유전자 가위(CRISPR-Cas9)의 역사와 생물학적 기작

어서 오세요~ 힐링 만다린입니다:)

 

오늘은 유전자 가위 "크리스퍼 카스 나인"에 대해 말씀드리려고 합니다. 

 

'가위라면 우리가 아는 그 가위 말하는 건가?'라는 의문을 걸을 수 있을 것 같습니다. 유전자 가위에서 가위는 말 그래도 유전자의 특정 부분을 잘라 편집하는 역할을 합니다. 좀 더 생물학적으로 이야기한다면, 유전자 가위는 유전체를 자르거나 인위적으로 원하는 서열을 삽입하여 동, 식물 세포의 유전자 염기 서열을 편집하는 데 사용되는 핵산 분해효소를 일컫습니다. 만약 질병에 의해 손상받은 DNA가 있다면 그 부분을 잘라 정상 서열로 스위치 시킬 수 있는 데에 적용이 가능할 것입니다. 

 

유전자 가위는 CIRSPR-CAS9 이전부터 과학계에서 연구하던 분야입니다. CRISPR-CAS9는 3세대 유전자 가위 편집 기술이고, 1세대와 2세대가 이미 존재합니다. 1세대 유전자 가위는 징크 핑거 뉴클레이즈로 존스홉킨스 대학의 교수가 개구리의 DNA에 결합된 단백질을 이용하여 유전자를 변형시킬 수 있는 기술을 고안하였습니다. 징크 핑커, 아연 손가락, 는 아연 이온에 의해 구조적으로 안정화되는 DNA 결합 도메인과 DNA 절단 도메인으로 구성되어, 단백질의 특정 염기 서열을 인지하면서 특정 위치를 절단해버립니다. 이때 사용된 제한 효소는 세균들이 바이러스의 침입에 방어하기 위해 자신의 유전자에서 바이러스를 자르는데 이용하며, Hetero dimer(서로 다른 이중가닥)을 형성하였을 때 작용합니다. 1세대 유전자 가위는 이미 상용화되어 치료제로도 임상 시험 중에 있으나 정확도가 낮고, 비용이 비싸다는 단점을 갖고 있습니다. 

 

2세대 유전자 가위 편집 기술은 탈렌으로 1세대 유전자 가위의 DNA 결합 도메인 부분을 ZFN 대신에 TALE 단백질로 대체하여 개발한 기술입니다. 식물 병원 세균 Xanthomonas에서 발견되었으며, 단백질 1개가 1개의 염기를 인식하기 때문에 1세대에 비해 더 정교해졌으나, 크기가 커서 세포 내로 주입하기 어려운 점, 결합 부위가 T 염기로 시작되어야 한다는 점, 메틸화 C에서는 작동을 못한다는 한계를 갖고 있습니다. 

 

그리고 3세대 유전자 가위인 CRISPR/Cas9이 등장하면서 유전자 가위 기술의 본격적인 도약기의 시작을 알렸습니다. 크리스퍼(CRISPR, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)는 박테리아와 고세균과 같은 원핵생물 유기체의 유전자에서 발견된 반복된  DNA 서열이고, Cas 9은 크리스퍼 서열에 상보적인 DNA의 특정 줄기를 인식하고 절단하기 위하여 가이드로서 크리스퍼 서열을 사용하는 효소입니다.

 

 

CRISPR/Cas9 기술은 난치병 혹은 유전병 치료 등에서 미래 의료 분야의 혁신을 일으킬 전망이라며, 2015년 Science지 올해의 혁신기술과 2016년 MIT 테크놀로지 리뷰의 10대 기술에 선정되기도 하였습니다. 

 

CRISPR/CAS9은 RNA로 만들어진 가이드 RNA와 DNA 전달하는 효소인 CAS9으로 구성되어 있으며, 모든 생물에 적용이 가능하고, 수정란 삽입 작업이 크게 어렵지 않습니다. CRISPR/Cas9 기술은 Cas9이라는 특정한 염기서열을 인식하여 유전자를 자를 수 있는 효소가 그 염기서열을 포함하고 있는 single guide RNA (sgRNA)를 인식하여 특정한 DNA를 자를 수 있는 도구입니다. sgRNA를 인식한 Cas9은 특정한 PAM에서 5’으로 3 base pair 떨어진 부분에 달라붙어 DNA의 이중나선의 절단을 일으킵니다. 이렇게 절단된 DNA는 크게 두 가지 기작으로 복구됩니다.

 

절단되는 원리는 다음과 같습니다. 가이드 RNA는 DNA의 이중 나선을 절단하는 효소, 즉 제한효소라고 불리는 Cas9과 하나의 복합체를 형성합니다. 유전자를 조작하고 싶은 부분에 이 효소를 넣으면 목표한 DNA 서열을 찾아내 CAS9이 DNA를 절단하고, 세포는 DNA가 절단되었을 때, 복구하고자 하는 기능을 가지고 있어 원래 서열로 복구가 되면 또다시 CRISPR/CAS9이 작동하여 이를 절단합니다. 이 과정이 계속 반복되면 "복구 오류"가 나타나고, 원래의 서열과 몇 개의 염기에서 차이를 보였을 때, 그 변화를 인지한 크리스퍼는 작동을 멈춥니다. 복구 오류로 변화된 서열은 원래의 기능을 발휘하지 못하게 되고, 절단하고자 하는 유전자를 정확하게 찾아내, 그 서열을 완전히 없애는 것입니다. 이 과정에서 가이드 RNA는 DNA 중에 어떤 부분을 절단할 것인지 안내하는 가이드 역할을 합니다. RNA는 정보를 변환하는 역할을 갖고 있기 때문에 DNA의 서열에 상보적 결합이 가능하고, RNA의 염기서열에 자신과 정확하게 결합하는 DNA 서열을 찾아 붙게 되는 것입니다. 동물의 경우는 수정란에 얇은 관을 찔러 넣어 가이드 RNA와 CAS9을 삽입하지만, 식물의 경우는 세포벽이 있어 세균을 세포 안으로 집어넣는 방법을 사용합니다.

 

이 기술은 절단 뿐만 아니라 원하는 곳에 유전자를 추가할 수도 있습니다. CRISPR-CAS9과 함께 새롭게 추가하고 싶은 DNA 서열을 넣으면, 세포가 절단된 부분을 복구하는 과정에서 추가된 DNA 서열을 흡수하게 되어, 다른 유전자를 붙여 넣은 '편집'이 가능하게 되는 것입니다. 기존 1, 2세대보다 정확도와 효율성이 획기적으로 높은 3세대 유전자 편집 기술은 인공 유전자를 수천 개 이상 삽입하지 않아도 되고, 설계 자체도 어렵지 않으며, 여러 가지의 DNA 서열을 동시에 타깃 할 수 있는 다중화가 용이하다는 큰 장점을 지녔습니다.

 

CRISPR/CAS9 유전자 편집 기술로 난치병 치료가 가능해지는 미래를 기대합니다. 

 

그럼, 오늘 하루도 힐링하세요:)