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유전자 가위, 노벨 화학상을 가져오다

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【2020년 10월 15일】

과학기술
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2020년 10월 7일 (현지 시간), 스웨덴 카톨린스카 연구소의 노벨위원회는 유전자 가위 크리스퍼-Cas9을 개발하여 유전자 편집 기술을 발전시킨 에마뉘엘 샤르팡티에, 제니퍼 A. 다우드나의 공로를 인정하고 노벨 화학상 수상자로 선정했다. 유전자 가위의 발달로 유전자 편집의 정확도가 높아졌고 유전 질환 치료의 꿈에도 한 층 더 가까워졌다.

크리스퍼 유전자 가위는 최근에 등장한 개념이기 때문에, 인터넷에서 소개된 내용은 이해를 돕기 위해 상당 부분 축약했거나 혹은 전문 용어를 많이 포함하고 있는 등 일반인이 이해하기에는 어려운 정보가 많다. 이에 유전자 가위를 아는 데 필요한 용어와 원리를 쉽게 서술하여 유전자 가위 기술의 아름다움을 보여주고자 한다.

여러 세대를 걸친 유전자 가위

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유전자 가위 기술은 특정 염기를 잘라내는 데 쓰는 효소의 종류에 따라 3세대까지 이어져 왔다.

1세대 유전자 가위는 징크 핑거 뉴클레이즈(ZFNs, Zinc Finger Nucleases)이다. 1980년대 중반 아프리카발톱개구리의 유전자를 연구하면서 발견되었다. 본래 징크 핑거 단백질은 DNA 중 약 3개의 염기만을 인식하기 때문에 유전자를 바꾸기엔 너무 인식량이 적었으며 DNA 인식 능력만 갖춰져 있을 뿐 DNA 절단 능력은 갖추고 있지 않았다. 이에 존스홉킨스대학의 스리니바산 찬드라세가란 교수는 징크 핑거 단백질을 엮고 세균들이 바이러스를 잘라내는 데 사용하는 제한효소 Fokl을 골라 징크 핑거와 결합하여 인식 능력과 절단 능력을 모두 갖춘 징크 핑거 뉴클레이즈를 탄생시켰다.

2세대 유전자 가위는 탈렌(TALENs, Transcriptor Activator-Like Effector Nucleases)이다. 탈렌은 식물성 병원체인 잔토모나스(Xanthomonas)를 활용하였다. 탈렌의 경우 17개의 DNA 염기를 인식하므로 ZFNs보다 인식할 수 있는 염기의 수가 많아졌으며 ZFNs와 마찬가지로 절단 효소로는 Fokl을 사용한다.

올해 노벨 화학상을 가져온 크리스퍼-Cas9(CRISPRs-Cas9, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats-CRISPR-associated 9)은 3세대 유전자 가위이다. 1987년 일본 오사카대학의 소우 이시노 교수는 대장균의 DNA를 연구하던 중 DNA 염기서열이 반복되는 부분이 있다는 것을 발견했지만, 당시에는 이것이 생물학적으로 어떤 작용을 하는지 알지 못했다. 이후 반복되는 염기서열은 세균의 후천 면역을 담당하는 크리스퍼 시스템의 일부라는 것이 알려졌는데, 세균은 침입자의 DNA 일부를 반복되는 염기서열 사이에 기억시켜서, 같은 종류의 침입자가 다시 침투하는 것을 막아냈다. 2011년, 샤르팡티에 교수와 다우드나 교수는 공동연구로 세균의 크리스퍼 시스템을 시험관에서 재현하는 데 성공하면서 크리스퍼 시스템을 유전자 가위로 사용할 수 있다는 것을 세상에 알렸다.

크리스퍼 시스템의 구조와 작동 원리

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회문 구조를 지닌 DNA가 십자형 구조로 상보적 결합을 하는 모습
크리스퍼 시스템의 구조와 작동 원리
gRNA의 모습. tracrRNA와 crRNA가 상보적 결합을 하는 대신 crRNA의 말단에 tracrRNA를 연결시켰다.

크리스퍼 시스템의 구조는 tracrRNA, Cas9 단백질, 스페이서와 반복 서열 부분으로 이루어져 있다.

반복되는 염기서열을 먼저 살펴보면, 사이 사이에 특정 염기서열(스페이서)이 끼어 있는 채로 반복 부분이 나뉘어 있다. 이 스페이서는 침입자의 DNA 염기서열 중 일부인데, 세균 내에 침입자가 들어올 때 세균이 침입자의 DNA 염기서열 일부를 잘라낸 것이다. 만약 새로운 침입자가 세균에 들어온다면, 새로운 침입자의 염기서열 일부를 자르고 반복되는 염기서열 맨 끝에 첨가하여 새로운 스페이서를 만든다.

또한, 반복되는 염기서열은 회문 구조로 이루어져 있는데, 회문 구조란 DNA에서 염기서열을 앞으로 읽어도, 뒤로 읽어도 상보적으로 일치하는 구조를 말한다. 예로 들어, 5'-GTTATAAC-3'이 있다면 5 프라임에서 3 프라임 방향으로 읽은 GTTA와, 3 프라임에서 5 프라임 방향으로 읽은 CAAT가 서로 회문 구조를 이룬다고 볼 수 있다. 회문 구조의 특성으로, 단일 가닥 내에서 상보적 결합이 일어난다면 머리핀 구조를 형성하고, 두 가닥 모두 상보적 결합이 일어나면 십자형 구조를 이루게 된다.

ZFNs나 탈렌은 절단 효소로 Fokl을 사용했지만 크리스퍼는 Cas9이라는 효소를 사용한다. Cas9 변이체는 여러 종류가 발표됐는데 그 중 현재 가장 널리 쓰이는 효소는 화농성연쇄상구균(Streptococcus pyogenes)에서 유래한 SpCas9이다. Cas9 외에도 Cpf1(또는 Cas12a) 단백질에 관한 연구도 이루어지고 있다.

크리스퍼 시스템은 사용하는 절단 효소에 따라 6가지의 종류로 나눌 수 있는데, 이 중 유전자 가위로 가장 많이 사용되는 것은 Cas9을 사용하는 Type II CRISPR 시스템이다. Type II CRISPR가 DNA를 자르려면 Cas9 단백질과 리보뉴클레이스 III(RNase III), 두 종류의 RNA가 필요하다.

두 종류의 RNA중 하나는 크리스퍼 RNA (crRNA)이다. 처음에는 트레이서를 포함한 반복되는 염기서열 전체가 Pre-crRNA로 전사되어 한 줄로 길게 늘어선다. 그다음, Pre-crRNA를 crRNA로 짧게 자르는데 RNase III가 관여하면서, 하나의 crRNA에는 트레이서 하나와 반복되는 염기서열 하나가 존재하게 된다. 다른 RNA인 tracrRNA (trans-activating CRISPR RNA)는 샤르팡티에 교수가 처음 발견한 RNA로, crRNA의 일부 염기서열과 상보적으로 결합한다. tracrRNA-crRNA는 Cas9과 합쳐져 복합체를 이루고, 마침내 표적 DNA를 인식하고 절단하는 과정을 거치게 된다.

이처럼 복합체를 구성하려면 crRNA와 tracrRNA가 상보적으로 결합해야 하지만, 연구를 통해 crRNA와 tracrRNA를 하나의 RNA로 만들어도 정상적으로 작동한다는 것을 확인하였다. 이렇게 만들어진 RNA는 가이드RNA(gRNA 혹은 single-gRNA)라고 불리며 유전자 가위로 쓰고 있다.

SpCas9 단백질의 특징은 표적 DNA에 3쌍의 염기서열인 5'-NGG-3'이 있을 때 자를 수 있다. N은 아무 염기를 뜻한다. 이 염기서열은 PAM(protospacer adjacent motif)이라 하는데, 스페이서를 만드는 과정에도 PAM이 있는 염기서열만 스페이서로 획득할 수 있다. PAM이 인식되면 PAM에서 3 bp (3개의 염기) 앞에 있는 부분까지 잘라낸다.

크리스퍼-Cas9의 활용

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크리스퍼-Cas9 기술은 농업계와 의료계에 큰 영향을 주고 있다.

농업계에서는 작물의 해충 및 질병에 대한 저항성, 생육환경에 대한 적응성, 품질 및 경제성 향상을 위해 활용되고 있다. OECD(2018)의 Global developments of genome editing in agriculture에 따르면, 크리스퍼 기술로 버섯을 개량하여 갈변 현상이 완화되었다. 교배, 방사선 자극과 같은 기존 작물 육종 방법은 오랜 시간이 소요되었지만, 유전체(genome) 편집 기술을 이용하여 육종이 짧게는 2-3년으로 단축되었다.

의료계에서는 크리스퍼 유전자 가위로 유전자 돌연변이에 의해 발생한 유전 질환을 치료하는 길이 열렸다. 2020년 3월, 크리스퍼 유전자 가위가 선천 시각장애 레버선천흑암시를 앓는 환자의 눈의 유전체를 교정하는 임상시험을 위해 쓰였으며 그 결과가 기대되고 있다. 또한, 에이즈를 치료하기 위해 백혈구 표면의 CCR5 단백질을 돌연변이로 만들어 HIV를 무력화시키는 방법과, 면역세포의 유전체를 수정해 면역세포가 암세포를 인식하고 공격하는 ‘CAR-T’ 치료법도 개발되고 있다.

이 밖에도 이미 멸종된 동물을 복원하는 연구가 진행 중이다.


관련 기사

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출처

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  • 양병찬 약사·과학리포터. “유전자가위 논란의 배경 (한국어)”, 《주간조선》, 2015년 5월 4일 작성. 2020년 10월 15일 확인
  • “융합연구리뷰 Vol.2 no.1 (한국어)”, 《융합연구정책센터》, 2016년 1월 작성. 2020년 10월 15일 확인
  • 위갑인, 김진수 (서울대학교 유전체공학 창의연구단). “유전체 교정을 위한 유전자가위 (engineered nuclease)의 개발과 활용 (한국어)”, 《한국분자세포생물학회》. 2020년 10월 15일 확인
  • 조재성 조교수. “OECD 유전체 편집기술 회의: 농업분야의 적용 (한국어)”, 《세계농업 2018년 9월호》. 2020년 10월 15일 확인
  • 남궁석 교수. “크리스퍼 (한국어)”, 《생물산책》. 2020년 10월 15일 확인
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