학문
엄격한비단벌레5
유전자 가위 기술에 대해 설명 부탁요.
유전자 가위 기술은 긴 DNA에서 원하는 부분을 찾아 잘라낼 수 있다고 들었습니다. 비슷한 염기서열이 많을 텐데도 특정 위치를 겨냥할 수 있다는 점이 신기한데요. 크리스퍼 유전자 가위 기술은 어떤 원리로 이러한 것이 가능한가요? 그리고 현재 관련한 기업이 있다면 알려주시면 대단히 감사하겠습니다.
2개의 답변이 있어요!
안녕하세요, 엄격한비단벌레5님. 이중철 전문가입니다.
먼저, 크리스퍼 유전자 가위는 길고 복잡한 유전체 속에서 길잡이 역할을 하는 가이드 RNA의 상보적 결합과 고속 탐색 표진판인 팸 서열을 활용해 특정 유전자만을 오차 없이 찾아내어 절단하는 첨단 생명공학 기술이며, 현재 글로벌 제약사와 전문 바이오 기업들이 이를 활용해 난치성 유전 질환 치료제와 농작물 품종 개량 분야에서 활발히 상용화를 이끌고 있답니다.
■ 가이드 RNA와 팸 서열이 만드는 정밀한 표적 탐색 원리
인간 세포 하나에는 약 30억 상에 달하는 방대한 DNA 염기서열이 존재하는데요. 이 거대한 유전 정보 속에서 질병을 유발하는 단 하나의 유전자 위치를 정확히 짚어낼 수 있는 비밀은 세균의 면역 체계에서 유래한 유전자 가위의 두 가지 핵심 부품에 있습니다.
첫 번째 부품은 표적을 식별하는 네비게이션인 가이드 RNA인데요.
연구자가 편집하고 싶은 약 20개의 염기서열에 맞추어 제작되며, 아데닌은 티민과 결합하고 구아닌은 시토신과 결합한다는 상보적 결합 원리를 이용해 목표 DNA 지점과 지퍼처럼 딱 들어맞게 결합합니다.
두 번째 핵심 장치는 카스9 단백질이 인식하는 팸(PAM)이라는 아주 짧은 2~6개짜리 특수 염기 신호인데요.
30억 쌍의 염기를 일일이 다 풀어서 대조해보면 시간이 너무 오래 걸리기 때문에, 카스9 단백질은 DNA 위를 고속으로 미끄러지듯 훑어가며 팸 서열이 있는 위치만 먼저 빠르게 건져냅니다. 팸 신호를 발견한 순간에만 DNA 이중가닥을 살짝 열어 가이드 RNA와 염기가 일치하는지 최종 대조하므로, 비슷한 서열이 수없이 많은 환경에서도 엉뚱한 곳을 자르지 않고 표적을 정확히 낚아챌 수 있습니다.
■ 카스9 단백질의 이중가닥 절단과 세포 자체의 DNA 복구 메커니즘
가이드 RNA가 목표 유전자에 완벽하게 결합하면, 유전자 가위의 본체인 카스9 단백질이 작동하여 DNA 이중나선을 깔끔하게 잘라냅니다. 카스9 내부에는 두 개의 절단 도메인이 탑재되어 있어 DNA의 양쪽 가닥을 각각 절단하는데요. 놀랍게도 유전자 교정의 진정한 완성은 가위질 자체가 아니라, 잘려 나간 DNA를 고치려는 세포의 자체 복구 시스템에서 일어납니다. DNA가 끊어지면 세포는 비상사태로 인식하고 부러진 가닥을 서둘러 이어 붙이는 비상동 말단 연결 복구를 시작하는데요. 이 서툰 복구 과정에서 몇 개의 염기가 빠지거나 엉뚱한 염기가 끼어드는 오류가 발생하며, 이로 인해 질병을 일으키던 유전자의 기능이 완전히 망가져 멈추는 유전자 결손(녹아웃)이 완성됩니다. 만약 망가뜨리는 것에 그치지 않고 새로운 정상 유전자를 넣고 싶다면, 잘라낸 부위에 교체용 정상 DNA 주형을 함께 넣어주어 상동 재조합 방식으로 결함을 말끔히 수리할 수도 있습니다.
■ 난치병 치료제를 주도하는 국내외 핵심 바이오 기업 현황
현재 크리스퍼 기술은 단순한 연구실 실험을 넘어 실제 환자를 치료하는 혁신 신약으로 빠르게 상용화되고 있습니다. 해외에서는 노벨 화학상 수상자인 에마뉘엘 샤르팡티에 교수가 공동 창업한 크리스퍼 테라퓨틱스(CRISPR Therapeutics)가 가장 앞서가고 있는데요. 글로벌 제약사 버텍스와 협력하여 세계 최초의 크리스퍼 치료제인 카스게비(Casgevy)를 개발해 유전성 혈액 질환인 겸상 적혈구 빈혈증과 베타 지중해성 빈혈 치료제로 미국과 유럽 등에서 정식 허가를 받아 실제 투약되고 있습니다. 또한 크리스퍼 원천 특허를 보유한 팡 장 교수 등이 설립한 에디타스 메디신(Editas Medicine)과 제니퍼 다우드나 교수가 이끄는 인텔리아 테라퓨틱스(Intellia Therapeutics), 그리고 단일 염기만을 정밀 교정하는 빔 테라퓨틱스(Beam Therapeutics) 등이 체내에 유전자 가위를 직접 주입하는 간 질환 및 심혈관 질환 치료제를 활발히 임상 중입니다. 국내에서는 크리스퍼 유전자 가위 기술의 초기 선구자인 김진수 교수가 창립한 툴젠(ToolGen)이 대표적인데요. 툴젠은 유전성 신경 질환인 샤르코-마리-투스병 치료제와 안과 질환 치료 파이프라인을 개발하고 있으며, 독자적인 특허 경쟁력을 바탕으로 농작물의 형질을 개선하는 그린 바이오 분야에서도 두각을 나타내고 있습니다.
정리하자면,
크리스퍼 유전자 가위는 팸 서열을 표지판 삼아 고속으로 이동한 뒤 가이드 RNA의 상보적 결합으로 목표 지점을 정확히 찾아내어 카스9 효소로 DNA를 자르고 세포의 복구 능력을 유도하는 원리로 작동하며, 현재 크리스퍼 테라퓨틱스를 필두로 한 글로벌 선도 기업들과 국내의 툴젠 등이 희귀 유전 질환 치료제와 유전자 교정 생명공학 제품을 성공적으로 개발해 나가고 있답니다.
※ 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.😉
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채택된 답변크리스퍼 유전자 가위는 수십억 개의 DNA 염기서열 중 원하는 위치만 정밀하게 절단하는 기술입니다.
이 기술에서 가장 중요한 원리는 DNA를 찾아내는 가이드 RNA와 자르는 Cas9 효소의 분업 방식입니다.
연구자가 표적 DNA와 짝이 맞는 가이드 RNA를 설계하면, 이는 GPS처럼 목적지를 찾아가 가이드 RNA가 수많은 서열 속에서 정확한 짝을 찾아 결합하면, 동행한 Cas9 효소가 해당 위치를 절단하게 되죠.
그럼 절단된 DNA가 세포의 자연 복구 과정에서 수정되면서, 유전자의 기능을 끄거나 교정할 수 있게 됩니다.
글로벌 관련 기업으로는 세계 최초로 유전자 치료제를 상용화한 크리스퍼 테라퓨틱스, 체내 치료제를 개발하는 인텔리아 테라퓨틱스 등이 있고, 국내에서는 툴젠이 가장 대표적인 기업입니다.