학문
훤칠한나방40
박테리아의 면역 체계를 응용하여 유전자를 원하는 대로 정확하게 잘라내고 수정할 수 있는 크리스퍼(CRISPR-Cas9) 유전자가위 기술의 위대함은 무엇인가요?
2020년 여성 과학자 제니퍼 다우드나와 에마뉘엘 샤르팡티에가 공동 수상하며 유전병 치료와 농작물 개량의 역사를 완전히 뒤바꾼 혁명적인 유전자 편집 기술의 메커니즘이 무엇인가요?
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요, 훤칠한나방40님. 이중철 전문가입니다.
먼저, 크리스퍼(CRISPR-Cas9) 유전자 가위 기술의 위대함은 복잡한 단백질을 매번 새로 설계해야 했던 이전 세대 기술의 한계를 넘어, 짧은 가이드 RNA 서열만 바꾸어주면 원하는 DNA 위치를 컴퓨터 문서의 단어를 찾아서 수정하듯 정확하고 손쉽게 편집할 수 있는 혁신적인 범용성을 확립했다는 점에 있습니다.
박테리아가 바이러스 침입에 맞서 발달시킨 적응 면역 체계를 분자생물학적 편집 도구로 전환한 이 메커니즘은 유전병 치료제 개발과 식량 안보를 위한 작물 개량의 시간과 비용을 획기적으로 줄이며 생명과학의 패러다임을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았답니다.
■ 박테리아의 면역 체계에서 착안한 자연의 지혜
자연계에서 박테리아는 자신을 공격하는 바이러스(박테리오파지)의 침입에 대항하는 독특한 면역 기록 시스템을 가지고 있습니다. 바이러스가 침입했을 때 그 바이러스의 DNA 조각을 잘라내어 자신의 유전체 속 특정 부위(크리스퍼 좌위)에 엽서처럼 차곡차곡 보관해 두는데요.
이후 동일한 바이러스가 다시 침입하면, 보관해 둔 바이러스 DNA 정보를 바탕으로 침입자를 식별할 수 있는 가이드 RNA를 만들어냅니다. 이 가이드 RNA가 침입한 바이러스의 유전 물질과 결합하여 표적을 정확히 지목하면, 복합체를 이루고 있던 절단 효소인 Cas9 단백질이 바이러스의 DNA 가닥을 끊어 증식을 원천 차단합니다. 제니퍼 다우드나와 에마뉘엘 샤르팡티에 교수는 이 자연계의 정교한 방어 원리를 인공적인 유전자 교정 도구로 재설계하는 데 성공했습니다.
■ 크리스퍼 유전자가위의 3단계 작동 메커니즘
크리스퍼 유전자가위는 길잡이 역할을 하는 가이드 RNA(gRNA)와 분자 가위 역할을 하는 Cas9 단백질 효소가 한 팀을 이루어 작동합니다.
첫째, 표적 탐색과 PAM 서열 인식입니다.
Cas9 단백질이 세포 핵 내부의 긴 DNA 이중 나선을 훑고 지나가다가, 표적 바로 옆에 위치한 PAM(Protospacer Adjacent Motif)이라는 짧은 특정 염기 서열(주로 NGG)을 먼저 인식하여 결합합니다.
둘째, 상보적 결합과 정밀 절단입니다.
PAM 서열을 확인한 Cas9은 DNA 이중 가닥을 살짝 풀고, 가이드 RNA의 20개 염기서열이 표적 DNA와 일치하는지 대조합니다. 염기 서열이 완벽하게 결합하면 Cas9 내부의 절단 활성 부위가 가동되어 표적 부위의 DNA 양쪽 가닥을 모두 잘라내는 이중 가닥 절단(DSB)을 일으킵니다.
셋째, 세포 자체 복구 시스템을 이용한 유전자 교정입니다.
DNA가 잘려 나가면 세포는 스스로 손상을 치유하려는 복구 기전을 가동하거든요. 이때 절단된 부위를 단순히 다시 이어 붙이는 과정에서 염기가 소실되거나 추가되어 질병을 유발하는 고장 난 유전자를 비활성화(Knock-out)시킬 수 있습니다. 또한 정상 유전자 조각을 주형으로 함께 넣어주면 손상 부위가 복구되면서 원하는 정상 서열이 정확히 삽입(Knock-in)되어 유전 질환의 근본적인 원인을 교정하게 됩니다.
■ 이전 세대 유전자가위와의 차별성과 압도적인 파급력
1세대 징크핑거(ZFN)나 2세대 탈렌(TALEN) 유전자가위는 원하는 DNA 서열을 인식시키기 위해 수백 개의 아미노산으로 이루어진 단백질 자체를 표적마다 매번 새로 디자인하고 합성해야 했습니다. 이 과정에 수개월의 시간과 막대한 비용이 소모되었으며 제작 난도 또한 매우 높았습니다. 하지만 크리스퍼-Cas9은 절단 효소인 Cas9 단백질을 그대로 유지한 채, 표적과 짝을 이룰 약 20개의 가이드 RNA 염기서열만 실험실에서 간단히 제작해 교체하면 되기 때문에 며칠 만에 저렴한 비용으로 맞춤형 가위를 제작할 수 있습니다. 더욱이 여러 종류의 가이드 RNA를 한꺼번에 투입하면 서로 다른 여러 유전자를 동시에 교정할 수 있는 다중 편집까지 가능합니다. 이러한 간편성과 정밀성 덕분에 난치성 유전 질환 치료제가 실제로 승인되어 환자들에게 투여되고 있으며, 가뭄이나 병충해를 이겨내는 고부가가치 농작물 개량도 신속하게 이루어지고 있습니다.
정리하자면,
크리스퍼-Cas9 기술은 박테리아가 바이러스 DNA를 기억해 잘라내던 천연 면역 원리를 바탕으로, 20개의 염기로 된 가이드 RNA가 표적 위치를 찾아내고 Cas9 단백질이 해당 DNA를 정밀하게 절단하여 세포 스스로 복구하도록 유도하는 기술입니다. 복잡한 단백질 조작 없이 짧은 RNA 서열만 바꾸면 어떤 유전자든 신속하고 정확하게 편집할 수 있는 혁신적인 범용성을 가졌기에, 인류의 난치병 치료와 생명공학 발전에 영구적인 이정표를 세운 위대한 기술로 평가받고 있는 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.😉
채택된 답변안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
크리스퍼 유전자가위는 세균이 바이러스를 방어하는 면역체계에서 유래 한 기술입니다. 가이드 RNA가 목표 DNA 서열을 찾아가면 Cas9 효소가 해당 부위를 절단하고, 세포의 DNA 복구 과정을 이용해 유전자를 제거하거나 수정합니다. 기존 기술보다 설계가 쉽고 비용이 낮아 유전병 치료와 작물 개량에 혁신을 가져왔습니다.
크리스퍼(CRISPR-Cas9) 유전자가위는 박테리아가 바이러스 침입에 대응하기 위해 발달시킨 면역 체계를 응용한 기술입니다.
그리고 핵심 구성 요소는 목표 DNA 서열을 찾아가는 가이드 RNA(내비게이션)와 해당 부위를 끊어내는 Cas9 효소 이 두 가지입니다.
가이드 RNA가 수억 개의 염기서열 중 원하는 위치를 찾아 달라붙으면, Cas9 단백질이 해당 DNA 이중나선을 정확하게 절단하고, 이후 세포의 자연적인 복구 기작을 이용해 병원성 유전자를 무력화하거나, 정상 유전자를 삽입하여 결함을 교정하는 방식입니다.
무엇보다 기존 유전자 편집 기술에 비해 비용이 저렴하고, 제작이 단순하며, 압도적인 정밀도와 빠른 작업 속도가 이 기술의 가장 큰 위대한 점이죠.
그리고 이러한 혁신성을 인정받아 2020년 제니퍼 다우드나와 에마뉘엘 샤르팡티에 교수가 노벨 화학상을 공동 수상한 것이기도 합니다.
현재 이 기술은 겸상 적혈구 빈혈증 등 난치성 유전병 치료에서 실용화 단계에 접어들었으며, 또한 가뭄과 병충해에 강한 기후변화 대응 맞춤형 농작물 및 축산 품종 개발에도 활발히 활용되고 있습니다.