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유전자편집
유전자편집(genome editing) 또는 유전체 편집은 생물의 유전체에서 특정 유전자를 편집하는 방법이다. 특정 염기서열을 인식하여 잘라내는 제한효소의 고유 기능을 응용하여 인공적으로 특정 유전자의 염기서열을 인식할 수 있는 핵산분해효소를 합성한 뒤 이를 사용하여 염기를 더하거나 빼는 방법으로 특정 유전자를 편집하게 된다. 이 과정에서 가장 중요한 도구는 유전자 가위이며 지금까지 크게 ZFN, TALEN, CRISPR 등 세 종류의 유전자가위가 개발되었다.
목차
개요
유전자편집은 유전체 안의 특정한 DNA를 인식해 자르고 교정하는 기술이다. 특정 염기서열을 인지해 해당 부위의 DNA를 절단하는 유전자가위가 대표적이다. 유전병 및 난치질환 치료, 동·식물 품종 개량 등에 활용된다.
유전자를 자르는 물질에 따라 1세대 징크핑거뉴클레이즈, 2세대 탈렌, 3세대 크리스퍼 등으로 구분된다.
유전자 편집 기술은 몸밖에서 편집한 세포를 몸속으로 넣어주는 방식과 몸속에 직접 편집 물질을 넣어주는 방식으로 나뉜다. 미국 바이오회사 크리스퍼테라퓨틱스와 버텍스는 FDA로부터 몸밖에서 크리스퍼로 편집한 세포를 넣어주는 치료제 임상허가를 받았다. 혈액 질환자들의 조혈모 세포를 꺼내 유전자를 편집한 뒤 넣어주는 방식이다.
체내 편집은 이보다 난도가 높다. 몸속으로 들어간 유전자가위가 다른 부위를 자를 가능성이 있기 때문이다. 면역계가 이물질로 인식하는 유전자가위를 질환이 생긴 부위까지 운반하는 것도 문제다. 이번 임상연구를 통해 이런 체내 유전자 편집 기술에 대한 우려가 어느 정도 해소될 것으로 업계에서는 기대했다.
- DNA 분자 내의 특정 유전자를 수정, 추가 또는 삭제하는 기술
- CRISPR-Cas9, TALEN, Zinc Finger Nucleases 등의 도구로 유전자 조작
유전자가위라고도 하는 유전자 편집기술은 현대 생명 과학분야에서 혁신적인 기술 중에 하나이다. 이 기술은 유전자 수정, 추가 또는 삭제하여 질병 치료, 유전자 치료, 농생산물 생산성 향상 등 다양한 분야에 혁신을 가능하게 한다.
유전자편집 기술 원리
1. 크리스퍼(CRISPR) 시스템 선택
- 크리스퍼 단백질과 가이드 RNA로 구성된 시스템 선택
- 유전자의 DNA 서열을 선택된 시스템에 복사
2. 가이드 RNA(gRNA) 디자인
- 가이드 RNA는 유전자를 특정하여 인식하고 Cas9 효소를 해당 위치로 이동시키는 역할
- 가이드 RNA는 수정하려는 목표 지점을 정하게 됨
3. Cas9 효소 활용
- 가이드 RNA가 목표 유전자와 결합하며 Cas9효소가 해당 위치로 이동하여 DNA 절단
4. DNA 수정
- 유전자가 절단되면 세포는 DNA 수리하려고 하며, 이때 유전자 수정이 발생
이중가닥 절단과 수선
유전체 편집에서 뉴클레아제(핵산분해효소) 작용의 핵심은 DNA 이중 가닥 절단·수선 메커니즘에 대한 이해가 필요하다. 이중가닥 절단은 DNA 두 가닥 사이의 약한 수소 결합을 분해하는 특정 효소가 작용하여 일어난다. 일반적으로 이중가닥 절단의 수선에 대해 2가지 경로가 알려져 있다. 상동재조합(Homologous Recombination, HR) 또는 비상동말단연결(Non-homologous end joining, NHEJ)이 그것이다. 상동재조합과 비상동말단연결은 모두 DNA 수선 기작이지만, 그것이 일어나는 시기는 다르다. 비상동말단연결은 주로 G1 시기에 일어나며, 상동재조합은 DNA가 복제되는 S기나 G2기에 일어난다. 대부분의 분화된 세포들은(뉴런등) 복제를 하지 않기 때문에 상동재조합이 일어나기 어렵다.
비상동말단연결 (NHEJ, Non homologous end joining)
비상동말단연결은 마이코박테리아 (mycobacteria)의 이중가닥 절단부에서 50%의 확률로 돌연변이를 유발한다고 할 만큼 오류를 유발하는 수선방식이다. 또한 비상동말단연결의 낮은 정확도는 백혈병에서 변이의 축적과 관련이 있다.[7] 그러므로, 만일 다양한 샘플에서 원하는 유전자에 이중가닥절단을 만들 수 있다면, NHEJ의 부정확성을 통해 그 위치에 쉽게 변이가 만들어질 수 있다.비상동말단연결은 이중가닥 절단의 끝을 직접적으로 연결해주기 위해 다양한 효소를 이용한다. 이중가닥절단이 일어나면 DNA의 이중가닥 절단 말단 부분에 붙는 Ku70/80 이형다량체가 DNA 가닥에 붙게 되고, 이 복합체는 DNA-PKcs를 불러들인다. DNA-PKcs는 자기인산화를 통해 Artemis가 DNA 끝을 가공하는데 유리하게 해준다. 마지막으로 XRCC4/DNA ligase IV 복합체를 이용하여 DNA 양 끝을 라이게이션을 통해 수선이 일어난다.
상동재조합 (HR, Homologous recombination)
반면, 상동재조합의 경우 상동성 있는 서열을 포함한 DNA 공여체가 수선의 주형으로 이용되므로, 관심 있는 유전적 부분에 원하는 변이를 만들어낼 수 있다는 장점을 가진다. 상동재조합의 경우 DNA 이중가닥 절단이 일어나면, PARP1 이 DNA 이중가닥 절단 부위에 붙게되며, MRN 복합체(MRE11, Rad50, Nbs1)를 불러들인다. MRN 복합체는 DNA 이중가닥 말단에 붙게 되고, 이후 인산화 된 CtIP를 불러들인다. 인산화 된 CtIP는 MRE11의 앤도뉴클레아제 부분을 활성화 시킨다. 뿐만아니라 CtIP는 BRCA1, BARD1과 함께 상동재조합 과정의 초기단계를 중재한다. 활성화 된 MRE11는 3' 말단의 짧은 단일가닥 DNA 꼬리를 만들며, EXO1과 DNA2 / BLM은 DNA 절단된 가닥의 광범위한 절단을 통해 긴 ssDNA 가닥을 만들게 되며, 생성된 ssDNA에 RAD51이 붙게 된다. RAD51 필라멘트는 DNA 가닥 사이의 침입을 통해 상동재조합을 유도한다.
메커니즘적으로는 매우 다름에도 불구하고, 상동재조합을 기반으로 하는 유전체 편집은 유전자적중법 (Gene targeting)과 매우 유사한 방식으로 진행된다. 그러나, 재조합의 빈도는 이중가닥절단이 만들어지고 상동재조합 기반의 수선이 일어날 때 1000배가량 높아진다. 왜냐하면, 보다 효율적이고 positive, negative 선별과정을 필요로하지 않기 때문이다.
이러한 것들을 바탕으로 할 때, 유전체 내 특정 위치에 이중가닥절단을 만들면, 세포의 자체적 수선기작을 활용해 원하는 변이를 얻어낼 수 있다.
유전자 가위의 발전
아연집게 핵산분해효소
아연집게 핵산분해효소(Zinc Finger Nuclease, ZFN). 아연을 촉매로 사용하는 핵산분해효소에 기반하여 제작한 제 1세대 유전자가위다. ZFN는 아연집게(Zinc Finger)라는 단백질의 구조를 이용하여 특정 DNA 염기서열을 인식하는 DNA 결합 모듈과 FokI이라는 제한효소를 결합하여 제작한다. 특정 유전자의 염기서열에 효율적으로 결합하기 위하여 DNA 결합 모듈은 아홉 개의 염기를 인식하여야 되는데, 각 아연집게 구조는 세 개의 염기서열을 한꺼번에 인식할 수 있다. 따라서 ZFN에 쓰이는 아연집게 DNA 결합 모듈 제작을 위해서는 아연집게 구조가 세 개 필요하다. 아연집게 조합은 박테리아나 효모에서 이루어지게 되며 원하는 유전자의 염기서열을 인식할 수 있는 조합을 찾아내기 위하여 복잡한 스크린 과정을 거치게 된다. 이렇게 제작된 ZFN은 DNA의 한 가닥에 하나씩 결합하므로, 특정 부위의 유전자를 완전히 잘라내기 위해서는 한 쌍의 ZFN이 필요하다.
탈렌
Transcriptor Activator-Like Effector Nucleases(TALEN). 흔히 탈렌이라고 부르는 제 2세대 유전자가위는 앞에 언급한 FokI 제한효소에 식물의 병원성 미생물인 크산토모나스속 (Xanthomonas)에서 유래한 TALE DNA 결합 모듈을 접합해서 제작한다. TALE DNA 결합 모듈은 세 개의 염기서열을 한꺼번에 인식하는 아연집게와는 다르게 각 모듈이 하나의 염기서열만을 인식하게 되므로 복잡한 과정 없이 TALE DNA 결합 모듈의 합성이 가능하다. 따라서 앞서 언급한 1세대 유전자 가위인 ZFN에 비하여 제작이 간단하고 ZFN이 인식하지 못하는 부분의 DNA 염기서열도 편집이 가능하다. 또한 아홉 개의 염기서열을 인식하여 유전자 편집을 유도하는 ZFN에 비하여 TALEN은 14개 이상의 염기서열을 인식할 수 있으므로 보다 정확한 유전자 편집이 가능하다. 하지만 TALEN 역시 DNA의 한 가닥에 하나씩 결합하므로 특정 부위의 유전자 편집을 위해서는 한 쌍의 TALEN이 필요하다.
크리스퍼 유전자 가위
Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats(CRISPR). 크리스퍼 유전자가위라고 부르는 제 3 세대 유전자 가위는 박테리오파지에 대항하는 세균의 방어체계를 응용하여 개발되었다. CRIPSR의 경우 기존의 유전자 가위와 비교하여 몇 가지 고유한 특징을 가지고 있다. 우선 DNA의 인식을 위하여 단백질이 아닌 안내 RNA(guide RNA, gRNA)라고 통칭되는 RNA를 사용하며 제한효소로 FokI이 아닌 Cas9이나 Cpf1이라는 단백질을 사용한다. DNA 염기서열의 인식을 위하여 RNA를 사용할 경우, RNA의 분자량이 단백질에 비하여 현저하게 작고 실험실에서의 조작도 단백질보다 용이하기에 보다 손쉽게 유전자 편집을 수행할 수 있다. 또한 최대 14 개의 염기 서열에 작용하는 기존의 유전자 가위와는 다르게 CRISPR의 경우, gRNA에 의하여 인식되는 염기 서열을 획기적으로 증가시킬 수 있어서 보다 정밀한 유전자 편집이 가능하다. 또한, CRISPR는 기존의 유전자 가위가 쌍으로 작용하는 것과는 달리 하나의 CRISPR만으로 유전자의 특정 부위 절단 및 재조합이 가능하다.
유전자편집 기술 장점
- 유전질환 치료 : 유전질환의 치료 및 예방
- 농업 및 식량 생산성 개선 : 작물의 유전장 수정을 통해 수확량 증가
- 면역치료 : 면역세포를 강화하여 암세포와 싸울 능력 향상
- 감염 질환 예방 : 모기나 진드기 등 유전자 수정하여 감염 질환 전파 감소
- 환경 보전 : 멸종 위기에 처한 동뮬의 유전적 다양성 복원
유전자편집 기술 단점
- 윤리적 문제 : 인간 유적자 편집은 윤리적 지침과 규제가 필요
- 예상치 못한 결과 : 유전자 편집으로 새로운 질병 발생 가능
- 기술적 제한 : 유전자편집 기술은 현재 복잡한 유전자편집은 어려움
- 생태학적 영향 : 생태계 악영향을 초래할 가능성
유전자 편집 기술은 혁신적이지만 복잡한 윤지적, 기술적, 사회적 문제와 함께 제기되는 단점이 있다. 따라서 유전자편집 기술은 신중하게 연구, 개발되어야 하며, 규제와 윤리적인 지침이 반드시 필요하다.
유전자편집 적용 분야
- 의학 및 유전자 치료 : 유전적 질환 교정, 암 유전자 기반 치료, 신체 내 장기의 이식
- 농업과 식품 생산 : 작물의 저항력 향상, 수확량 증가, 해충 피해 감소 등 농업 생산성 향상
- 환경 보호: 유전자 편집 기술은 환경 문제 해결에도 기여할 수 있다. 예를 들어, 특정 미생물을 유전자 편집하여 오염 물질을 분해하거나 환경에 유해한 화학물질을 처리하는 연구가 진행되고 있다. 이는 생태계를 보호하고, 환경 복원에 도움을 줄 수 있다.
- 유전자 편집 적용 사례
- 유전자 치료제 : 레버 스피너균과 같은 유전적 질환은 유전자 치료를 통해 정상적인 유전자로 수정 가능
- 암 치료 : 종양 억제자 또는 면역 제어 유전자를 조절하여 암세포의 성장을 억제하여 암 치료 효과 향상
- 유전적 성별 수정 : 유전자로 인한 성별 결정을 바꿀 수 있는 가능성 연구
- 말라리아 예방 : 모기 유전자를 수정하여 말라리아에 저항성을 부여, 말라리아 전파를 제어하는 연구
- 줄기 세포 치료 : 환자의 줄기 세포를 수정하여 신경 세포, 심장 세포 등을 생산하거나 치료에 활용
최근 유전자 가위로 난치병인 백혈병을 치료, 조류독감 유전자를 자른 닭 등 다양한 분양에서 유전자 편집기술, 유전자가위를 활용한 연구가 진행 중에 있다.
참고자료
- 〈유전자 편집〉, 《동물학백과》
- 〈유전자 편집〉, 《식물학백과》
- 〈유전자편집〉, 《한경 경제용어사전》
- 〈유전체 편집〉, 《위키백과》
- 부매경, 〈유전자 편집 기술이란? 기술 원리 및 장단점_대표 5가지 사례〉, 《티스토리》, 2023-10-17
같이 보기
