위 이후 화학과에서 박사 학위를 받았고, 박사 과정 때부터 지금까지 줄곧 유전자 교정 기술을 연구해 오고 있습니다. 핵 유전자 교정에서 시작해, 최근에는 세포소기관 유전자 교정, 특히 미토콘드리아를 중심으로 연구하고 있으며 앞으로는 엽록체 교정으로까지 확장하는 것을 목표로 하고 있습니다. 제가 가진 꿈을 한 문장으로 정리하자면, 살아가는 동안 제가 할 수 있는 범위 안에서 최대한 사회에 기여하는 ‘사람’이 되고 싶다는 것입니다.

제 연구 여정은 치밀하게 설계된 커리어라기보다, 다소 자유 여행에 가까웠습니다. 생명과학을 가장 좋아하던 저는 전공을 선택할 때도 큰 계산 없이 화공생명공학부에서 생명공학을 택했습니다(당시에는 취업이 잘 되는 화학공학이 훨씬 인기였습니다). 박사 과정 진학도 학부 시절 아르바이트를 하며 막연히 ‘이거 하면 사회에 기여를 할 수 있겠다’고 생각했던 것이 계기가 되어 자연스럽게 이어진 선택이었습니다.

재수 시절 학비를 미리 벌기 위해 랍스터 음식점에서 아르바이트를 했던 경험은, 지금 돌이켜보면 연구자가 되는 데 결정적인 출발점이었습니다. 당시 랍스터는 서민이 쉽게 먹기 어려운 고급 음식이었고, 저는 ‘이 맛있는 음식을 언젠가는 더 많은 사람들이 먹을 수 있게 하면 좋겠다’는 다소 순진한 생각을 했습니다. 마침 고등학교 생명과학2 시간에 배우던 GMO(유전자 변형 생물) 내용이 떠올랐고, “GMO를 통해 랍스터를 더 빨리, 더 많이 키울 수 있다면 서민도 랍스터를 먹을 수 있지 않을까?”라는 상상을 하게 되었습니다. 놀랍게도 이것이 실제로 대학원 진학 면담에서 지도교수님께 제가 처음으로 꺼냈던 이야기였습니다.

이후 GMO 분야에서 혁신적인 도구로 떠오른 것이 바로 유전자 교정 기술이었습니다. 쉽게 말해, 유전자를 원하는 방식으로 정교하게 잘라 붙일 수 있는 기술입니다. ‘성장을 빠르게 하는 유전자를 랍스터 유전체에 도입하면 더 빨리 자라는 랍스터를 만들 수 있지 않을까? 그렇다면 서민들도 랍스터를 먹을 수 있지 않을까?’라는 질문이 제 첫 연구 제안이었고, 이를 실제로 실현해 보고 싶다는 마음에서 유전자 교정 분야로 대학원 진학을 선택하게 되었습니다.

비록 지금은 랍스터의 성장 속도를 빠르게 하는 연구를 하고 있지는 않지만, 처음의 소박한 호기심은 점점 커져 이제는 유전자 교정 기반 신약을 제 이름을 걸고 개발하는 것을 목표로 삼게 되었습니다. 동시에 여전히 랍스터에 대한 관심을 완전히 놓지 못하고 있습니다. 장수 동물로 알려진 랍스터에게 노화의 비밀이 숨어 있지 않을까 하는 생각으로, 언젠가 노화 연구 대상으로 랍스터를 다시 다뤄 보고 싶다는 작은 꿈도 가지고 있습니다.

이렇듯 제 인생에는 “유전자 교정을 통해 인류 건강에 기여하겠다”는 비교적 큰 목표가 하나 분명히 있으면서도, 정작 중요한 결정의 순간들은 대부분 거창한 계획보다는 그때그때의 호기심과 직관, 그리고 ‘한번 해보자’는 마음에 이끌려 내려온 경우가 많았습니다. 저는 자신을, 치밀하게 설계된 경로를 따라온 연구자라기보다는, 하나의 큰 방향을 마음에 두고 주어진 인연과 기회를 따라 성실하게 걸어온 연구자라고 생각합니다.

[연구 내용]

현재 저희 연구실에서는 핵 유전체와 세포소기관 유전체를 대상으로 한 유전자 교정 기술을 개발하는 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 유전자 교정 기술은 이제 단순히 유전자를 자르고 붙이는 수준을 넘어서, 염기 하나만을 정밀하게 바꿀 수 있을 정도로 발전해 왔습니다.

예를 들어, 조로증(Progeria)라는 질환은 60억 개의 염기쌍 가운데 단 한 개, 사이토신(C)이 티민(T)으로 바뀌는 돌연변이 때문에 발생하는 유전병입니다. 유전자 교정 기술은 바로 이러한 DNA 돌연변이를 다시 정상 서열로 되돌리는 기술이라고 할 수 있습니다. 이 기술이 실제 신약으로 쓰이기 위해서는 무엇보다 정확성이 높아야 하고, 동시에 효율도 충분히 높아야 합니다. 그래서 저는 주로 정밀한 유전자 교정 플랫폼을 설계하고, 그 효율을 최대한 끌어올리는 연구를 하고 있습니다.

또한 저는 기존에 존재하던 방법을 조금 개선하는 수준을 넘어서, 아직 개발되지 않았거나 남들이 시도하지 않았던 새로운 유전자 교정 기술을 만들고 싶었습니다. 그중 하나가 바로 세포소기관 유전자 교정입니다. 지금까지의 유전자 교정 기술은 거의 대부분 핵 유전체(nuclear genome)를 대상으로 발전해 왔습니다. 그러나 세포에는 핵 유전체 외에도 중요한 유전체가 더 있습니다. 바로 세포소기관 유전체(organelle genome)입니다.

예를 들어, 사람을 포함한 진핵세포에는 미토콘드리아(mitochondria)가, 식물 세포에는 미토콘드리아와 엽록체(chloroplast)가 각각 고유의 유전체를 가지고 있습니다. 미토콘드리아와 엽록체는 에너지 대사와 밀접한 관련이 있으며, 이들 기능에 문제가 생기면 심각한 장애가 발생합니다. 특히 사람에서 미토콘드리아 유전병은 시력 상실, 뇌질환 등 매우 중증의 질환을 유발할 수 있습니다. 따라서 이러한 미토콘드리아 유전병을 직접 교정할 수 있는 유전자 교정 기술 개발이 오랫동안 절실한 과제로 남아 있었습니다.

하지만 기존의 대표적인 유전자 교정 도구인 CRISPR-Cas9 시스템은 단백질과 가이드 RNA를 함께 사용해야 합니다. 문제는, 미토콘드리아 내로 RNA를 효율적으로 전달하는 방법이 거의 없다는 점입니다. 이 때문에 CRISPR 기술은 원칙적으로 세포소기관 유전체에 적용하기 매우 어려웠고, 그 결과 미토콘드리아 유전자 교정은 오랫동안 미개척 분야로 남아 있었습니다.

이러한 상황에서 2020년에 최초의 사이토신 염기 교정기(cytosine base editor)가 세포소기관에 적용될 수 있는 형태로 보고되었고, 저는 이어서 세계 최초의 아데닌 염기 교정기(TALED)를 개발하는 연구를 이끌었습니다. 이를 통해 미토콘드리아 DNA의 A→G 치환을 정밀하게 유도할 수 있는 길을 열었고, 세포소기관 유전자 교정 분야를 한 단계 확장하는 데 기여하고자 했습니다.

앞으로도 저는 이전에 시도되지 않았던 새로운 형태의 유전자 교정 기술을 개발하는 한편, 이러한 기술을 실제 신약 개발과 새로운 치료 패러다임으로 연결하는 데 기여하고 싶습니다. 최근에는 이러한 기술들을 바탕으로 이른바 ‘슈퍼 미토콘드리아’를 만드는 것에 도전하고 있습니다. 미토콘드리아는 암, 비만, 알츠하이머를 포함해 거의 모든 질환과 직·간접적으로 연결되어 있기 때문에, 그 기능을 개선할 수 있다면 오히려 매우 다양한 질병에 공통적으로 이로운 효과를 줄 수 있을 것이라고 기대하고 있습니다.

이를 통해 유전자 교정 기술이 단순한 기초 연구 도구를 넘어, 실제 환자에게 도움이 되는 치료 전략으로 자리 잡도록 만드는 것이 저의 장기적인 목표입니다. 

[연구진구성] 

교수: 조성익

대학원과정: 유소연,이종길,신지원,강민철

인턴: 지예린,원유건,정인성

[연락처]

​

주소: 대전 유성구 대학로 291 한국과학기술원 메타융합관(W13) 502-12

전화: 042-350-6525

E-mail: csi_kaist@kaist.ac.kr

Homepage:  Cho Lab / Genome Editing Lab (유전자 교정 연구실)​ https://sites.google.com/view/csilab 

[대표논문]

1. Sung-Ik Cho*, Kayeong Lim*, Seongho Hong*, Jaesuk Lee, Annie Kim, Ji Min Lee, Young Geun Mok, Eugene Chung, Seunghun Han, Sang-Mi Cho, Jieun Kim, Sanghun Kim, Eun-Kyoung Kim, Ki-Hoan Nam, Yeji Oh, Minkyung Choi, Seonghyun Lee#, Hyunji Lee#, Jin-Soo Kim# (2024) Engineering TALE-linked deaminases to facilitate precision adenine base editing in mitochondrial DNA. Cell

2. Jaesuk Lee*, Kayeong Lim*, Annie Kim, Young Geun Mok, Eugene Chung, Sung-Ik Cho, Ji Min Lee & Jin-Soo Kim (2023) Prime editing with genuine Cas9 nickases minimizes unwanted indels. Nature Communications

3. Sung-Ik Cho, Seonghyun Lee, Young Geun Mok, Kayeong Lim, Jaesuk Lee, Ji Min Lee, Eugene Chung and Jin-Soo Kim (2022) Targeted A-to-G base editing in human mitochondrial DNA with programmable deaminases. Cell

4. Kayeong Lim*, Sung-Ik Cho* and Jin-Soo Kim (2022) Nuclear and mitochondrial DNA editing in human cells with zinc finger deaminases. Nature Communications 

5. Young Geun Mok*, Ji Min Lee*, Eugene Chung*, Jaesuk Lee, Kayeong Lim, Sung-Ik Cho, and Jin- Soo Kim (2022) Base editing in human cells with monomeric DddA-TALE fusion deaminases. Nature Communications

6. Young Geun Mok*, Sunghyun Hong*, Su-Ji Bae, Sung-Ik Cho, and Jin-Soo Kim (2022) Targeted A- to-G base editing of chloroplast DNA in plants. Nature plants 

7. Pin Lyu*, Zuyan Lu*, Sung-Ik Cho, Manish Yadav, Kyung Whan Yoo, Anthony Atala, Jin-Soo Kim, and Baisong Lu (2019) Adenine Base Editor Ribonucleoproteins Delivered by Lentivirus-Like Particles Show High On-Target Base Editing and Undetectable RNA Off-Target Activities. CRISPR JOURNAL

8. Daesik Kim*, Da-eun Kim*, Gyeorae Lee, Sung-Ik Cho and Jin-Soo Kim (2019) Genome-wide target specificity of CRISPR RNA-guided adenine base editors. Nature Biotechnology ​