미국 듀크대 연구팀, 소외된 크리스퍼 유전자가위 타입 I 으로 기존 기술 단점 보완

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송인하 기자
등록 2019-09-24 13:12:08
수정 2020-09-17 11:49:38

절단효소의 활성화 및 억제화 통해 정확한 DNA 타깃팅 및 절단 가능 … 로코스바이오·콜롬비아대 등 절단정확도 개선 노력

크리스퍼 가위를 이용한 유전자 편집기술은 정확도를 높이기 위해 가위 기능 향상이 요구되고 있다. 현재 기술로는 잘못된 조작으로 인한 기형, 장애, 생태계 파괴 같은 잠재적 위험이 존재한다.

미국 듀크대(Duke University) 생체의학연구원은 크리스퍼 유전자가위 타입 I(Class I CRISPR-Cas3)을 사용한 세포내 후성유전체(epigenome)를 교정(편집)한다는 연구결과를 학술지 ‘네이처 바이오테크(Nature Biotechnology)’에 23일 발표했다. 기존 유전자가위 타입II(CRISPR-Cas9)의 단점을 보완할 수 있는 새로운 기술로 가능성을 보여 주목된다.

크리스퍼 유전자가위(단백질)는 특정 염기서열(PAM, protospacer adjacent motif)을 인식하는 가이드(guide) RNA와 절단효소인 Cas 단백질(nuclease, 제한효소)로 이뤄진다. 과학자들이 세균의 적응면역 체계를 연구하는 과정에서 PAM이 존재해야만 외부에서 침입한 바이러스를 죽이도록 Cas 단백질이 작동한다는 사실을 발견했다. 즉 크리스퍼 가이드 RNA가 몸속에 진입한 바이러스를 찾아내 붙잡으면 Cas9단백질이 이를 잘라내는 역할을 하며 공동 작전을 펼친다는 게 밝혀졌다.

만약 PAM 염기서열 근처가 아닌 아무데서나 Cas 단백질이 작용하면 자기 파괴에 의해 자멸할 수 있지만 PAM의 존재로 특정 부위에서만 크리스퍼 유전자가위가 발현하게 된다. Cas9은 PAM 염기서열이 존재해야만 타깃 DNA 서열에 달라붙어 절단 기능을 할 수 있다. PAM은 세균에 존재하는 외계인 같은 염기서열로 세균의 생물학적 기능에는 영향을 미치지 않으며 세균과 비세균을 구별하는 식별 기호가 된다. 바이러스나 플라스미드에서 유래한 것으로 2~6 염기쌍으로 구성된다.

과거에는 질병치료 등 유전자형질 변환에 필요한 DNA를 어렵게 찾아내서 이를 직접 잘라내는 수 년을 소비했지만 지금은 많은 유전자의 기능이 밝혀져 크리스퍼 가위를 이용하면 표적유전자를 없애거나, 추가하거나, 다른 염기서열로 교체하는 게 불과 며칠 만에 끝날 정도로 간단하고 편리해졌다. 따라서 유전질환 예방 연구에 활발히 사용될 전망이다.

현재 유전자 편집 기술에서 가장 널리 쓰이는 유전자가위 타입 II는 DNA를 절단하는 데 하나의 카스 단백질(Cas9)만을 사용한다. 반면 유전자가위 타입 I은 DNA를 절단하기 위해 다수의 Cas3 단백질을 필요로 하기 때문에 과정이 더 복잡하다. 이같은 여러 단백질 간 네트워크를 약어로 ‘캐스케이드’(Cascade, CRISPR-associated complex or antiviral defense)라고 한다.

듀크대 연구팀은 세포 내 후성유전체 편집을 연구하기 위해 크리스퍼 타입 I을 사용했다. 캐스케이드 복합체에 유전자 활성화인자를 부착해 세포 안의 유전자발현의 정도를 조절했다. 유전자 작동을 중단할 수 있는 캐스케이드에 억제인자를 연결했다.

이번 연구의 리더인 아드리안 올리버(Adrian Oliver, Ph.D.) 박사 후 연구원은 “캐스케이드의 구조가 주목할 만큼 체계적(Modular)”이라며 “세포내 다양한 위치에서 활성인자나 억제인자가 부착할 수 있어 유전자 발현에 획기적인 변화를 줄 수 있는 훌륭한 수단이 될 수 있을 것”이라고 논문에 밝혔다.

현재 크리스퍼 가위 연구의 대다수를 차지하는 타입 II은 유전자를 자르는 범위가 넓거나 타깃 유전자를 적중시키지 못해 자칫 필요한 유전자까지 날려 보낼 수 있는 게 단점이다. 반면 타입 I은 메카니즘이 타입 II보다 다소 복잡하지만 크리스퍼 가위의 활성과 억제를 유연하게 조절할 수 있는 게 강점이다.

그동안 듀크대 연구팀은 카스9 효소 개선에 주력했다. 지난 4월 크리스퍼 시스템에 사용되는 가이드 RNA에 짧은 꼬리를 더하는 기술로 유전자 절단의 정확도를 개선하는 기술을 창안했다.

타입 I 기술의 잠재성은 바이오제약계에 큰 관심을 불러일으키고 있다. 지난 1월 로커스바이오사이언스(Locus Biosciences)는 존슨앤드존슨(Johnson & Johnson)에 타입 I 기술을 도입키로 했다. 로커스는 이를 바탕으로 항생제 내성을 해결하는 플랫폼을 개발할 계획이다. 이 계약은 로커스에게 8억1800만달러(9760억원)의 가치를 안겨다줄 것으로 평가됐다.

이보다 나은 기술을 개발 중인 것으로 알려진 미국 콜롬비아대학 연구팀은 DNA 절단기술에 관한 언급을 자제했다. 연구팀이 사용하는 트랜스포손(transposon)은 일명 ‘점핑 유전자(jumping gene)’로 절단없이 정확한 위치에 유전체(genome)에 DNA를 삽입하기 위해 설계된 시스템이다.

찰스 게스바크(Charles Gersbach, Ph.D.) 듀크대 바이오의공학과 교수는 “크리스퍼 유전자가위 타입 I 기술이 앞으로 어떻게 사용될지, 무엇을 할 수 있는지 아직 연구 초기 단계”라며 “타입 II의 단점을 보완해 사람의 질병과 위험한 면역반응을 해결하기 위해 구체적인 연구를 진행 중”이라고 밝혔다.

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