크리스퍼 유전자 가위는 DNA 절단 후 어떻게 원하는 유전정보를 넣나요?

Question

크리스퍼 유전자 가위가 DNA를 절단하는 것까진 알겠는데, 어떻게 끊긴 DNA에 원하는 유전정보를 넣어서 연결시키는지 모르겠어요ㅠㅠㅠㅠ

Answer 1

결론부터 말씀드리면 DNA 복구 메커니즘 중 하나인 상동 재조합 복구(Homology-Directed Repair, HDR)를 이용하는 것입니다.

크리스퍼-Cas9 시스템은 가이드 RNA(sgRNA)의 안내에 따라 표적 DNA 부위를 정확히 인식하고 Cas9 효소가 해당 위치에서 DNA 이중 가닥을 절단합니다. 그리고 절단된 부위에 삽입하고자 하는 원하는 유전자 서열을 포함하고, 그 서열의 양쪽 끝에는 절단 부위 주변과 동일한 염기 서열(상동성 팔, Homology Arms)을 가진 주형 DNA(Donor DNA)를 세포에 전달합니다.

그리고 세포는 DNA 손상을 인식하고 복구 메커니즘을 활성화하는데, 이 과정에서 상동 재조합 복구(HDR) 기전이 작동합니다.

세포의 복구 시스템은 주형 DNA의 상동성 팔을 절단 부위 주변의 염기 서열과 일치하는 템플릿으로 인식하여 사용하는데, 이 과정에서 주형 DNA에 포함된 원하는 새로운 유전 정보가 절단된 DNA 부위에 정확하게 삽입되거나 교체되는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀하신 대로 CRISPR-Cas9 유전자 가위 기술은 DNA의 특정 위치를 정확하게 절단할 수 있다는 점이 핵심인데요, CRISPR 시스템의 Cas9 단백질은 가위 역할을 합니다. 가이드 RNA가 DNA의 특정 염기서열을 인식하면, Cas9이 그 자리를 이중 가닥으로 절단하며 이렇게 되면 DNA는 손상된 상태가 되어, 세포는 본능적으로 이 손상을 복구하려는 과정을 시작합니다. DNA가 끊어졌을 때 세포는 두 가지 주요 복구 방법 중 하나를 사용합니다. 비상동말단결합은 세포가 빠르게 DNA를 이어붙이는 방식인데요 하지만 정확하지 않아 염기 손실이나 삽입이 일어나서, 유전자가 망가지는 경우가 많습니다. 따라서 유전자를 파괴할 때 주로 사용됩니다. 다음으로 상동 재조합 복구는 세포가 정상적인 복구용 DNA 서열을 참고해서 손상 부위를 복원합니다. 이때 과학자는 원하는 유전자 서열을 포함한 DNA 조각을 함께 세포 안에 넣어줍니다. 세포는 이게 원래 DNA였겠지? 하고 착각하여, 그 주형 DNA를 이용해 절단 부위를 복원하며 그 결과, 원하는 유전정보가 정확하게 삽입됩니다.

예를 들어 설명하자면, Cas9 + gRNA를 세포 안으로 주입해 특정 위치를 절단시킵니다. 동시에, 절단 부위 양쪽과 비슷한 염기서열인 상동 서열을 양 끝에 붙인 인공 DNA 조각을 함께 넣습니다. 이후 세포는 손상 복구 과정(HDR) 중에 이 인공 DNA를 참고 서열로 인식하고 그 내용을 자신의 DNA에 붙입니다. 이 과정을 통해 특정 단백질 유전자를 추가하거나, 유전병을 일으키는 돌연변이를 정상 서열로 바꾸는 식의 정밀 편집이 가능한 것입니다. 감사합니다.

Answer 3

크리스퍼 유전자 가위가 DNA를 절단하면, 세포는 기본적으로 두 가지 DNA 복구 메커니즘을 이용하는데, 원하는 유전정보를 넣는 방식은 주로 상동 재조합 복구(Homology Directed Repair, HDR)를 이용합니다. 절단된 DNA 부위와 동일하거나 유사한 서열을 가진 교정용 DNA 주형을 함께 주입하면, 세포가 이 주형을 바탕으로 끊어진 DNA를 복구하는 과정에서 원하는 유전정보가 삽입되어 연결됩니다. 반면, 단순히 절단 부위를 이어 붙이는 비상동 말단 접합(Nonhomologous End Joining, NHEJ) 방식은 염기가 삽입되거나 소실되어 유전자를 무력화시키는 데 사용됩니다.