유전자 가위 #

유전자 가위 개념 #

유전자 가위(Genetic Scissors) 또는 분자 가위(molecular scissors)란 세포 속 유전자의 특정 염기서열을 인식하여 원하는 대로 자르고 편집하는 기술을 뜻 한다. 고장난 유전자는 오려내고 멀쩡한 유전자로 바꿔치기 하는 기술이다.

유전자 가위 필요성과 배경 #

유전자 돌연변이에 의해 발생하는 유전질환의 경우 약물과 수술로는 해결 할 수 없기에 이런 유전질환을 원천적으로 치료하는 방법을 유전자 치료라고 한다. 분자생물학의 비약적 발전으로 유전자 가위를 이용하여 잘못된 유전자 자체를 정상으로 교체해 주는 유전자 교정(gene editing)이 가능해졌다. 기존의 흔히 사용되던 유전자 치료법은 유전자도입이였다. 유전자 도입에 경우 고장난 유전자는 그대로 두고 정상 유전자를 추가하는 방식으로 바이러스를 이용하여 유전자를 전달하는 방식이였다. 그러나 유전자 가위에 경우 문제가 있는 유전자만을 도려내고 새로운 유전자를 전달한다. 따라서 효과와 정확성 면에서 기존 방법을 능가한다.
유전자 가위로는 ZFNs, TALENs, CRISPR-Cas9이 있으며 각각 1세대, 2세대, 3세대라 불린다. 또한 2015년에 개발된 CRISPR-Cpf1은 4세대 유전자 가위라 불린다.

유전자 가위 원리 #

그림 1. 유전자 가위 원리

ZFNs (Zinc Finger Nucleases) #

아연 손가락이라 불리며 DNA에 특정부위에만 결합하는 단백질이다. DNA에 특정부위에만 결합하므로 유전자 가위로써는 훌륭하지만 단백질 하나가 DNA의 극히 일부분만(약 3개)에만 결합하므로 실질적으로 활용하기 힘들다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서 여섯 개의 아연 손가락을 엮어 유전자의 한부분을 너끈히 인식하게 하였다. 여기에 DNA변형을 위해서 세균들이 자신의 유전자에서 바이러스를 잘라내는데 활용하는 효소 중 가장 성능이 우수한 Foki라는 제한효스를 활용하였다.
상가모 바이오사이언스라는 바이오업체는 ZFNs를 상용화하여 HIV, 혈우병, 알츠하이머병 등의 치료에 사용하기 위해 임상시험을 수행하고 있다.

TALENs (Transcriptor Activator-Like Effector Nucleases) #

ZFNs의 경우 설계가 어렵고 생산가격이 비쌌기 때문에 개발 되었다. 탈렌의 경우 구성하고 있는 아미노산이 절단 대상 DNA 시퀀스와 정확히 부합하게 디자인 되어있다. 아미노산을 변경하면 결합 대상 시퀀스도 바뀌므로, 단백질을 맞춤식으로 변형하는 방법이 간단한 장점이 있다. 무려 17개의 DNA 염기를 인식하므로 DNA 조각을 인식하기에는 충분하다. 제한 효소는 동일하게 Foki를 활용한다.
현재 C형간염, 고콜레스테롤혈증, 인슐린민감성 등의 질병 모델링 세포주가 만들어져 있다.

CRISPR-Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) #

세균이 바이러스와 싸우기 위해 사용되는 면역시스템 중 하나인 시퀀스를 활용한다. 크리스퍼 시스템은 특정 염기서열에 결합하는 RNA [gRNA]와 특정 염기서열을 자르는 가위 역할인 Cas9 nuclease 효소로 구성되어 있다. 이 크리스퍼는 세군의 전체 유전체에 규칙적으로 띄엄띄엄 널려 있는 작은 팔린드롬이다. 세균의 유전체 속에 있는 반복된 DNA 시퀀스들은 사이사이에 끼어 있는 시퀀스에 의해 분리되어 있다. 이 시퀀스는 세균을 공격했던 바이러스를 알려주는 가이드 역할을 한다. 이를 활용하여 반복되는 팔린드롬을 제거 하는 식으로 응용이 가능하다. Cas9라는 효소를 활용하여 DNA를 절단한다.
세가지 유전자 가위 중에서 디자인이 가장 쉽고 단순하다. 그러나 단순함은 때론 독이 되어 시스템이 오작동하는 경우 엉뚱한 부분을 절단할 수도 있다.
이 시스템을 활용하여 타로신혈증(tyrosinemia)에 걸린 마우스의 FAH 유전자를 교정하여 질병을 치료한 것이 Nature Biotechnology에 실렸다.

CRISPR-Cpf1 #

크리스퍼 시스템에서 Cas9 대신 CPf1을 활용한다. 상대적으로 엉뚱한 부분에서 확률이 낮고 정확성이 높다고 한다.

Reference #

• Nathalia Holt, HOW DNA SCISSORS CAN PERFORM SURGERY DIRECTLY ON YOUR GENES, July 9, 2014, POPULAR SCIENCE