[일반생물학] CRISPR

CRISPR 기술을 이용하여 유전자를 불활성시키거나 변화시킬 수 있다.

 

정상적으로 발현되지 않는 세포에서 발현시키거나, 정상적인 수준보다 더 높게 발현시켜 어떤 유전자의 기능을 연구할 수 있다. 유전자를 연구하는 또 다른 방법으로 전사와 번역이 되지 않게 하여 기능을 불활성화시키거나, 변화된 유전자 산물을 만들도록 DNA 서열을 변화시키는 것이 있다. CRISPR 기술은 '유전자 편집(특정 유전자를 추가, 파괴시키거나 서열을 변화시킴)과 유전자 조절을 위한 새롭고 강력한 방법이다. 생명공학의 다른 많은 도구와 마찬가지로 이 방법도 자연에서 발견된 기작을 모방한 것인데 이것은 일부 세균과 많은 고균들이 바이러스 감염에 대항하여 자신을 방어하는 데 이용된다. 이들 종의 유전체에는 24bp 길이의 독특한 간격 서열을 중앙에 둔 회문서열이 많이 있는데 이 서열을 CRISPR(clustered regularly interspaced short pailndromic repeat sequences)라고 한다. 이 CRISPR 서열은 각각의 반복 단위는 동일하지만 간격 서열은 서로 다르다. 각각의 간격 서열은 과거 이 세포에 침입하였지만 세포를 죽이지 않은 바이러스에서 유래한 DNA 조각이다. 따라서 간격 서열은 이 서열을 가지고 있는 세포에게 경계해야 할 바이러스에 대한 정보를 제공하는 '유전자 인상착의'이다. 이 간격 서열과 유사한 서열을 지닌 바이러스가 이 세포 속으로 DNA를 주입하면, CRISPR와 간격 서열은 RNA로 전사되고 여기에 짧은 RNA가 결합한다. 그런 다음 RNA 복합체는 다음과 같은 두 가지 기능을 수행한다.

 

1. 간격 서열이 바이러스 유전체의 일부와 상보적이기 때문에 이 복합체는 바이러스와 염기쌍을 형성한다.

2. 이 복합체는 CAS9라는 단백질과 결합하는데, 이것은 침입한 바이러스 DNA를 자르는 핵산분해효소로 바이러스가 새로운 바이러스를 생산하는 능력을 파괴해 숙주세포를 보호한다.

 

따라서 어떤 바이러스에 한 번 감염되었던 모든 세포는 이러한 경험을 자신의 유전체 암호화된 '기억'으로 갖게 되며, 이 기억은 이 세포의 딸세포에게도 전달된다.

 

이러한 자연적인 면역체계가 설명된 후 스웨뒌 우메오 대학교의 샤펜티어(Emmanuelle Charpentier)와 버클리 대학교와 다우드나(Jennifer Doudna)는 표적에 상보적인 RNA('가이드 RNA')와 CAS9 효소만 있으면 특정 위치에 있는 모든 DNA가 잘린다는 것을 보였다. 오늘날 수만 개의 고유한 가이드 RNA를 구매할 수 있는데 각각은 원핵생물이나 진핵생물 중 특정 생물에서 특정 유전자를 표적으로 하며 불활성화된 유전자에 대한 다양한 연구와 어떤 유전자가 불활성화되었을 때 제기되는 다양한 질문에 대한 답을 찾을 수 있게 해준다.

 

CRISPR 기술은 매우 단순하기 때문에 유전자를 불활성화시키는 데 폭넓게 이용될 수 있다. 예를 들어, 균류에 의해 일어나는 백분병이라는 질병은 밀을 완전히 파괴시킬 수 있다. 다수의 밀 품종은 이 질병에 대한 자연적인 방어체계를 방해하는 유전자를 가지고 있기 때문에 이 질병을 막는 유일한 방법은 살균제를 엄청나게 살포하는 것이었다. 중국의 과학자들은 CRISPR 기술을 이용해서 이 유전자를 불활성화시킴으로써 자연적인 방어체계를 촉진시켰다.

 

CRISPR 기술은 특정 돌연변이를 만드는 데 이용할 수 있다. CAS9가 살아 있는 세포 속에서 표적 DNA를 절단할 때 세포는 이러한 손상을 수선하려고 한다. 이러한 수선은 많은 경우 불완전해서 재결합한 DNA에 돌연변이가 생긴다. 생물학자들은 새로운 서열이 특이하게 변하도록 절단 부위에 상보적인 짧은 DNA 서열을 합성하여 돌연변이를 일으킬 수 있다.

 

돌연변이를 유발하는 능력보다 훨씬 더 흥미로운 점은 아마도 질병을 일으키는 특정 돌연변이를 교정할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 낭성섬유증은 세포막의 수송 단백질에 돌연변이가 생겨 발생한다. 네덜란드의 과학자들은 CRISPR을 이용하여 이 질병을 가진 환자의 세포에서 이 돌연변이를 교정하였다. 이것이 완치를 의미하지는 않지만(교정된 유전자가 많은 조직에서 작동해야만 하므로), 돌연변이 유전자가 초기 배아의 생식세포에서 교정될 가능성을 제시하였다. 하지만 사람의 색식세포 유전체를 CRISPR 기술로 쉽게 조작할 수 있다는 것은 윤리적이고 법적인 측면에서 우려되고 있다. 일부 국가에서 사람의 생식세포를 조작하는 것은 불법이다.