학문
유전자 편집 기술의 정확도를 평가하는 기준은?
유전자 편집기술은 생물의 유전 정보를 특정 목적에 맞게 변경하는 연구에 활용되고 있습니다.
유전자 편집의 정확도는 어떤 기준으로 평가되며 의도하지 않은 유전적 변화는 어떻게 확인하나요?
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
유전자 편집의 정확도는 목표 위치에서 원하는 변화가 일어난 비율과 의도하지 않은 변이의 발생률로 평가합니다 .이를 온타깃 효율과 오프타깃 효과라고 합니다. 표적 부위는 DNA 염기서열 분석으로 확인하고 예상치 못한 변이는 전장 유전체 분석 등으로 조사합니다.
안녕하세요. 유전자 편집 기술의 정확도는 원하는 DNA 부위가 얼마나 정확하게 바뀌었는지, 의도하지 않은 다른 부위에 변화가 발생하지 않았는지, 그리고 편집 결과가 세포나 생물 전체에서 얼마나 일관되게 나타나는지를 기준으로 평가합니다. 대표적인 유전자 편집 기술인 크리스퍼 카스9은 특정 DNA 염기서열을 인식해 절단하고, 세포가 DNA를 복구하는 과정에서 유전 정보를 바꾸도록 유도합니다. 이때 목표한 위치에 원하는 변화가 발생하는 것을 표적 편집이라고 하며, 목표하지 않은 DNA 부위에 예상치 못한 변화가 생기는 것을 비표적 편집이라고 합니다.
정확도를 평가할 때는 먼저 표적 부위에서 원하는 편집이 얼마나 자주 일어났는지를 확인하는데요, 예를 들어 특정 유전자의 염기 하나를 바꾸려는 실험에서 실제로 그 변화가 발생한 세포의 비율을 측정합니다. 다만 편집된 세포의 비율이 높다고 해서 반드시 정확도가 높은 것은 아닙니다. 목표 부위에서 의도한 변화와 함께 DNA가 크게 삭제되거나 삽입될 수도 있기 때문입니다. 따라서 편집 성공률뿐 아니라 원하지 않는 삽입·삭제, 염기서열의 추가 변화, DNA의 큰 구조적 변형이 발생했는지도 함께 평가해야 합니다. 이때 의도하지 않은 유전적 변화를 확인하는 방법으로는 여러 분자생물학적 분석법이 활용됩니다. 먼저 표적 부위와 유사한 염기서열을 가진 DNA 영역을 조사해 비표적 편집 가능성이 높은 위치를 확인하고, 해당 부위를 증폭해 염기서열을 분석합니다. 이를 통해 DNA가 잘못 절단되거나 염기가 삽입 또는 삭제된 흔적을 찾을 수 있습니다. 더 넓은 범위의 변화를 확인하려면 전체 유전체 염기서열 분석을 활용할 수 있으며, 이를 통해 예상하지 못했던 돌연변이나 큰 규모의 유전적 변화를 탐색할 수 있습니다. 하지만 전체 유전체 분석도 모든 변화를 완벽하게 찾아내는 것은 아니므로, 분석의 깊이와 검출 한계 등을 고려해야 합니다. 감사합니다.
안녕하세요, 궁금증해결을위한님. 이중철 전문가입니다.
먼저, 유전자 편집 기술의 정확도는 목표로 한 디엔에이(DNA) 부위만을 얼마나 정밀하게 교정했는지를 나타내는 온타깃 효율과 엉뚱한 부위가 절단되는 오프타깃 효과의 억제율을 기준으로 평가되며, 의도하지 않은 변화는 차세대 염기서열 분석법을 활용한 전장 유전체 분석과 절단 부위 추적 기술을 통해 검증하고 있답니다.
■ 온타깃 효율과 오프타깃 절단 억제라는 양대 평가 기준
크리스퍼 유전자 가위(CRISPR-Cas9) 같은 유전자 편집 기술의 성능을 평가할 때 가장 먼저 확인하는 잣대는 온타깃(On-target) 효율입니다. 이는 길잡이 역할을 하는 가이드 알엔에이(RNA)가 목표 염기서열에 얼마나 정확하게 결합하여 의도했던 유전자 부위를 성공적으로 잘라내거나 수정했는지를 측정하는 비율인데요. 그러나 표적을 잘 자르는 것만큼이나 중요한 기준이 바로 표적 이외의 유사한 염기서열을 잘못 자르는 오프타깃(Off-target) 부작용을 얼마나 완벽히 차단했는가입니다. 엉뚱한 부위의 유전자가 잘려 나가면 정상적인 유전자가 파괴되거나 암 억제 유전자가 망가져 치명적인 세포 이상을 초래할 수 있기 때문에, 오프타깃 발생 빈도를 0퍼센트에 가깝게 낮추는 것이 정확도 평가의 핵심 지표가 됩니다.
■ 의도치 않은 변이를 포착하는 첨단 차세대 시퀀싱 검증법
과학자들은 이러한 의도하지 않은 유전적 변화를 확인하기 위해 세포 전체의 유전체를 샅샅이 뒤지는 첨단 유전체 분석 기술을 동원합니다. 가장 널리 쓰이는 방법은 차세대 염기서열 분석(NGS)을 기반으로 한 디제브리-시크(Digenome-seq)나 가이드-시크(GUIDE-seq) 같은 기술인데요. 이 기술들은 유전자 가위가 세포 안이나 시험관 내에서 디엔에이를 절단했을 때 생기는 미세한 틈새에 특정 분자 꼬리표를 붙여 표지합니다. 이후 전체 유전체를 초고속으로 해독하여 꼬리표가 붙은 위치를 추적함으로써 표적 부위 외에 잘못 잘린 위치가 어디인지 단 1염기 차이까지 정밀하게 찾아내는데요. 뿐만 아니라 교정된 세포의 전체 디엔에이를 완전히 읽어내는 전장 유전체 시퀀싱(WGS)을 거쳐 대규모 염색체 결실이나 역위 같은 구조적 기형이 일어났는지도 빈틈없이 확인하거든요.
정리하자면,
유전자 편집 기술의 정확도는 표적 유전자를 원하는 대로 교정한 온타깃 효율과 다른 부위의 손상을 막은 오프타깃 억제 비율로 평가되며, 의도치 않은 변이는 절단 부위를 분자 수준에서 표지하고 차세대 염기서열 분석으로 전장 유전체를 꼼꼼히 대조하는 정밀 추적 기술을 통해 철저하게 검증된답니다.
※ 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.😉
유전자 편집의 정확도는 원하는 부위의 수정 성공률을 평가하는 '표적 효율'과 원치 않는 결실 및 변이 없는 상태를 보는 '정밀성'을 기준으로 평가하게 됩니다.
먼저 표적 효율이란 원하고자 하는 특정 DNA 표적 부위가 가이드 RNA와 유전자 가위에 의해 얼마나 효율적으로 절단되고 원하는 대로 수정되었는지를 측정하는 것입니다.
그리고 정밀성이란 의도한 위치에 정확히 원하는 염기 변화가 일어났는지 평가하는데, 이 과정에서 원치 않는 크고 작은 결실이나 염색체 구조 변이가 발생하지 않았는지가 중요한 기준이 됩니다.
그리고 의도하지 않은 유전적 변화, 즉 오프타겟 효과는 전장 유전체 분석 및 시퀀싱 기법들이 활용됩니다.
세포 전반에서 비표적 절단 위치를 실험적으로 탐색하는 디지놈 및 가이드 시퀀싱도 있지만, 오프타겟 위험이 높은 유사 서열 부위를 사전에 선별해 확인하기도 하고, 선별된 부위의 실제 변이 발생 빈도를 정밀 측정한 후 검증하는 표적 심층 시퀀싱(NGS), 편집 세포 전체 유전체를 대조군과 비교해 구조적 이상을 종합적으로 스크리닝하는 전장 유전체 시퀀싱(WGS)이 활용됩니다.