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기특한잠만보
유전자 편집 기술인 크리스퍼가 실제로 어떻게 DNA를 자르고 붙이는 건가요?
크리스퍼 기술이 유전자 가위라고 불리는 걸 들었는데 정확히 어떤 원리로 작동하는지 궁금합니다. 세균의 면역 체계에서 유래했다는 게 어떤 의미인지, 부작용은 없는지도 알고 싶어요.
그리고 현재 이 기술은 어느 단계까지 왓나요?
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
크리스퍼 기술은 흔히 유전자 가위라고 불리며, 이는 특정 DNA 위치를 정확히 찾아 잘라내도록 설계된 분자 도구인데요, 즉 세균이 바이러스에 대항하기 위해 사용하던 면역 시스템을 인간이 응용한 것입니다.
원래 세균도 바이러스에 감염되는데요, 바이러스가 세균 안으로 DNA를 주입하면 세균은 살아남기 위해 그 바이러스 DNA 일부를 자신의 유전체 안에 저장해 둡니다. 이것이 바로 CRISPR 영역입니다. 그리고 같은 바이러스가 다시 들어오면 세균은 저장된 정보를 바탕으로 RNA를 만들어 바이러스 DNA를 찾아가는데요, 그다음 Cas 단백질이 가위 역할을 하여 해당 DNA를 잘라 바이러스를 무력화합니다. 과학자들은 이 시스템을 이용해 원하는 DNA 서열을 인공적으로 지정할 수 있게 만들었는데요, 즉 가이드 RNA를 설계하면 Cas9 단백질이 그 위치를 찾아가 DNA를 절단하는 것입니다. 과정을 설명드리자면, 먼저 수정하고 싶은 유전자 서열에 맞는 가이드 RNA를 설계한 후, 가이드 RNA는 세포 안에서 Cas9 단백질과 결합합니다. 이후 이 복합체가 DNA를 탐색하다가 일치하는 염기서열을 발견하면 Cas9이 DNA 이중가닥을 절단합니다. 다음으로 세포는 끊어진 DNA를 복구하려고 하는데, 이 과정에서 유전자를 제거하거나 새로운 DNA를 삽입할 수 있습니다.
부작용이나 위험성도 존재하는데요, 오프타깃 문제가 있습니다. 이는 원래 목표가 아닌 비슷한 DNA 서열까지 잘못 절단하는 현상인데요, 만약 중요한 유전자가 우연히 손상되면 암 발생 위험이나 세포 기능 이상이 생길 가능성이 있습니다. 현재 기술 수준은 상당히 발전한 상태인데요, 이미 연구실에서는 동식물 유전자 조작에 널리 사용되고 있고, 일부 유전병 치료에도 실제 적용되기 시작했습니다. 예를 들어 겸상적혈구빈혈증이나 특정 유전성 혈액질환에서는 환자의 세포를 꺼내 크리스퍼로 수정한 뒤 다시 넣는 방식의 치료가 일부 국가에서 승인된 바 있습니다. 감사합니다.
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채택된 답변먼저 말씀하신 대로 이 기술은 원래 세균이 바이러스의 공격에 대항하기 위해 진화시킨 면역 체계에서 유래했습니다.
좀 더 자세히 말씀드리면 세균이 과거 침입했던 바이러스의 DNA를 기억해 뒀다가, 재침입 시 이를 찾아내 잘라버리는 천연 면역 체계에서 유래한 것이죠.
그래서 과학자들이 이를 모방해 길잡이 RNA와 Cas9 단백질로 구성된 인공 유전자 가위를 만들었습니다.
길잡이 RNA가 질병을 일으키는 타깃 DNA를 찾아내면, Cas9 단백질이 그 부위를 정확하게 잘라내고 세포의 복구 능력을 통해 교정하는 방식이죠.
그러나 목표가 아닌 정상 DNA를 잘못 자르는 표적 이탈 효과와 세균 유래 단백질에 대한 인체의 면역 거부 반응이 발생할 수도 있죠.
이 기술은 2023년 말 겸상 적혈구 빈혈증 치료제 카스게비가 최초로 FDA 승인을 받으며 실제 환자 치료가 시작되었습니다. 그리고 현재는 몸 안에 주사를 직접 놓아 치료하는 임상시험이 진행 중이며, DNA를 자르지 않고 글자만 바꾸는 정밀한 기술로 발전하고 있습니다.
안녕하세요, 잠만보님. 이중철 전문가입니다.
우리 인류의 삶을 혁신적으로 바꿀 잠재력을 지닌 유전자 편집 기술에 대해서 질문주셨군요.
크리스퍼는 한마디로 말하면 DNA를 원하는 위치에서 잘라서, 세포의 자연 복구 기능을 이용해 유전자를 끄거나 바꾸는 기술입니다. 다만, 실제로는 진짜 붙이는 칼이 아니라, 잘라 놓은 뒤 세포가 스스로 복구하는 과정을 이용하는 방식이라는 점이 핵심입니다.
1. 어떻게 자르나요?
크리스퍼-Cas9은 가이드 RNA와 Cas9 단백질로 이루어집니다.
가이드 RNA가 목표 DNA 서열을 찾아가면 Cas9이 그 위치의 DNA 두 가닥을 절단하게 됩니다.
이때 중요한 조건이 하나 더 있는데요. Cas9은 아무 데나 자르지 않고 PAM이라는 짧은 표지 서열이 옆에 있어야 작동합니다. 그래서 가이드 RNA가 표적을 찾고, PAM이 맞는지 확인한 뒤, Cas9이 절단을 실행하는 구조랍니다.
2. 그러면, 어떻게 붙이나요?
사실 크리스퍼가 직접 붙이는 것은 아닙니다.
DNA가 잘리면 세포가 이를 복구하는데, 그 방식이 두 가지입니다.
1) NHEJ:
대충 이어 붙이는 복구입니다.
이 과정에서 작은 삽입이나 삭제가 생겨 유전자가 망가지기 쉽습니다.
2) HDR:
비슷한 참고용 DNA를 넣어주면, 그 서열을 따라 더 정교하게 고치는 방식입니다.
즉, 잘라 놓고 세포의 복구 시스템을 이용해 유전자를 꺼버리거나, 원하는 서열로 바꾸는 것입니다.
3. 세균 면역에서 왔다는 뜻은요?
이 기술은 원래 세균이 바이러스에 맞서는 방어 시스템에서 나온 것이랍니다.
세균은 과거에 침입한 바이러스 조각을 CRISPR 구역에 저장해 두었다가, 같은 바이러스가 다시 들어오면 Cas 단백질로 잘라 없애는 기작을 갖고 있거든요. 바로, 과학자들이 이 원리를 인간 세포에 맞게 바꿔서 유전자 편집 도구로 만든 것이기 때문에 그렇습니다. 그래서 세균의 기억 장치와 절단 장치를 빌려온 기술이라고 이해하면 되는 것이지요.
4. 부작용은 있나요?
중요한 내용이지요. 네, 있습니다.
1) 대표적인 문제로는 오프 타겟이라고, 즉 엉뚱한 위치가 잘려버리는 위험성입니다.
DNA는 비슷한 서열이 곳곳에 굉장히 많기 때문에, 가이드 RNA가 완전히 의도한 자리만을 찾지 못할 수도 있습니다.
2) 또 다른 문제로는 절단 뒤 복구 과정에서 큰 결실이나 예상 밖의 재배열이 생길 수도 있다는 점입니다.
실제로 일부 연구에서는 특정 세포에서 유전 물질 손실과 유전체 불안정성이 관찰되어, 암 위험 가능성까지 제기되었습니다. 그래서 최근에는 더 정밀한 가이드 설계와, DNA를 아예 완전히 자르지 않는 '프라임 에디팅' 같은 차세대 기술이 함께 발전하고 있답니다.
5. 그래서 지금 기술은 어느 단계까지 와 있나요?
크리스퍼는 이미 실험실 수준을 넘어 일부 질환에서는 실제 치료제로 쓰이기 시작했습니다.
대표적으로 겸상적혈구병과 베타 지중해빈혈 치료제가 승인되었고, 이는 크리스퍼가 임상적으로 효용이 있다는 강한 증거이기도 합니다.
다만, 당연히 모든 질환에서 바로 쓸 수 있는 단계는 아닙니다. 아직은 체외에서 세포를 꺼내 편집한 뒤 다시 넣는 방식이 주류이고, 몸 안에서 직접 편집하는 in vivo 치료는 더 조심스럽게 발전 중에 있어요. 특히, 생식세포 편집은 다음 세대로 유전될 수 있기 때문에 윤리적인 문제가 있어서 대부분은 엄격히 제한된답니다.
정리하자면,
크리스퍼는 DNA를 가위처럼 자르는 기술이 맞지만, 실제 핵심은 세포의 복구 시스템을 이용해서 유전자를 끄거나 바꾸는 것이구요. 이는 인간이 세균의 면역 시스템을 벤치마킹해서 응용한 기술이며, 이미 일부 질환 치료에는 들어갔지만, 오프 타겟과 예상 밖의 재배열 같은 안전성, 윤리 등의 문제 때문에 아직은 신중하게 쓰는 단계로 이해하시면 된답니다.
※ 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.😉