유전자가위 CRISPR

유전자가위 CRISPR

유전자 가위란 생물의 유전체를 교정하는 데 사용하는 유전자 교정 기술로 특정 염기 서열을 인지하여 해당 부위의 DNA를 절단하는 제한효소로 DNA를 정교하게 잘라내는 시스템을 말합니다. 인공 제한 효소가 특정 DNA를 절단한 후 수리하는 과정에서 원하는 유전자를 제거하거나 삽입하게 됩니다.

 

1세대 유전자 가위는 징크 핑거 뉴클레아제로 (ZFN；Zinc Finger Nuclease) 징크 핑거와 3~4개의 핵산분해효소인 뉴클레아제가 결합한 것입니다. 제한효소인 Fokl1을 연결하여 DNA를 절단하는 기술로 설계와 제작 과정이 복잡하고 비용이 많이 들어 효율적으로 활용되지는 못했습니다.

 

2세대 유전자 가위인 탈렌(TALEN；Transcription Activator-Like Effector Nuclease)은 징크 핑거의 단점을 보완하기 위해 식물성 병원체인 잔토모나스(Xanthmonas)를 이용하여 개발한 것으로 단일 염기쌍을 인식하는 도메인들을 연결하여 제작의 복잡성이 줄어들어 지금까지도 탈렌을 이용한 연구 및 작물개발에 적용하기 위한 시도가 계속되고 있습니다. 

 

3세대 유전자 가위인 크리스퍼는 교정하고자 하는 DNA를 찾아내는 RNA와 DNA를 잘라내는 제한 효소인 Cas9을 결합하여 만든 것입니다. 게놈 서열에서 특정 부분을 인식하여 DNA 이중 가닥을 절단하는 인공 제한 효소로, 크리스퍼를 이용하여 유전자를 임의로 삭제, 치환, 삽입할 수 있는 유전자 변형 기술입니다. 유전자를 맞춤 제작하기 용이하기 때문에 많은 종류의 세포와 생물 종에서 게놈 편집 및 수정에 활용되고 있습니다.

 

크리스퍼 Cas9은 세균의 적응 면역 시스템에서 유래되었는데, 박테리아는 CRISPR라고 하는 sequence에서 나온 gRNA가 빠르게 바이러스의 genome을 인지하고 상보적으로 결합합니다. Cas9은 gRNA에 붙고 protospacer adjacent motif (PAM) 라는 3개의 nucleotide가 일치하면 그 DNA를 잘라 버립니다. Cas9 protein과 gRNA를 세포 내에서 동시에 발현시켜 활용할 수 있으며, gRNA는 우리가 knock out 시킬 gene과 상보적인 서열을 가지고 있게 디자인합니다. 그렇기 때문에 세포 내에서 발현된 gRNA는 해당 sequence와 상보적인 sequence에 결합하게 되는 원리를 가지고 있습니다. 또한, gRNA에 binding 하는 Cas9 효소 역시 그 부분에만 specific 하게 binding 하게 됩니다.

 

이 과정에서 1세대, 2세대 유전자 가위와 다르게 복잡한 단백질 구조가 없고 오작동에 대한 보호장치가 없어 돌연변이를 일으킬 수 있다는 단점을 가지고 있지만 난치 질병을 고칠 유전자 치료 기술로 기대되고 있습니다.