학문
기억상실은공식인가
크리스퍼 유전자가위는 어떻게 DNA의 원하는 부분만 정확히 자를 수 있나요?
크리스퍼 기술이 유전자를 정밀하게 편집한다고 배우는데, 수십억 개의 염기서열 중에서 어떻게 원하는 특정 부위만 정확히 찾아서 자를 수 있는 건지 그 원리가 궁금합니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 크리스퍼 유전자가위가 원하는 DNA 부위만 찾아 자를 수 있는 핵심 원리는 가이드 RNA가 표적 DNA의 염기서열을 찾아가고, Cas 단백질이 그 위치에서 절단하는 것인데요, 연구자가 자르고 싶은 DNA 부위의 염기서열을 알고 있으면 그 서열과 상보적으로 결합할 수 있는 RNA를 설계합니다. 이 RNA가 Cas9 같은 단백질과 결합하면 일종의 유전자가위가 만들어지며, 세포 안으로 들어간 Cas9-가이드 RNA 복합체는 DNA를 무작정 자르는 것이 아니라 먼저 DNA를 따라 이동하면서 자신이 인식할 수 있는 특정 염기서열을 찾습니다. 목표 지점에 도달하면 가이드 RNA의 염기서열이 DNA의 한쪽 가닥과 상보적인 염기쌍(A-T, G-C)을 형성하는데요, 즉 가이드 RNA와 DNA의 염기서열이 서로 맞아떨어지는지를 이용해 표적을 식별하는 것입니다. 하지만 가이드 RNA와 비슷한 DNA 서열만 있다고 해서 무조건 자르는 것은 아닌데요, 대표적인 Cas9의 경우 표적 DNA 바로 옆에 PAM이라는 짧은 특정 서열이 존재해야 합니다. Cas9은 먼저 PAM을 확인한 다음 그 주변 DNA와 가이드 RNA의 상보성을 검사하며, 이 두 가지 조건이 적절하게 맞아야 Cas9이 DNA를 절단합니다. 따라서 수십억 개의 염기 중에서 어떻게 하나를 찾느냐에 대한 답은 DNA의 염기서열을 일종의 분자 수준의 주소처럼 이용하기 때문이라고 할 수 있고, 가이드 RNA가 표적 서열을 인식하고 Cas 단백질이 그 위치에서 DNA 이중가닥을 절단하는 것입니다.
이때 크리스퍼가 100% 완벽하게 원하는 곳만 자르는 것은 아닙니다. 표적 DNA와 매우 비슷한 다른 염기서열이 존재하면 Cas 단백질이 그곳을 잘못 인식하여 절단하는 오프타깃 효과가 발생할 수 있는데요, 실제 유전자 치료나 연구에서는 가이드 RNA의 서열을 신중하게 설계하고, 예상되는 오프타깃 부위를 분석하여 안전성을 확인합니다. DNA가 잘린 다음에는 세포의 DNA 복구 시스템이 작동하는데요, 이 과정이 실제 유전자 편집을 가능하게 합니다. 세포가 잘린 DNA를 그냥 내버려두는 것이 아니라 스스로 복구하기 때문입니다. 복구 과정에서 작은 염기서열이 추가되거나 삭제되면 특정 유전자의 기능을 망가뜨릴 수 있고, 원하는 DNA 서열을 함께 제공하면 세포가 그것을 이용해 특정 서열을 삽입하도록 유도할 수도 있습니다. 감사합니다.
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채택된 답변크리스퍼 유전자가위는 목표 디엔에이 염기서열과 상보적으로 결합하는 안내 알엔에이를 활용하여 수십억 개의 염기서열 중에서 정확한 위치를 찾아냅니다. 원하는 유전자 정보에 맞추어 합성한 안내 알엔에이가 절단 효소인 카스나인과 결합한 상태로 이동하다가 표적 디엔에이를 발견하면 염기쌍 결합을 형성하여 고정됩니다. 이때 카스나인 단백질이 표적 위치 근처의 특정한 인식 서열을 확인한 뒤 디엔에이 이중가닥을 정확하게 절단하는 방식으로 작동합니다.
안녕하세요, 기억상실은공식인가님. 이중철 전문가입니다.
우선, 크리스퍼 유전자가위가 수십억 개의 염기서열 속에서 원하는 특정 부위만 정확하게 찾아서 자를 수 있는 비결은 길잡이 역할을 하는 가이드 알엔에이(Guide RNA)와 실제 자르는 칼 역할을 하는 절단 효소(Cas9 단백질)가 한 조를 이루어 작동하기 때문이에요. 가이드 알엔에이가 찾고자 하는 유전자 서열과 정확히 상보적으로 결합하고, 동시에 근처의 표적 확인 표식(PAM 서열)을 이중으로 점검함으로써 오차 없이 원하는 DNA 부위만 정밀하게 잘라낸답니다.
■ 가이드 알엔에이의 정밀한 탐색과 상보적 결합 원리는..
인간의 유전체는 약 30억 쌍의 염기서열(A, T, G, C)로 이루어져 있으며, 크리스퍼 유전자가위는 이 수많은 서열 속에서 가이드 알엔에이를 유도탄처럼 활용해요. 연구진은 자르고 싶은 목표 DNA 서열과 정확히 일치하는 약 20개 염기 길이의 가이드 알엔에이를 인공적으로 합성하여 효소와 결합시킵니다. 알엔에이는 아데닌(A)은 티민(T) 또는 우라실(U)과, 구아닌(G)은 시토신(C)과만 결합하는 상보적 결합 성질을 가지는데요. 크리스퍼 복합체는 DNA 가닥을 따라 이동하다가 가이드 알엔에이의 염기서열과 정확히 짝이 맞는 20개의 DNA 염기서열을 발견하면, 마치 자석이 붙듯 그 부위에 강력하게 결합합니다. 20개 염기가 무작위로 일치할 확률은 수조 분의 1에 불과하기 때문에 30억 개의 염기서열 중에서 단 하나뿐인 위치를 오차 없이 찾아낼 수 있는 것이랍니다.
■ PAM 서열을 통한 이중 검증 및 가위 효소의 작동
가이드 알엔에이가 목표 지점을 찾는 것 외에도, 잘못된 위치를 자르지 않도록 막아주는 2차 안전장치가 존재하는데 이것이 바로 팸(PAM) 서열이에요. 크리스퍼 카스나인(Cas9) 효소는 가이드 알엔에이와 짝을 맞추기 전에, 목표 DNA 바로 옆에 팸(PAM, Proto-spacer Adjacent Motif)이라 불리는 2~6개 염기 크기의 특정 표지 서열이 존재하는지 먼저 확인하는데요. 팸 서열이 존재하는 것을 확인한 후에야 비로소 DNA 이중 가닥을 풀어헤치고 가이드 알엔에이와의 결합을 시도합니다. 팸 서열 확인과 가이드 알엔에이의 상보적 결합이라는 이중 검증 절차가 완벽히 충족되면, 카스나인 효소의 두 개의 절단 활성 부위가 작동하여 목표 DNA의 이중 가닥을 정확히 잘라내게 된답니다.
■ 절단 이후의 세포 자가 복구 과정과 유전자 편집의 완성
크리스퍼 유전자가위가 DNA를 잘라낸 이후의 실제 유전자 교정은 세포 자체의 자연스러운 복구 시스템을 통해 완성되는데요. 세포는 끊어진 DNA 가닥을 발견하면 이를 긴급히 이어 붙이려는 자가 복구 메커니즘을 작동시킵니다. 이 복구 과정에서 특정 염기가 빠지거나 추가되면서 교정 대상이었던 병원성 유전자의 기능이 완전히 마비(잘라내기)되기도 합니다. 만약에 잘려진 부위에 정상적인 교정용 DNA 조각을 함께 넣어주면, 세포가 복구 과정에서 해당 조각을 본떠 잘린 자리에 그대로 삽입하게 되지요. 이를 통해 병을 일으키는 변이 유전자를 정상 유전자로 정밀하게 교체(바꿔치기)하는 치료적 유전자 편집이 완결되게 된답니다.
정리하자면,
크리스퍼 유전자가위는 약 20개 염기서열을 정밀하게 탐색하는 가이드 알엔에이의 상보적 결합과 팸(PAM) 서열의 이중 확인을 통해 수십억 개의 염기 중 목표 부위만 정확히 찾아내어 카스나인 효소로 자르고, 세포의 자연 복구 과정을 이용해 유전자를 정밀하게 편집하는 것이랍니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
크리스퍼는 DNA를 무작정 찾는 것이 아니라, 가이드 RNA가 표적 DNA의 염기서열과 상복적으로 결합하면서 원하는 위치를 찾아갑니다. 여기에 Cas9 단백질이 결합해 특정 조건을 만족하는 부위에서 DNA 두가닥을 절단합니다. 다만100% 완벽한 것은 아니어서 비슷한 서열을 잘못 가르는 오프타깃 가능성이 있으며, 이를 줄이기 위한 가이드 설계와 검증 기술도 함께 발전하고 있습니다.