원핵의 crispr cas 9이 자기 유전자는 절단 안하는 원리는?
안녕하세요. 원핵생물은 바이러스 유전자서열을 자신의 유전자에 넣어두는데요, 원핵의 crispr cas 9이 자기 유전자는 절단 안하는 원리는 무엇인가요?
결론부터 말씀드리면 PAM이라는 짧은 DNA 서열 덕분입니다.
Cas9효소는 가이드 RNA가 표적 DNA에 상보적으로 결합하고, 그 표적 서열 바로 옆에 PAM 서열이 존재할 때만 DNA 절단기능이 활성화됩니다.
그런데, 자신의 유전체 CRISPR 영역에 저장된 스페이서 서열 주변에는 PAM 서열이 없고, Cas9-가이드 RNA 복합체가 자신의 스페이서 서열을 인식하더라도, PAM이 없어 Cas9이 활성화되지 않고 절단이 일어나지 않아 자기 유전체를 절단하지 않는 것입니다.
반면 침입한 바이러스 DNA의 표적 서열에는 PAM 서열이 있습니다.
그래서 Cas9은 PAM를 인식하여 활성화되고, 바이러스 DNA를 정확하게 절단하여 파괴하는 것입니다.
원핵생물이 자신의 유전자를 절단하지 않는 핵심 원리는 PAM 서열의 유무에 있습니다. Cas9 단백질이 DNA를 절단하기 위해서는 가이드 RNA와 결합하는 표적 서열 바로 옆에 PAM이라고 불리는 특정 염기 서열이 반드시 필요합니다. 외부 바이러스의 DNA에는 이 PAM 서열이 존재하여 Cas9이 이를 인식하고 절단할 수 있지만 박테리아가 자신의 유전체 내 CRISPR 좌위에 저장한 바이러스 유전자 조각에는 PAM 서열이 포함되지 않은 상태로 저장되기 때문에 Cas9이 결합하더라도 절단 작용이 일어나지 않아 자가 면역 반응을 피할 수 있습니다.
안녕하세요.
원핵생물에서 CRISPR-Cas9 시스템은 침입한 바이러스의 DNA 조각을 CRISPR 배열에 기록해 두었다가, 이후 같은 바이러스가 들어오면 이를 인식해 절단하는 일종의 획득 면역 시스템입니다. 그런데 자기 자신이 저장해 둔 CRISPR 배열에는 분명 바이러스 유전자 서열 일부가 존재하는데도, Cas9이 이를 가만히 두는 이유는 표적 구별 과정에서 PAM이라는 필수 서열 요소가 결정적 역할을 하기 때문인데요, Cas9 단백질은 target DNA를 절단할 때, gRNA(guide RNA)가 인식하는 표적 서열과 더불어 그 바로 옆에 특정한 짧은 모티프—대개 NGG—가 존재해야만 절단 반응을 시작합니다.
이 PAM은 Cas9이 이 DNA가 내 것이 아니라 외부 침입자임을 판단하는 분자적 스위치와 같은 역할을 하며, CRISPR 배열 내에 저장된 스페이서 서열 옆에는 PAM이 존재하지 않도록 자연적으로 구성되어 있기 때문에 Cas9은 자기 CRISPR 영역을 절대로 표적으로 삼지 못합니다.
즉 Cas9이 DNA를 스캔하는 과정에서는 먼저 PAM을 찾고, PAM이 확인되면 그 주변 서열을 gRNA와 비교하여 상보적으로 결합할 수 있는지를 검사합니다. PAM이 없는 DNA는 이 초기 접촉 단계에서 곧바로 배제되므로, gRNA에 정확히 상보적이더라도 절단 반응은 일어나지 않습니다. 즉, 표적 결정의 1차 필터가 PAM, 2차 필터가 gRNA 상보성으로 이루어져 있으며, 이중 필터링이 자체 유전체의 손상을 방지하는 핵심 보호장치입니다. 감사합니다.