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2025년 12월 8일, 국제학술지 ‘네이처’는 총 10명의 2025년 과학계 올해의 인물을 선정했다. 명단에는 내로라하는 과학자들과 함께, 선정 당시 고작 16개월밖에 되지 않은 KJ 멀둔이란 아기가 있었다. 세계 최초로 개인 맞춤형 유전자 편집 치료를 받은 아기였다. 맞춤형 유전자 편집 치료가 무엇인지, 태어난 뒤 유전자를 고치는 치료가 어떻게 가능했는지 자세히 살펴봤다.

▲박주현, Nano Banana

▲Children's Hospital of Philadelphia

2024년 8월, KJ 멀둔은 카르바모일인산합성효소-1(CPS-1) 결핍증을 안고 태어났지만, 생후 7개월이 되던 2025년 2월에 개인 맞춤형 유전자 치료를 받고 현재 건강하게 성장하고 있다.

2024년 8월 1일, 미국 펜실베이니아대 병원에서 한 아기가 태어났다. 아기의 이름은 KJ 멀둔. 탄생의 기쁨은 잠시였다. 출생 후 48시간이 지나지 않아 의사들은 멀둔이 너무 많이 자고, 너무 적게 먹는다는 것을 알아챘다. 신생아는 체온 유지에도 어려움을 겪었다. 여러 검사가 진행됐고, 곧바로 멀둔이 카르바모일인산합성효소-1(CPS-1) 결핍증이란 희귀 유전 질환을 앓고 있다는 사실이 밝혀졌다.

CPS-1 결핍증이란 암모니아를 제거하는 효소, CPS-1이 부족해 체내에 암모니아가 쌓이는 희귀 유전 질환이다. 암모니아는 단백질을 분해하는 과정에서 생기는 독성 물질이다. 보통 암모니아는 소변으로 배출되는데, 간에 있는 CPS-1에 돌연변이가 발생해 체내에 암모니아가 쌓이면 간뿐만 아니라 뇌와 같은 주요 장기를 손상시킨다. 태어날 때부터 중증 CPS-1 결핍증을 앓는 아동의 절반은 유아기 초기에 숨진다. 간 이식이 CPS-1 결핍증의 주된 치료법인데 간 이식 수술을 할 수 있을 만큼 자라지 못하는 탓이다. 중증 CPS-1 결핍증은 세계적으로 130만 명 중에 1명꼴로 발생한다.

멀둔에게는 두 개의 돌연변이가 발견됐다. 하나는 아버지에게서, 다른 하나는 어머니에게서 물려받은 변이였다. 아버지로부터 유전된 Q335X와 어머니로부터 유전된 E714X 변이는 둘 다 조기 종결 돌연변이였다. 단백질 합성을 조기에 끊어 기능을 잃게 하는 변이다. Q335X 변이는 1003번째 서열에 사이토신(C)이 아닌 타이민(T) 염기가 배치돼 발생하며, E714X 변이는 2140번째 서열에 구아닌(G)이 아닌 타이민(T) 염기가 존재해 발생한다. 조기 종결 돌연변이가 있으면 유전자 정보가 끝까지 읽히지 않아 완전한 CPS-1 단백질이 만들어지지 않는다. Q335X 변이는 335번째 아미노산에서, E714X 변이는 714번째 아미노산에서 단백질 합성이 중단된다.

펜실베이니아대 병원은 멀둔의 부모에게 필라델피아 아동병원으로의 전원을 권유했다. 그곳은 요소 회로 장애 치료에 풍부한 경험을 갖고 있었고, 새로운 유전자 치료법을 적극적으로 연구하고 있었기 때문이다.

특히 소아과 의사인 레베카 아렌스-니클라스는 유전성 대사 질환 유전자 치료 프론티어 프로그램(GTIMD) 책임자로서, 키란 무수누루 펜실베이니아대 페렐만 의대 교수와 함께, 간 내의 단백질 돌연변이를 교정하는 유전자 편집 치료에 관해 연구하고 있었다. 두 사람은 멀둔의 CPS-1 결핍증만을 목표로 하는 치료법 개발에 착수했다. 동시에 멀둔은 혈액에서 암모니아를 걸러내는 투석 치료를 시작했다.

연구팀은 크리스퍼(CRISPR) 유전자 편집 기술 기반의 베이스 에디팅(Base editing·염기 편집 기술)을 이용해, Q335X 돌연변이를 표적으로 하는 치료법을 개발했다. 크리스퍼는 DNA를 원하는 위치에서 정확하게 자를 수 있게 만든 최초의 범용 기술이다. 일명 ‘유전자 가위’라 불린다. 크리스퍼 시스템은 표적 DNA를 찾을 수 있도록 안내하는 가이드 RNA(gRNA)와, 실제 DNA를 잘라내는 절단 효소로 구성된다. 유전자 편집 연구에서 가장 널리 쓰이는 크리스퍼 시스템에서는 절단 효소로 캐스9을 사용한다. 2012년 크리스퍼 기술이 유전자 편집에 활용될 수 있음을 증명한 에마뉘엘 샤르팡티에 독일 막스플랑크병원체연구소장과 제니퍼 다우드나 미국 버클리 캘리포니아대 교수는 2020년 노벨화학상을 받았다. 

멀둔에게 적용한 베이스 에디팅은 DNA 이중나선을 이루는 두 가닥을 모두 자르지 않고, 망가진 염기 하나만 정확히 정상으로 되돌리는 기술이었다. 미국 하버드대 연구팀이 2016년에 최초로 개발했다. doi: 10.1038/nature17946  

2026년 1월 9일 대전 기초과학연구원(IBS) 유전체교정연구단에서 만난 조성익 KAIST 뇌인지과학과 교수는 이번 멀둔의 사례를 두고, “기술 자체보다는 이미 입증된 기술을 실제 임상에서 단 하나의 환자를 위해 치료제로 개발했다는 것이 혁신”이라 설명했다.

멀둔을 위해 새로 만든 것은 총 3가지다. 우선 멀둔의 유전자 변이에 맞는 gRNA를 설계했다. 그리고 gRNA와 가장 잘 작동하는 염기 교정 효소를 개발했다. 마지막으로는 이를 간세포로 전달하기 위한 지질 나노입자를 만들었다. doi: 10.1056/NEJMoa2504747
연구팀은 멀둔의 Q335X 돌연변이 염기, 타이민(T)을 사이토신(C)으로 되돌리는 편집기를 설계했다. “타이민(T)을 사이토신(C)으로 바꾸기 위해선 다른 가닥에 있는 타이민과 결합하는 염기, 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 바꿔야 합니다. 염기 편집은 특정 방향으로만 가능하거든요. 멀둔 연구팀이 아데닌 염기 편집기(ABE)를 사용한 이유가 여기에 있어요.”

조 교수는 염기 편집이 특정 방향(C→T, A→G)으로만 가능한 이유는 “효소의 특성 때문”이라고 설명했다. 자연계에서 아민기를 떼어내는 탈아민 효소는 존재하지만, 타이민(T)을 사이토신(C)으로 바꾸거나 구아닌(G)을 아데닌(A)으로 바꾸기 위해선 아민기가 붙여지는 반응이 일어나야 하는데, 자연계에서 잘 알려진 바가 없다. 하지만 이중나선의 반대편 염기를 활용할 수는 있다. 타이민(T)을 사이토신(C)으로 바꾸고 싶다면 반대편 아데닌(A)을 구아닌(G)으로 바꾸는 것이다. 그러면 세포의 수선 기작이 두 가닥의 불일치를 감지하고 타이민(T)을 사이토신(C)으로 교정한다.

멀둔에게 있던 돌연변이는 2개였지만 연구팀이 Q335X만을 치료한 이유는 CPS-1 결핍증이 열성 유전 질환이기 때문이다. 1월 13일 서울대에서 만난 배상수 서울대 의과학과 교수는 “열성 유전 질환은 두 개의 대립 유전자 중 하나만 정상으로 돌아와도 임상적으로는 ‘질환이 나타나지 않는 상태’가 된다”고 설명했다. 그렇다면 두 변이 중 Q335X를 목표로 한 이유는 무엇이었을까. 기자의 질문에 배 교수는 “Q335X가 염기 편집으로 ‘타겟’하기에 더 쉬운 서열 조건을 갖고 있었기 때문”이라 답했다. 염기 편집은 DNA 이중나선을 부분적으로 벌린 뒤, 열린 구간에서 화학 반응을 일으키는 방식이기 때문에 염기 변환을 수행하는 탈아민 효소는 ‘점’이 아닌 ‘범위’로 작동한다. 이를 ‘편집 윈도우(window)’라고 부른다. 특정 염기 하나를 목표로 편집기를 설계하더라도, 편집 윈도우 안에 있는 같은 종류의 염기가 모두 바뀔 가능성이 있다. “E714X의 경우 편집 구간 안에 아데닌(A)이 많아 정교한 편집이 어려웠을 가능성이 있습니다.”  

▲WAM

▲Shutterstock

2023년 세계 최초로 승인된 유전자 교정 치료제 ‘카스게비(Casgevy)’. 카스게비는 혈액 질환을 치료하는 약으로 돌연변이 유전자를 직접 표적 삼는 것이 아니라, 돌연변이 유전자의 영향을 상쇄할 수 있는 역할을 하는 다른 유전자를 겨냥한다.

“치료제 개발이 이게 이렇게 빨리도 되는군요.” 조 교수는 멀둔의 출생부터 생후 8개월까지, 치료제 개발 및 치료 과정이 정리된 논문을 보며 감탄했다. 아렌스-니클라스 교수와 무수누루 교수는 생후 1개월이 지나지 않은 멀둔을 대상으로 환자 맞춤 세포주(동일한 형질의 배양 세포) 제작을 시작했다. 환자와 동일한 유전자 변이를 가진 세포를 실험실에서 만들어 계속 배양할 수 있게 한 것이다. 연구팀은 인간 세포주에 멀둔과 동일한 변이(Q335X)를 유전자 편집으로 삽입했다.

이후 해당 세포주를 바탕으로 가장 효율적이고 정확한 염기 편집 방법을 찾기 위한 스크리닝을 진행했다. 스크리닝이란 다양한 ABE와 gRNA를 조합해 효율적이고 정확한 염기 편집이 이뤄지는 최선의 ‘짝’을 찾는 것이다. 멀둔 생후 2개월이 채 지나지 않았을 시기, 연구팀은 최종 염기 편집 조합을 확정했다.

이후 연구팀은 환자 맞춤형 동물 실험을 진행함과 동시에 미국식품의약국(FDA)과 치료제 사용에 관해 논의를 시작했다. 연구팀은 정식으로 승인되지 않은 신약이나 치료법을 임상시험이 아닌 경로로, 단 한 명의 환자에게 예외적으로 사용하도록 허용하는 제도(단일 환자 확대 접근 임상시험계획 승인신청)를 멀둔에게 적용할 수 있을지 FDA와 검토했다. 연구팀은 멀둔 생후 3개월부터 6개월까지 고작 3개월 만에 생쥐와 필리핀원숭이를 대상으로 한 동물실험을 완료했다.

멀둔 출생 약 6개월경, 연구팀은 멀둔을 위해 개발한 치료제가 임상 투여가 가능한 수준임을 증명하는 내용을 담은 임상시험계획 승인신청서를 FDA에 제출했다. FDA는 7일 만에 승인했다. 출생 후 약 6개월 만에 멀둔만을 위한 완전히 새로운 맞춤형 유전자 치료제가 만들어진 것이다. 이로써 멀둔은 생후 208일째인 2025년 2월 25일, 정맥 주사로 치료제를 최초로 투여받았다. 이후 멀둔은 3월과 4월에 농도를 높인 약물을 추가 투여받은 뒤 2025년 8월 14일, 무려 307일간의 입원을 마치고 퇴원했다. 국제학술지 사이언스는 “FDA가 임상시험계획을 승인하며 치료제를 사용을 3번으로 제한했다”고 설명했다. 

“CPS-1이 간질환이 아니었다면 이렇게 빨리 치료제가 만들어지진 못했을 거예요.” 조 교수는 이례적인 속도의 비결 중 하나로 치료제의 목표 장기가 간이라는 점을 꼽았다. “지질 나노입자는 혈액을 통해 전신으로 퍼지지만, 압도적으로 간에 축적됩니다.” 

그 이유는 간이 우리 몸의 ‘청소부’ 역할을 하기 때문이다. 간은 혈액 속을 돌아다니는 외부 물질, 독성 물질, 미세 입자를 가장 먼저 걸러내는 장기다. 그 과정에서 혈액에 투여된 지질 나노입자 역시 자연스럽게 간으로 몰린다. 즉, 간을 표적으로 하는 치료에서는 별도의 정교한 표적 기술이 필요하지 않다는 뜻이다. 반면 뇌, 심장, 근육과 같은 장기는 훨씬 더 복잡한 전달 시스템을 새로 개발해야 했다.

연구팀이 멀둔이 태어나기 2년 전부터 맞춤형 유전자 편집 치료법을 개발해 오고 있었다는 점도 이례적인 속도에 기여했다. 필라델피아 아동병원에 따르면 아렌스-니클라스 교수와 무수누루 교수 연구팀이 유전자 편집 치료법을 위해 살펴본 사례 중 멀둔이 일곱 번째였다. 연구팀은 멀둔이 간 이식 대기자 명단에 오르자마자 유전자 편집 연구 참여를 제안했다.

▲CHLOE DAWSON/Children's Hospital of Philadelphia

레베카 아렌스-니클라스 미국 필라델피아 아동병원 소아과 의사(오른쪽)와 키란 무수누루 펜실베이니아대 페렐만 의대 교수(왼쪽)는 KJ 멀둔을 위한 맞춤형 유전자 교정 치료제를 6개월 만에 개발하는 데 성공했다.

멀둔은 퇴원했지만 연구팀은 “멀둔이 완치된 것은 아니”라고 설명했다. 유전자 치료제를 세 차례 주입한 후 암모니아 조절이 훨씬 좋아지긴 했으나, 그의 간세포 전체가 모두 교정된 것은 아니기 때문이다. 그 이유로 조 교수는 “멀둔이 너무 어린아이였기 때문에 연구팀이 보수적인 치료를 했을 것”이라 설명했다. 

지질 나노입자를 통해 전달된 유전자 편집기가 모든 간세포에 들어가는 것은 불가능하다. 따라서 일부 간세포에서는 여전히 변이된 CPS-1 유전자가 발현되고 있을 가능성이 있다. 이 경우, 임상적으로는 충분히 좋아질 수 있지만, 생물학적으로는 여전히 결함을 가진 세포가 공존하는 상태다. 예를 들어 간세포의 10%가 교정되면, 그 10%는 평생 정상 기능을 수행한다. 두 번째 투여로 20%, 세 번째 투여로 30%가 되면, 그만큼 정상 기능을 하는 세포 비율이 늘어나는 것이다. 

조 교수는 “더 많이 투여하면 계속해 더 많은 세포를 교정할 수 있겠지만, 멀둔의 치료제가 실제 환자에게 쓰인 최초 사례이기 때문에, 얼마나 더 투여해도 안전한지에 대한 데이터가 부족해 조심스러울 것”이라고 덧붙였다. 연구팀은 “멀둔의 치료 효과를 평가하기 위해서는 더 장기간의 추적 관찰이 필요하다”고 강조했다. 

한편 유전자 편집 기술은 소위 말하는 ‘티(T)’자 형으로 범위와 깊이를 더하고 있다. 멀둔의 사례로 대표되는 임상뿐만 아니라 상용화에서도 성과를 냈다. 2023년 11월, 영국 의약품규제당국(MHRA)이 유전자 편집 치료제를 세계 최초로 승인했다. 혈관질환 치료를 위해 만들어진 ‘카스게비(Casgevy)’다. 

카스게비는 크리스퍼-캐스9 유전자 편집 기술로 만들어졌다. 카스게비는 적혈구의 산소 운반을 돕는 분자인 헤모글로빈을 암호화하는 HBB 유전자의 염기 서열에 오류가 생겨 발생하는 질환을 치료한다. 낫적혈구빈혈병이 대표적이다. 카스게비는 돌연변이가 있는 HBB 유전자가 아닌 BCL11A 유전자를 표적 삼아 의도적으로 망가뜨리는데, 이 유전자가 억제하고 있던 태아형 헤모글로빈 생성을 유도해 돌연변이 헤모글로빈의 영향을 상쇄할 수 있기 때문이다. 다만 카스게비는 환자의 조혈모세포를 체외로 꺼내 편집한 뒤 다시 이식하는 방식이다. 배 교수는 “유전자 치료 전략은 이처럼 질환별로 다르다”고 강조했다. 

“유전자 편집 연구에서 또 한 번의 노벨상이 나올 수 있어요.” 배 교수는 2016, 2017년 베이스 에디팅 기술을 개발하고 2019년 프라임 에디팅(Prime editing) 기술을 개발한 데이비드 리우 미국 브로드연구소 교수가 2025년 ‘브레이크스루상 생명과학 부문(Breakthrough Prize)’을 수상했다고 말했다. 브레이크스루상은 매년 기초물리학, 생명과학, 수학 분야에서 인류 발전에 기여한 과학자들에게 수여된다. ‘실리콘밸리 노벨상’이라고도 불린다. “샤르팡티에 소장과 다우드나 교수가 2020년 노벨화학상을 받기 전에 2015년 브레이크스루상을 수상했어요. 그런데 리우 교수에게 다시 브레이크스루상이 주어졌단 건, 베이스 에디팅과 프라임 에디팅을 단순히 크리스퍼 유전자 가위의 하위 개념으로 보는 게 아니라 독자적인 기술로 인정했다는 얘기입니다.” 

“언젠가는 인류가 모든 유전 질환을 정복할 수 있을까요?” 다소 추상적인 기자의 질문에 두 교수 모두 고개를 끄덕였다. “유전자 교정 연구 방향이 유전 질환을 극복하는 방향으로 가고 있다는 것이 중요합니다. 방향성이죠.” 배 교수가 말했다. 조 교수는 “저는 모든 정보가 유전자 안에 담겨 있다고 생각해요. 지금 우리가 알고 있는 유전자 기능은 1%도 안될 거예요. 나머지 99%을 다 알게 되는 날엔 유전 질환은 ‘구시대’의 단어가 될 것”이라 답했다. 

네이처는 멀둔을 ‘선구적인 아기(Trailblazing baby)’라 불렀다. 멀둔이 개척한 길이 어디로 이어질지, 파트2에서는 태어나지 않은 생명에 개입하는 유전자 편집 기술을 살펴본다. 

네이처가 주목한 또 다른 유전자 치료, ‘헌팅턴병 분야의 영웅’

▲Jessica Hallett/Nature

네이처가 선정한 ‘2025년 과학계 10인’에는 멀둔 외에도 ‘유전자 치료’와 관련된 인물이 또 있다. 바로 사라 타브리지 영국 런던대 헌팅턴병 센터 소장(사진)이다. 네이처는 그가 네덜란드 생명공학 기업 유니큐어(uniQure)와 공동으로 개발한 유전자 치료제 AMT-130이 임상시험에서 헌팅턴병의 진행을 근본적으로 늦췄다고 평가했다.

헌팅턴병은 뇌 신경세포에서 헌팅턴 단백질이 비정상적으로 만들어져 선조체 내 신경세포가 손상되는 치명적인 질환이다. 자신의 의지와 상관없이 팔다리나 얼굴 등이 불규칙하게 움직이는 증상이 춤을 추는 듯 비쳐 ‘무도병’으로 불리기도 한다. 전세계 약 7만 5000명의 환자가 헌팅턴병을 앓고 있지만, 근본적인 치료 방법은 그동안 없다고 여겨져 왔다. 그런데 AMT-130을 뇌에 직접 투여하자 독성 단백질의 발현이 줄어들었다. 환자 12명을 대상으로 한 고용량 임상시험에서 병의 진행 속도가 36개월 동안 약 75% 감소했다. 

네이처는 타브리지 소장이 전 세계 헌팅턴병 임상 연구 네트워크를 이끌며, 질병이 나타나기 전부터 헌팅턴병 돌연변이 보유자를 대상으로 한 대규모 연구까지 주도하고 있다는 점을 들어 타브리지 소장을 ‘헌팅턴병 분야의 영웅’이라 표현했다.