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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-09-29
CRISPR/Cas9는 유전학 연구의 혁명을 일으키고 있다. 과학자들은 이미 그것을 이용하여 농작물, 가축, 심지어 인간 배아의 유전자까지 조작하고 있다(http://www.nature.com/news/chinese-scientists-genetically-modify-human-embryos-1.17378). 언젠가는 인간의 질병도 치료하게 될 것이다.
그런데 CRISPR/Cas9의 선구자 중 한 명이 `CRISPR을 보다 간단하고 정확하게 만드는 방법을 발견했다`고 발표했다. Cell 9월 25일호에 기고한 논문에서, 미국 브로드 연구소의 장 펑 박사(합성생물학)가 이끄는 연구진은 "Cpf1이라는 단백질을 이용하여 CRISPR/Cas9의 한계 중 하나를 극복했다"고 밝혔다(참고 1). [유전자를 편집했다는 말을 들으려면, 특정 유전자를 불능화(disabling)할 뿐만 아니라, 다른 유전자로 대체할 수 있어야 한다. CRISPR/Cas9는 유전자를 불능화하는데 뛰어나지만, 종종 하나의 DNA 시퀀스를 다른 시퀀스로 대체하기가 어렵다는 지적을 받아 왔다.]
CRISPR/Cas9는 본래 세균과 고세균이 바이러스로부터 자신을 방어하기 위해 진화시킨 시스템이다. 그것은 많은 세균들에게서 발견되는데, Cas9라는 효소를 이용하여 `가이드 RNA`가 명시하는 부분을 절단하며, 잘라진 부분은 세포의 천연 복구과정을 통해 복구된다. 과학자들은 CRISPR/Cas9를 다른 생물에게도 사용할 수 있는 범용시스템으로 전환시켰다(http://www.nature.com/news/crispr-the-disruptor-1.17673; 한글번역 http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=260539).
1. 좋게, 더 좋게, 가장 좋게?
CRISPR은 기존의 유전자편집 기법(징크핑거, 탈렌)보다 훨씬 더 간단하지만, 장 펑은 개선의 여지가 더 있다고 생각했다. 그래서 연구진을 꾸려 Cas9 효소를 대체할 수 있는 효소를 찾아내기 위해 세균의 세계를 샅샅이 뒤져 왔다. 그 결과 지난 4월, 그들은 포도상구균(Staphylococcus aureus)에게서 Cas9의 소형버전을 찾아냈다고 발표했다(참고 2; http://www.nature.com/news/mini-enzyme-moves-gene-editing-closer-to-the-clinic-1.17234; 한글번역 http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=258033). 효소의 크기가 작으면 성숙한 세포 속으로 쉽게 들어갈 수 있다는 장점이 있다.
한편 연구진은 Cpf1이라는 단백질에도 관심을 가졌다. 그것은 Cas9와 매우 달라보이지만, CRISPR을 보유한 세균 중 일부에서 발견되었다. 그들은 16가지 세균이 갖고 있는 Cpf1을 평가하여, 인간의 DNA를 절단할 수 있는 것을 두 가지 찾아냈다.
나아가 연구진은 Cpf1과 Cas9의 작용 메커니즘이 어떻게 다른지를 알아냈다. Cas9는 DNA를 절단하기 위해 2개의 RNA 분자를 필요로 하는 반면, Cpf1은 단 하나의 RNA 분자를 필요로 하는 것으로 밝혀졌다. 또한 Cpf1은 DNA를 절단하는 장소가 달라, 편집 부위를 찾는 과학자들에게 좀 더 많은 선택권을 부여할 수 있는 것으로 밝혀졌다. "Cpf1을 이용하면 지금껏 우리가 겨냥할 수 없었던 것까지도 편집할 수 있다"고 임페리얼칼리지런던의 루카 마그나니 박사(후성유전학)는 말했다.
Cpf1은 DNA를 절단하는 방법도 다른 것으로 밝혀졌다. 즉, Cas9는 DNA 이중사슬을 똑같이 절단하여 소위 밋밋한 말단(blunt end)을 남기는 데 반해, Cpf1은 두 가닥을 다르게 잘라 끈끈한 말단(sticky end)을 남긴다고 한다. `밋밋한 말단`은 - 예컨대 하나의 DNA 시퀀스가 양쪽 말단 모두에 삽입될 수 있어 - 다루기가 쉽지 않은 데 반해, `끈끈한 말단`은 하나의 상보적 말단과만 짝을 이룰 수 있어 다루기가 쉽다. "끈끈한 말단은 DNA 삽입을 통제할 수 있는 정보를 담고 있어, 삽입을 제어하기가 훨씬 더 쉬워진다"고 장펑은 말했다.
2. 세균에게 배워라.
장펑이 이끄는 연구진은 `끈끈한 말단`을 이용하여 DNA 대체의 효율을 높이는 방안을 연구하고 있다. Cas9에 의해 절단된 부분은 두 개의 말단이 다시 붙으면서 복구되는 경향이 있는데, 이 복구과정은 비교적 엉성하여 오류가 많은 편이다. 물론 세포는 다른 복구방법을 이용하여 지정된 시퀀스를 해당 부위에 삽입할 수 있지만, 그 빈도가 매우 낮다. 장펑은 Cpf1의 톡특한 절단성질을 이용할 경우, 정확한 삽입의 빈도가 늘어날 것으로 기대하고 있다.
아이오와 주립대학교의 양 빙 박사(식물학)는 Cpf1의 등장을 크게 반기고 있다. "현재 유전자편집의 가장 큰 과제는 효율이다. 유전자편집의 효율이 높아진다면 식물학은 크게 진보할 것"이라고 그는 말했다.
그러나 새로운 효소가 Cas9의 인기를 압도할 수 있을까? 장펑은 "그걸 거라고 단언하기는 아직 이르지만, Cpf1이 몇 가지 독특한 장점을 가진 것만은 분명하다"고 한다. "CRISPR/Cas9는 대중성과 수익성을 겸비하고 있어서, UC 버클리-브로드연구소-MIT 간의 치열한 특허권 분쟁을 야기하고 있다. 우리는 - CRISPR/Cas9에서 그랬던 것처럼 - 이번에도 CRISPR/Cpf1을 연구자들에게 널리 보급할 것이다"라고 장펑은 말했다.
이번 연구는 `세균이 진화시킨 유전체편집 시스템을 좀 더 많이 배워야 한다`는 점을 깨닫게 한 것으로 생각된다. "CRISPR 시스템의 진화적 다양성은 너무 풍부해서, 현행 유전체편집 기법의 문제점을 해결하는 데 많은 해법을 제공할 수 있다. 우리는 아직 세균에게서 배울 것이 많다"고 하버드 대학교의 데이비드 류 박사(화학생물학)는 말했다. [장과 류는 모두 에디타스메디슨(CRISPR 기반 치료법을 개발하는 바이오벤처)에 과학자문을 제공하고 있다.]
이번 논문의 공저자인 네덜란드 바헤닝언 대학교의 존 판데르오스트 박사(미생물학)는 새로운 유전체편집 방법을 계속 찾아낼 계획이다. "어느 유전체편집 방법이 가장 적합한지는 아직 알 수 없다. 어쩌면 더 놀랄 만한 방법이 우리를 기다리고 있을지 모른다"고 그는 말했다.
※ 참고문헌
1. Zetsche, B. et al. Cell http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.09.038 (2015).
2. Ran, F. A. et al. Nature 520, 186–191 (2015).
http://www.nature.com/news/alternative-crispr-system-could-improve-genome-editing-1.18432
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