프라임 에디팅(Prime editing) — 자르지 않고 '검색하고 교체하는' 유전자 편집 (Anzalone 2019)
READING NOTES · RNA & PHARMA
TL;DR
• 프라임 에디팅(prime editing)은 DNA를 양쪽 다 끊지 않고, 닉카아제(nickase)로 한 가닥에만 흠집을 낸 뒤 역전사효소(reverse transcriptase)가 원하는 서열을 그 자리에 직접 써 넣는 유전자 편집이다 — 가위로 자르는 게 아니라 '검색하고 교체한다'.
• 구성은 nCas9 (H840A 닉카아제) + 역전사효소 융합 단백질 + pegRNA (prime editing guide RNA). CRISPR-Cas9의 절단(이중가닥절단)도, 염기교정의 제한된 변환 범위도 넘어 12종 점돌연변이 전부 + 작은 삽입·결실을 한 도구로 교정한다.
• 핵심 의의 — 유전자 편집이 '자르는 도구'에서 '쓰는 도구'로 넘어간 분기점. 2019년 Nature에 처음 보고됐고, 2025년 12월 NEJM에 사람 대상 첫 임상 (Prime Medicine PM359, 만성육아종증)이 실리며 병상으로 넘어왔다.
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1. 한 장 요약
| 핵심 논문 | Anzalone, A. V., Randolph, P. B., Davis, J. R., et al. "Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA." Nature 576:149-157 (2019) |
| 저자·소속 | David R. Liu 연구실 (Broad Institute · Harvard) — 염기교정(base editing)을 만든 그 그룹 |
| 기술 구성 | nCas9 (H840A 닉카아제) + 역전사효소(reverse transcriptase) 융합 + pegRNA (prime editing guide RNA) |
| 능력 | 12종 점돌연변이 전부 · 삽입 최대 44 bp · 결실 최대 80 bp — 이중가닥절단·공여 DNA 불필요 |
| 임상 진입 | Prime Medicine PM359 (만성육아종증 CGD) — NEJM (2025.12) 환자 2명 첫 결과, 30일 DHR 양성 69%·83% |
한 문장으로: 유전체에서 고칠 자리를 '검색'하고, 그 자리에 원하는 서열을 '교체'해 써 넣는다 — 가위로 자르지 않고.
2. 연구 배경 — 왜 '만능 교정'이 필요했나
사람의 유전질환을 일으키는 돌연변이는 대부분 사소하다. 알려진 병원성 변이의 상당수가 한 글자가 바뀐 점돌연변이(point mutation)이고, 나머지는 몇 글자가 끼거나(삽입, insertion) 빠진(결실, deletion) 경우다. 문제는, 이런 작은 오타를 정확히 원하는 글자로 바꿔 쓰는 일이 의외로 어려웠다는 점이다. 그때까지의 두 가지 주요 도구는 각자 분명한 한계를 안고 있었다.
첫째, CRISPR-Cas9는 '자르는' 도구다. Cas9은 표적 DNA의 양쪽 가닥을 모두 끊어 이중가닥절단(double-strand break, DSB)을 낸다 (CRISPR-Cas9란? — 원리 참고). 세포는 이 절단을 급히 꿰매면서 무작위로 글자를 끼우거나 빼버리는데(indel), 이를 이용해 유전자를 망가뜨려 끄는(knock-out) 데는 좋다. 실제로 첫 생체 내 CRISPR 임상인 NTLA-2001도 간에서 TTR 유전자를 잘라 침묵시키는 방식이었다 (생체 내 CRISPR로 ATTR 치료 첫 임상 참고). 그러나 정확한 서열로 고쳐 쓰려면 절단과 함께 주형이 될 공여 DNA (donor DNA)를 넣고 상동재조합복구(homology-directed repair, HDR)에 기대야 하는데, HDR은 분열하는 세포에서만 잘 작동하고 효율이 0.1~5% 수준으로 낮으며, DSB가 남기는 indel·염색체 전위(translocation) 위험을 피할 수 없다.
둘째, 염기교정(base editing)은 '한 글자를 화학적으로 바꾸는' 도구다. 2016년 같은 Liu 연구실이 내놓은 염기교정은 절단 없이 효소로 염기 하나를 직접 변환한다. 첫 생체 내 염기교정 임상이 보여줬듯 '자르기'에서 '한 글자 교정'으로 패러다임을 옮긴 기술이다 (생체 내 염기교정 첫 임상 참고). 그러나 염기교정이 할 수 있는 변환은 전이(transition) 네 가지뿐이다 — 사이토신 교정기(CBE)가 C→T (상보가닥 G→A)를, 아데닌 교정기(ABE)가 A→G (상보가닥 T→C)를 만든다. 나머지 여덟 가지 전환(transversion) — 예컨대 겸상적혈구병의 원인인 T→A 변환 — 은 손대지 못하고, 삽입이나 결실도 만들 수 없다.
정리하면, 정확히 고쳐 쓰되(Cas9·HDR의 한계 극복) 모든 종류의 변이를 다루는(염기교정의 한계 극복) 도구가 비어 있었다. 프라임 에디팅은 바로 그 빈자리를 겨냥했다.
3. 작동 원리 — nCas9 + 역전사효소 + pegRNA가 '검색·교체'하는 법
프라임 에디팅의 발상은 한 문장으로 요약된다 — 편집 정보를 가이드 RNA 안에 직접 담아, 역전사효소(reverse transcriptase)가 그 정보를 DNA로 받아쓰게 한다.
두 부품과 한 가지 특수 가이드.
- 프라임 에디터 단백질 = nCas9 (Cas9 H840A 닉카아제, nickase) + 역전사효소 (M-MLV 유래)의 융합 단백질. 핵심은 'n' — 일반 Cas9이 양쪽 가닥을 다 끊는다면, H840A 닉카아제는 한 가닥에만 흠집(nick)을 낸다. 이중가닥절단이 일어나지 않는다.
- pegRNA (prime editing guide RNA) — 일반 가이드 RNA보다 길고, 세 가지 정보를 한 분자에 담는다. ① 스페이서(spacer) — 표적을 찾는 부분(검색), ② PBS (primer binding site, 프라이머 결합 부위) — 흠집 난 가닥의 끝과 짝을 이뤄 역전사를 시작점으로 삼는 부위, ③ RT 주형(RT template) — 합성될 편집 서열의 설계도. ②와 ③이 pegRNA의 3′ 쪽 꼬리에 붙어, 이 가이드가 단순한 안내자를 넘어 공여 주형의 역할까지 겸하게 만든다.
검색하고 교체하는 다섯 단계.
- 검색·결합. pegRNA의 스페이서가 표적 서열을 찾아 nCas9을 그 자리로 데려간다. 일반 CRISPR와 똑같이 PAM (protospacer adjacent motif) 근처를 인식한다.
- 한 가닥에 흠집. H840A 닉카아제가 편집할 가닥(PAM이 있는 가닥)에 흠집을 낸다 — 절단이 아니라 한쪽 가닥만 끊는다.
- PBS가 흠집 끝에 결합. 흠집으로 생긴 DNA의 3′ 말단이 pegRNA의 PBS와 염기쌍을 이룬다. 이 3′ 말단이 곧 역전사의 프라이머가 된다.
- 역전사효소가 편집 서열을 직접 합성. 역전사효소가 PBS에 이어진 RT 주형을 따라 새 DNA를 흠집 난 가닥 위에 그대로 써 내려간다. 이때 합성되는 서열이 바로 우리가 원하는 편집(점돌연변이·삽입·결실)을 담고 있다. 결과적으로 편집 서열을 가진 3′ 플랩(flap)과, 원래 서열을 가진 5′ 플랩이 같은 자리에 경쟁하듯 생긴다.
- 플랩 해소·복구. 세포의 핵산분해효소가 원래 서열인 5′ 플랩을 잘라내는 쪽이 평형상 유리하고, 편집 서열을 가진 3′ 플랩이 자리를 잡으면 그 정보가 DNA에 통합된다. 마지막으로 반대 가닥의 불일치(mismatch)가 복구되면서 편집이 두 가닥 모두에 확정된다.
핵심을 다시 짚으면, 편집 정보가 외부 공여 DNA가 아니라 pegRNA 안에 들어 있고, 역전사효소가 그 정보를 표적 위치에 직접 받아쓴다. "검색하고 교체한다(search-and-replace)"는 논문 제목 그대로의 동작이다 (Anzalone 2019).
▲ 한 가닥에만 흠집을 내고, 역전사효소가 pegRNA의 편집 서열을 그 자리에 직접 써 넣는다.
PE2 → PE3 → PE3b로의 개량. 초기 버전 PE1 (야생형 역전사효소)은 편집이 검출되긴 했으나 효율이 낮았다. 연구진은 역전사효소에 다섯 군데 변이를 줘 열안정성·진행성·RNA-DNA 결합력을 높인 PE2를 만들어 점돌연변이 효율을 약 5.1배 끌어올렸다. 이어 PE3는 편집되지 않은 반대 가닥에도 흠집을 하나 더 내(두 번째 가이드 RNA 사용) 세포의 복구를 편집 서열 쪽으로 유도해 효율을 더 높였다. 다만 두 흠집이 동시에 나면 의도치 않은 indel이 늘 수 있어, PE3b는 두 번째 흠집이 편집이 이뤄진 뒤에야 생기도록 가이드를 설계해 indel을 크게 줄였다. 이후 연구에서 PEmax (에디터 구조 최적화), epegRNA (pegRNA 3′ 꼬리에 헤어핀을 달아 분해를 막음), twinPE (가이드 두 개로 유전자만 한 큰 서열을 교체) 등으로 계보가 계속 진화했다.
4. 능력 — 무엇을 교정하나
프라임 에디팅의 진짜 강점은 '한 도구로 거의 모든 작은 교정을 한다'는 범용성이다. Anzalone 2019가 사람 세포에서 직접 보여준 것만 정리하면 다음과 같다.
- 12종 점돌연변이 전부. 전이 4종은 물론, 염기교정이 못 하던 전환(transversion) 8종까지 모두 만들었다. 대표적으로 겸상적혈구병의 원인 변이(HBB E6V, A·T → T·A)를 PE3로 약 44% 효율, indel 4.8%로 설치했고, 거꾸로 교정도 26~52% 효율로 해냈다.
- 작은 삽입과 결실. 삽입은 최대 44 bp, 결실은 최대 80 bp까지, 또는 그 조합까지 가능하다. 예컨대 테이-삭스병 모델의 4 bp 삽입을 31% 효율·indel 0.8%로, 그 교정(4 bp 결실)을 PE3b로 33% 효율·indel 0.32%로 만들었다 (Anzalone 2019).
- 두 종류 편집의 조합. 점돌연변이와 삽입/결실을 동시에 넣을 수도 있다.
이중가닥절단을 만들지 않기 때문에 무작위 indel과 염색체 전위 위험이 구조적으로 낮다. 실제로 알려진 Cas9 오프타깃(off-target) 부위들에서 프라임 에디팅의 의도치 않은 편집이 Cas9보다 훨씬 적게 나타났다. pegRNA가 표적과 PBS·RT 주형 세 번 짝을 맞춰야 편집이 진행되므로, 우연히 잘못된 자리에 작동할 확률이 낮은 것으로 해석된다.
5. 비교 — Cas9 vs 염기교정 vs 프라임, 언제 무엇을 쓰나
세 기술은 경쟁한다기보다 상보적이다. 표적 변이의 종류와 위치에 따라 무엇이 최적인지가 갈린다.
| 항목 | CRISPR-Cas9 | 염기교정(base editing) | 프라임 에디팅 |
|---|---|---|---|
| 한 줄 비유 | 자른다 | 한 글자를 바꾼다 | 검색하고 교체한다 |
| 핵심 부품 | Cas9 (양가닥 절단) | nCas9 + 탈아미노효소 | nCas9(닉카아제) + 역전사효소 + pegRNA |
| 이중가닥절단(DSB) | 있음 | 없음 | 없음 |
| 공여 DNA | HDR 시 필요 | 불필요 | 불필요(편집 정보가 pegRNA에) |
| 점돌연변이 | HDR 의존(저효율) | 전이 4종만 | 12종 전부 |
| 삽입·결실 | 무작위 indel(끄기용) | 불가 | 최대 44 bp 삽입·80 bp 결실 |
| 주된 위험 | indel·전위 | 표적 인근 부수 편집·RNA 오프타깃 | 효율·전달·설계 복잡성 |
| 가장 잘 맞는 용도 | 유전자 녹아웃 | C→T·A→G로 고칠 단일 변이 | 염기교정이 못 하는 정밀 교정 |
실용적 판단은 이렇게 정리된다 — 유전자를 꺼야 하면 Cas9, 고칠 자리가 전이 4종 중 하나로 딱 떨어지면 효율이 높은 염기교정, 그 밖의 전환·삽입·결실처럼 염기교정으로 안 되는 정밀 교정이면 프라임 에디팅. 다만 프라임 에디팅은 만능인 대신 초기 효율이 염기교정보다 낮은 경우가 많아, "할 수 있다"와 "가장 효율적이다"가 늘 일치하지는 않는다.
▲ 자르는 Cas9, 한 글자 바꾸는 염기교정, 검색·교체하는 프라임 — 세 도구는 상보적이다.
6. 한계 & 임상 진입 — 솔직하게 읽기
① 효율. 초기 프라임 에디터는 같은 자리를 염기교정으로 고칠 때보다 효율이 낮은 경우가 많았다. PEmax·epegRNA·PE7 (La 단백질 융합) 등 엔지니어링으로 꾸준히 개선됐지만, 표적과 세포 종류에 따라 편차가 크다.
② 전달(delivery). 가장 현실적인 벽이다. 프라임 에디터 유전자는 약 6.3~6.4 kb로, 유전자 치료의 대표 운반체인 AAV (adeno-associated virus)의 적재 한계(약 4.4~5 kb, 역방향 말단반복 ITR 포함)를 넘는다. 그래서 단일 AAV에 들어가지 않는다. 둘로 쪼개 두 개의 AAV에 나눠 싣거나(split-AAV), RNase H 도메인을 떼어내 크기를 줄이거나, PE6a~g처럼 PEmax보다 516~810 bp 작은 컴팩트 에디터를 진화시키는 식으로 대응한다. 비바이러스 전달(지질나노입자 등)이나 세포를 꺼내 편집하는 생체 외(ex vivo) 방식도 우회로다.
③ pegRNA 설계·예측. PBS와 RT 주형의 길이를 표적마다 최적화해야 하고, 편집 효율을 미리 정확히 예측하기 어렵다. 식물에서는 이 불확실성이 더 커, 벼에서는 쓸 만한 효율이 나오지만 토마토·콩 같은 작물에서는 효율이 낮은 경우가 흔하다.
2025년 12월 NEJM에 실린 Phase 1/2 첫 결과는 인상적이었다. 환자 2명에서, 교정된 호중구를 나타내는 DHR 양성률이 투여 30일째 각각 69%와 83%에 도달했다 — 임상적 이득의 최소 기준치(약 20%)를 크게 웃돈 수치다. 앞서 2025년 5월 공개된 첫 환자 데이터에서는 15일째 58%, 30일째 66%였다. PM359에 기인한 임상적으로 유의한 이상반응은 없었고, 관찰된 독성은 사전 처치(부설판 기반 골수 전처치)에서 비롯된 것이었다. 회사 측은 이를 "프라임 에디팅의 안전성·유효성을 사람에서 처음 입증한 것"이라 밝혔다 (Prime Medicine·NEJM 2025).
연구·농업에서도 쓰임이 넓어지고 있다. 작물 육종에서는 PE2max 등으로 벼 최대 약 40%, 밀 약 74.5%, 옥수수 약 21.5%의 편집 효율이 보고되며, 절단·공여 DNA 없이 정밀 형질을 만드는 도구로 자리잡는 중이다.
▲ 12종 점돌연변이와 작은 삽입·결실까지 — 그 능력이 2025년 첫 사람 임상으로 이어졌다.
(개인 의견 — 위 사실 정리와 분리해 적는다.)
프라임 에디팅을 'CRISPR의 더 정교한 버전' 정도로 보는 건 핵심을 놓치는 일이다. 나는 이 기술의 진짜 의미를 유전자 편집이 '자르는 도구'에서 '쓰는 도구'로 넘어간 분기점으로 읽는다. Cas9은 가위였고, 염기교정은 한 글자를 지우개로 고쳐 쓰는 수준이었다면, 프라임 에디팅은 처음으로 유전체에 원하는 문장을 직접 받아쓰는 단계에 들어섰다. 편집 정보를 외부 주형이 아니라 가이드 RNA 안에 담았다는 발상 하나가, 절단과 공여 DNA라는 두 가지 족쇄를 동시에 풀어버린 것이다. 다만 나는 이 기술을 아직 '완성된 만능'이라 부르지 않겠다. 능력의 범용성과 임상적 실용성 사이에는 — 효율과 전달이라는 — 분명한 간극이 있고, PM359가 생체 외 세포치료라는 가장 다루기 쉬운 경로를 택했다는 점이 그 간극을 역설한다. 그럼에도 2019년 Nature 한 편이 2025년 NEJM 환자 데이터로 이어진 6년의 속도, 그리고 절단·녹다운(NTLA) → 한 글자 교정(염기교정) → 검색·교체(프라임)로 이어지는 편집 도구의 계보를 보면, 방향은 분명하다. 유전질환 치료의 다음 장은 '무엇을 끄느냐'가 아니라 '무엇을 정확히 고쳐 쓰느냐'에서 쓰일 것이고, 프라임 에디팅은 그 문장을 쓰는 가장 유력한 펜이다.
References
- Anzalone, A. V., Randolph, P. B., Davis, J. R., Sousa, A. A., Koblan, L. W., Levy, J. M., et al. (2019). Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Nature 576:149-157. doi:10.1038/s41586-019-1711-4 (핵심 논문 — PE1/PE2/PE3/PE3b, 12종 점돌연변이·삽입 44 bp·결실 80 bp)
- Marzec, M., Hensel, G. (2020). Prime Editing: Genome Editing for Rare Genetic Diseases Without Double-Strand Breaks or Donor DNA. Frontiers in Genetics 11:528. doi:10.3389/fgene.2020.00528 (메커니즘 해설 리뷰)
- Doman, J. L., et al. (2023). Phage-assisted evolution and protein engineering yield compact, efficient prime editors. Cell 186:3983-4002. doi:10.1016/j.cell.2023.07.039 (PE6a~g 컴팩트 에디터 — PEmax보다 516~810 bp 작아 AAV 전달)
- Liu, A., et al. (2024). Prime editing: A gene precision editing tool from inception to present. The FASEB Journal 38:e70075. doi:10.1096/fj.202401692R (PEmax·epegRNA·twinPE·PE7 진화 종합)
- Prime Medicine, Inc. (2025.12.7). Prime Medicine Announces New England Journal of Medicine Publication of PM359 Clinical Data for the Treatment of Chronic Granulomatous Disease (news). — Phase 1/2, 환자 2명, 30일 DHR 양성률 69%·83%, 첫 사람 프라임 에디팅 임상.
- Prime Medicine, Inc. (2025.5.19). Breakthrough Clinical Data Showing Rapid Restoration of DHR Positivity After Single Infusion of PM359 (news). — 첫 환자 15일 58%·30일 66% DHR 양성.
- Lin, Q., et al. (2020). Prime genome editing in rice and wheat. Nature Biotechnology 38:582-585. doi:10.1038/s41587-020-0455-x (식물 프라임 에디팅 첫 보고)
- Komor, A. C., et al. (2016). Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage. Nature 533:420-424. doi:10.1038/nature17946 (비교 대상 — 염기교정 원논문)
• (앞 세대) 생체 내 염기교정 첫 임상 — '한 글자 교정' — 프라임 바로 앞의 편집 도구
• (원리) CRISPR-Cas9란? — 절단의 원리 — 모든 편집의 출발점
• (맥락) siRNA 치료제란? — RNA 간섭(RNAi) — 끄는 또 다른 길, 유전자 침묵
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