혁신적인 과학 기술 유전자가위 사용방법 및 장점 단점 알아보기

 

혁신적인 기술로 이야기되고 있는 유전자가위에 대해서 알아보겠습니다. DNA 특정 부위를 인식하고 2중 가닥으로 이루어진 DNA를 절단하는 분자생물학적 도구를 일컫는 말입니다. 이 기술이 어떤 특징을 나타내고 앞으로 우리에게 어떤 필요성을 느끼게 해 주는지 면밀하게 분석하고 알아보겠습니다.

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1. 유전자가위란?

생명체가 보유한 DNA 절단 기능을 가진 도구를 표현한 용어입니다. DNA 특정 부위를 인식하고 2중 가닥으로 이루어진 DNA를 절단하는 분자생물학적 도구를 일컫는 말입니다. 핵산분해 효소도 DNA 절단 기능을 가지고 있지만, 유전자 가위는 특정한 부위를 인식할 수 있다는 점에서 차별성을 두고 있습니다. 특정 DNA 부위를 정확하게 인식할 수 있는 유전체 교정 도구에는 징크핑거뉴클라아제, 탈렌, 크리스터 카스 등이 있습니다.

유전자 가위 기술의 발자취

제한 효소
유전 공학의 서막을 연 제한효소(restriction enzyme)의 작용도 일종의 유전자 가위 기술입니다. 그러나 4~8개 염기서열을 인식하는 이 기술로는 각 유전체의 너무 많은 부분을 인식하고 자르게 되어 정밀한 유전체 교정 도구로는 미흡합니다.
 
징크핑거뉴클라아제
제1세대 프로그램가능한 뉴클레아제(programmable nuclease)인 징크핑거뉴클라아제(ZFNs)는 염기쌍 3개를 인식하는 단백질 도메인을 4개씩 타깃 DNA의 sense 및 antisense 위치를 인식하도록 만들고, 중앙에 Folk1 단백질을 연결하여 DNA를 절단하게 하는 기술입니다. 적어도 24개 이상의 특정 염기서열을 인식하도록 제작되어 특이성을 이룩하였으나, 제작이 복잡하고 여러 도메인으로 연결된 ZFN의 크기가 너무 크고, 특히 비표적 위치에서의 활성이 높아 크게 효율적인 도구로 사용되지는 못하였습니다.

 
탈렌
제2세대 프로그램가능한 뉴클레아제 시스템인 탈렌(TALENs)은 ZFN에 비해 단일 염기쌍을 인식하는 도메인들을 연결하여 제작되어 제작의 복잡성이 줄어들고 좀 더 수월하게 디자인이 가능하게 되었습니다. TALEN 기술은 특허권이 오픈되어 있어 여전히 이를 이용한 연구 및 작물 개발에 적용하려는 시도가 계속되고 있습니다.
 
크리스토퍼-카스 9
제3세대 프로그램가능한 뉴클레아제인 크리스퍼-카스 9(CRISPR-Cas9) 시스템은 세균의 적용 면역시스템에서 유래된 정교한 유전자 가위로 알려졌습니다. CRISPR(Clustered Regularly-Spaced Palindromic Repeat)이 발현된 RNA 단일 가닥과 CIRSPR-연관 단백질(CRISPR-associated protein 9; Cas9)이 복합체를 이루어 타깃 인식 및 DNA 절단 활성을 모두 갖게 됩니다.
 

주로 크리스토퍼-카스 9 (CRISPR-Cas9 시스템을 이용하여 작동됩니다.
시스템은 박테리아에서 발견된 유전자 편집 기능을 모방하여 개발된 것으로,
특정 유전자를 정확하게 타깃팅 하고 수정할 수 있습니다.

유전자가위 관련 이미

2. 유전자가위 적용 및 발전 가능성

유전자 가위의 작동 원리

유전자 가위의 기본 작동 원리는 특정 표적 위치의 DNA를 정확하게 절단하는 것에서 시작됩니다. 이러한 절단 작용으로 DNA 이중 가닥이 절단되면 세포에서는 절단된 DNA를 수선하게 되는데, 이 수선과정에서 다양한 유전적 변이가 도입되게 됩니다. 이러한 변이는 1개의 염기 혹은 여러 개의 염기의 결실 혹은 삽입의 형태로 도입되고, 이로 인해 단백질로 번역하는 과정에서 틀이동(frameshift)을 유도하여 갑자스런 종결코돈이 생성되어 비정상적인 단백질로 번역되게 됩니다. DNA 2중 가닥의 수선과정은 크게 서열 상동성 재조합 혹은 비상동성 말단 접합의 방식을 통해 이루어지며, 특히 비상동성 말단 접합의 방식은 별도로 상동성 DNA 조각을 넣어줄 필요가 없고, 수선 과정에서 변이 생성이 높은 것으로 알려져 있습니다. 특정 표적 위치에 대한 특이성은 ZFNs과 Talens은 각 단백질의 DNA 인식 부위를 분자생물학적 방법을 통해 제작하여 적합한 도메인들로 구성되도록 제작합니다. 반면 크리스퍼 시스템은 DNA 결합 및 핵산분해효소 작용을 모두 가지고 있는 Cas9 단백질은 표적 특이적으로 제작할 필요가 없거, 표적 위치의 약 20개의 염기서열에 상응하는 단일가닥의 가이드 RNA만을 제작하면 됩니다.

유전자 가위 관련 이미지

유전자 가위를 통한 유전자 편집 모식도. 유전자 가위로 잘린 DNA는 상동성 유래 재조합 혹은 비상동성 말단 접합의 방식을 통행 수선되며, 그 과정에서 유전적 변이가 도입됩니다.

유전자 가위는 유전자 편집 혹은 유전체 교정에 가장 핵심적인 역할을 담당합니다. 유전자 가위의 정확성과 효율성 측면에서 제3세대 유전자 가위인 크리스퍼 시스템은 현재까지의 유전자 가위 중 가장 정확성 및 효율성이 향상된 도구로서, 식물, 동물, 인간 등 모든 생물체에 대한 유전자 편집 및 조절 작용에 획기적으로 이용 가능합니다. 명확한 녹아웃을 만들어 기능 상실을 유도하거나 새로운 유전자의 기능을 확인하는 연구뿐 아니라 이를 응용한 유전자 발현 조절, RNA 편집, DNA 메틸레이션 조절 등 무궁무진한 확장성을 가지고 있습니다.

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"지금까지의 유전자 편집은 시작에 불과하다. 크리스퍼 유전자 가위 기술의 발전은 10년 후 미래를 바꿔 놓을 것이다.
-제니퍼 다우드나

미국 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 화학과 교수 제니퍼 다우드나 교수는 학술지 '사이언스'에 크리스퍼 유전자 가위 기술 개발 10년을 기념해 그간의 연구 성과와 앞으로 극복해야 할 한계를 소개하며 이렇게 말했습니다.
 
다우드나 교수는 에마뉘엘 샤르팡티에 독일 막스플랑크연구소 병원체연구소 교수와 함께 크리스퍼 유전자 가위 기술을 개발한 인물입니다. 두 명의 과학자는 지난 2020년 공로를 인정받아 노벨 화학상을 수상했습니다.

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정확도

크리스퍼 유전자 가위는 사용자가 원하는 DNA 염기서열을 골라서 잘라내는 기술입니다. 원하는 염기서열을 자를 수 있는 기술은 이전에도 있었지만, 크리스퍼 유전자 가위는 정확도가 99%에 달했다고 합니다. 자르고 싶은 염기서열과 결합하는 RNA를 빠르고 저렴하게 합성할 수 있다는 장점도 있습니다.

시간단축

유전자 가위 기술은 유전자 편집에 필요한 시간을 크게 줄였습니다. 원하는 유전자를 편집한 실험동물을 얻으려면 교배를 반복해야 해 1년 이상이 필요했습니다. 그러나 크리스퍼 유전자 가위 기술을 사용하면 수저란의 DNA를 바로 편집할 수 있어 4주면 필요한 실험동물을 얻을 수 있게 됩니다.

3. 유전자가위 기술의 장점 단점

과학기술 영역

3세대 가위인 크리스퍼(CRISPR-Cas9) 유전자 가위는 1,2세대 유전자 가위기술보다 정교하여 원하는 기술로써 특정 부위의 유전자만 효율적으로 제거할 수 있습니다. 기존 방식은 하나의 유전자를 자르는 데 수개월에서 수년씩 시간이 걸린 반면, 3세대 크리스퍼 유전자 가위는 하루 만에 가능한 기술입니다.

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의료 영역

유전자 가위 기술의 장점을 통해 유전질환 치료와 항암 유전자치료제 개발이 가속화될 정망입니다. 2016년 4월, 중국 광저우 연구팀에서 크리스퍼 (CRISPR-Cas9) 유전자 가위를 이용해 에이즈의 원인인 HIV 바이러스에 내성을 갖는 면역 수정란을 만드는 데 성공한 사례도 있습니다. 또 중국에서는 세계 최초로 크리스퍼를 이용한 임상시험이 진행되었습니다.
 

농업 영역

 

젖소나 바둑이처럼 얼룩무늬를 지닌 양이 탄생했다.
카푸치노 커피를 휘저은 것처럼 커피색과 흰색이 섞인 양도 나왔다.
고기량 2배 '슈퍼근육 돼지'도 등장

 

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윤리적 문제

크리스퍼 유전자 가위 기술을 상용화하는 것에 대해 안전성 문제와 생명윤리 등의 논란도 꾸준히 제기되고 있습니다. 특히 미국 국립보건원(NIH)이 미국 펜실베니아대 연구팀이 신청한 사람을 대상으로 한 유전자가위 임상시험을 승인하면서 유전자 가위기술에 대한 생명 윤리 논란이 확산되고 있습니다. 유전자가위 시장의 규모가 점점 커질수록 크리스퍼 관련 규제와 기술에 대한 안전성 여부는 더욱 논의가 진행될 필요가 있는 것 같습니다.

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가장 논란이 되고 있는 것이 인간의 배아를 대상으로 한 연구 규제이다.

크리스퍼 유전자 가위 장점 

1. 정확성과 정밀성 : 크리스퍼 유전자 가위는 원하는 DNA 부위를 매우 정확하게 탐지하고 수정할 수 있습니다. 이로 인해 특정 유전자의 수정 또는 삭제등을 정확하게 수행할 수 있습니다.
2. 다목적 활용 : 크리스퍼 유전자 가위는 다양한 종류의 생물체에서 활용할 수 있습니다. 박테리아부터 식물, 동물에 이르기까지 다양한 종의 유전자 편집에 적용할 수 있습니다.
3. 간편한 사용 : 크리스퍼 유전자 가위는 상대적으로 간단한 실험 절차로 유전자 편집을 수행할 수 있습니다. 이로 인해 보다 많은 연구자와 연구실에서 활용 가능합니다.
4. 빠른 결과 : 유전자 편집 결과를 상대적으로 빠르게 확인할 수 있습니다. 이는 실험 과정의 빠른 진행과 효율적인 연구를 가능하게 합니다.
5. 개인 맞춤형 치료 기능 : 개인의 유전체 정보에 기반하여 유전자를 수정하거나 교정함으로써 개인 맞춤형 치료법 개발이 가능해집니다.
6. 높은 효율성 : 크리스퍼 유전자 가위는 유전자 편집을 비교적 높은 효율로 수행할 수 있습니다. 이는 유전자 수정을 보다 효과적으로 진행할 수 있음을 의미합니다.
7. 연구 및 응용 확장성 : 크리스퍼 유전자 가위는 다양한 연구 및 응용 분야에서 활용 가능합니다. 의학적인 치료부터 작물 개량, 생태계 보전 등 다양한 분야에서 응용할 수 있습니다.
8. 더 낮은 비용 : 다른 유전자 편집 기술에 비해 비용 면에서 상대적으로 저렴하게 진행할 수 있습니다.
9. 신속한 기술 발전 : 크리스퍼 유전자 가위 기술은 지속적인 연구와 개발을 통해 계속 발전하고 있습니다. 새로운 변종이나 응용이 계속해서 등장하고 있습니다.

단점

1. 오프타깃 효과 : 크리스퍼 유전자 가위가 목표한 DNA 부위 외에도 유전자 수정을 가할 수 있는 "오프타깃" 효과가 발생할 수 있는데, 이로 인해 예상치 못한 부작용이 발생할 수 있습니다.
2. 윤리적 문제 : 크리스퍼 유전자 가위는 인간의 유전자 편집이 가능한 점에서 윤리적인 문제를 도출합니다. 인간의 유전체를 수정함으로써 장래의 세대에 영향을 미칠 수 있는데, 이에 대한 윤리적 고민과 규제가 필요합니다.
3. 정확성의 한계 : 크리스퍼 유전자 가위의 정확성은 높지만, 100% 정확하지 않을 수 있습니다. 이로 인해 원치 않는 돌연변이가 발생할 가능성이 존재합니다.
4. DNA 편집 복잡성 : 크리스퍼 유전자 가위를 사용하려면 해당 유전자의 서열을 잘 이해하고 가이드 RNA를 디자인해야 합니다. 이 과정은 복잡하고 시간이 걸릴 수 있습니다.
5. 긴 시퀀스 수정의 어려움 : 크리스퍼 유전자 가위는 상대적으로 짧은 DNA 서열을 수정하는 데 척합니다. 긴 시퀀스 수정은 어려울 수 있습니다.
6. 법적 제한과 규제 : 유전자 편집 기술에는 국가 및 국제적으로 규제가 적용되고 있는 경우가 많습니다. 이로 인해 연구 및 응용에 제한이 생길 수 있습니다.
7. 대량 생산의 어려움 : 크리스퍼 유전자 가위로 수정한 유전자를 대량으로 생산하거나 적용하는 과정이 어려울 수 있습니다.
8. 유전적 다양성의 감소 : 유전자 편집을 통해 특정 품종이나 종의 특성을 개선하는 경우, 유전 다양성이 감소할 수 있으며 이로 인해 생태계에 영향을 줄 수 있습니다.

 

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