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DNA 유전 코드 자유자재 편집 가능… 유전병 90% 치료 길 열어

기사승인 2019.12.02  15:29:30

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크리스퍼 캐스9(크리스퍼 유전자 가위 기술)은 2012년 등장 이후 생명과학의 판도를 바꿀 신기술로 주목을 받아 이후 다양한 기술로 진화했다. 최근  하버드대 데이비드 리우 교수팀이 크리스퍼보다 편집의 정확도를 더 높인 유전자 가위 프라임을 개발했는데 이를 자세히 알아보자.

   
 

유전자 가위, 손상 DNA 편집해 치료
 크리스퍼 캐스9(CRISPR Cas9)에 대해 알아보기 전 크리스퍼와 유전자 가위에 대한 이해가 선행돼야만 한다, 크리스퍼란 박테리아와 고세균과 같은 원핵생물 유기체의 게놈에서 발견되는 DNA 서열이다. 캐스9은 크리스퍼 서열에 상보적인 DNA의 특정 줄기를 인식하고 절단하기 위한 가이드로서 크리스퍼 서열을 사용하는 효소다. 유전자 가위는 동식물 유전 DNA를 자르는데 사용되는 인공 효소로, 유전자의 잘못된 부분을 제거해 문제를 해결하는 유전자 편집 기술을 말한다. 손상된 DNA를 잘라내고 정상 DNA로 갈아 끼우는 짜깁기 기술이라 할 수 있다.
 크리스퍼 캐스9은 가이드 RNA와 캐스9으로 이뤄진다. 가이드 RNA와 캐스9를 이용해 크리스퍼가 대상 DNA의 염기서열을 잘라낸다. 가이드 RNA는 캐스9과 하나의 복합체를 형성한다. 유전자를 조작하고 싶은 부분에 이 효소를 넣으면 목표한 DNA 서열을 찾아내 캐스9이 DNA를 절단한다.
 세포는 DNA가 절단됐을 때 복구하고자 하는 성질이 있다. 따라서 원래 서열로 복구되면 크리스퍼 캐스9이 작동해 이를 절단한다. 이 과정이 계속 반복되며 복구 오류가 나타나고 원래의 서열과 몇 개의 염기에서 차이를 보이게 된다. 변화가 나타나면 크리스퍼는 작동을 멈추고, 복구 오류로 변화된 서열은 원래의 기능을 잘 하지 못하게 된다. 이런 식으로 절단하고자 하는 유전자를 찾아내 파괴할 수 있다.
 절단뿐만 아니라 원하는 곳에 유전자를 추가할 수도 있다. 크리스퍼 캐스9과 함께 새롭게 추가하고 싶은 DNA 서열을 넣으면 세포가 추가된 DNA 서열을 흡수하게 된다.

크리스퍼 가위 한계 노출
 크리스퍼 캐스9은 원하는 곳의 DNA 두 가닥을 모두 파괴한 뒤 세포의 자체 회복 시스템을 이용해 다시 연결시키는 방법을 사용한다. 따라서 외부 통제가 불가능해 오작동에 취약하다. 엉뚱한 DNA를 잘라내거나 원치 않는 유전자 변형을 일으키는 게 대표적인 예이다. 이 때문에 크리스퍼 캐스9은 기초 연구나 농업 혹은 위험 부담이 적은 제약 분야에 주로 쓰이고 있다.
 정확하게 DNA의 표적 지점을 찾아가 절단하더라도 절단 지점 부근에서 예상하지 못한 변이들이 생겨날 가능성도 새롭게 제기됐다. 유전자 가위가 표적 지점을 정확히 절단한 이후에 세포의 반응으로 DNA를 복구하는 과정에서 염기서열의 변이가 절단 지점 부근에서 무작위적이고 대량으로 일어날 수 있는 것으로 나타났다.

프라임, 유전자 변형문제 해소 전망
 크리스퍼 캐스9으로 교정 시 교정 부위의 효율은 10% 정도며 길이가 다르게 잘렸다가 붙으며 많은 부산물들이 생긴다. 타깃으로 삼지 않은 부분도 변형시키는 문제점도 있었다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 프라임이 등장했다. 프라임은 부산물을 생성하지 않고 원하는 곳에서 한 가지로만 교정한다. 이 과정에서 세포 내 RNA 정보를 이용해 역전사 효소가 DNA를 회복시킨다. 역전사 효소는 외부에서 조절이 가능한 효소다. 또한 프라임은 원하는 대로 특정 염기서열을 제거할 뿐 아니라 그 자리에 다른 염기서열을 끼워 넣을 수 있다.
 프라임은 역전사효소, 캐스9 니카제(Cas9 nickase), pegRNA 등 세 가지 요소로 이뤄져있다. 역전사효소와 캐스9 니카제는 단백질 효소들이다. 역전사효소를 캐스9 니카제의 끝에 붙여 게놈을 교정하기 위해 세포 속에 넣어줘야 할 효소 수를 최소로 줄였다. pegRNA는 캐스9 니카제와 역전사 효소로 이뤄진 효소들을 교정하려는 부위로 안내한다. pegRNA는  효소를 안내하는 장소를 결정한다. 동일 염기서열 끝에는 교정하려는 염기서열을 담고 있는 RNA로 연결돼 있다. 이 부분을 주형으로 사용해 역전사효소가 DNA 염기서열을 합성한다. 합성이 끝나면 원래 있던 염기서열과 새로 만들어진 서열 사이에 상보서열이 깨지는 부위가 생성된다. 이 부위에서 교정이 이뤄지지 않은 DNA가 끊어지며 세포에 내재돼 있는 수선 기계가 작동, 교정된 염기서열을 주형으로 DNA를 합성한다.

프라임, 난치 유전병도 정복 기대
 프라임 기술을 이용하면 유전자 임상적 증상의 원인으로 밝혀진 변이질환들의 약 89%를 고칠 수 있을 것으로 기대된다. 투자자들이나 일반인들의 관심은 이 기술이 유전질환을 치료하는데 사용되는 것이지만 그에 버금가는 중요한 일들도 수행할 수 있다. 하지만 아직 프라임 유전자 가위 기술은 개발 초기이다. 프라임 개발에 성공한 연구팀은 프라임을 이용하면 기존의 유전자 편집 도구로 다룰 수 없었던 유전자 변이 질병을 치료할 수 있을 것이라 주장했다. 기존 유전자 교정과 달리 프라임 교정은 키 몇 개를 눌러 원하는 부분을 찾아 복사했다가 다른 곳에 붙이는 워드 프로세서와 같다고 할 수 있다.

정하은 수습기자 gc5994@daum.net

<저작권자 © 가천대신문 무단전재 및 재배포금지>
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