비즈니스 기회
DNA의 '워드 프로세서'와 같은 새로운 유전자 편집 도구
이미지 크레디트: 아크 연구소
크리스퍼(CRISPR)는 지난 10년 동안 가장 영향력 있는 돌파구 중 하나였지만 여전히 불완전합니다. 유전자 편집 도구는 이미 유전 질환을 앓고 있는 사람들을 돕고 있지만, 과학자들은 이를 개선하기 위해 노력하고 있습니다.
이러한 노력으로 CRISPR 제품군은 덜 손상되고, 더 정확하며, 더 작은 버전의 유전자 편집기를 포함하도록 확장되었습니다. 두 개의 새로운 논문은 훨씬 더 강력한 유전자 편집기가 우리 세포와 같은 세포에서 효과가 입증된다면 곧 개발될 수 있음을 시사합니다.
아크 연구소(Arc Institute)의 과학자들은 한 논문에서 박테리아의 '점프 유전자(jumping gene)'에서 크리스퍼(CRISPR)와 같은 새로운 유전자 편집 도구를 발견했다고 밝혔습니다. 독립적으로 작성된 또 다른 논문은 동일한 도구를 다루고 다른 제품군의 유사한 도구로 작업을 확장합니다.
점핑 유전자는 게놈 내에서 그리고 심지어 개인 사이에서도 움직입니다. 그들이 자신의 DNA를 자르고 붙인다는 것은 오래 전부터 알려져 왔지만, CRISPR처럼 프로그래밍할 수 있는 기계는 없는 것으로 나타났습니다. 최근 연구에서 과학자들은 연구팀이 브릿지 편집(bridge editing)과 탐색RNA(seekRNA)라고 번갈아 부르는 과정에서 어떤 DNA 염기서열도 자르고, 붙이고, 뒤집을 수 있도록 수정할 수 있는 점핑 유전자 시스템(jumping gene systems)을 설명하고 있습니다.
결정적으로, CRISPR와 달리, 이 시스템은 DNA 가닥을 끊거나 세포가 복구하도록 의존하지 않고 이 모든 작업을 수행하는데, 이는 손상되고 예측할 수 없는 과정입니다. 관련된 다양한 분자는 CRISPR의 분자보다 더 작기 때문에 잠재적으로 도구를 더 안전하고 세포에 쉽게 전달할 수 있으며 훨씬 더 긴 염기서열을 처리할 수 있습니다.
"브릿지 재조합은 염기서열 특이적 삽입, 절제, 반전 등을 통해 유전 물질을 보편적으로 수정할 수 있어 CRISPR을 넘어 살아있는 게놈에 대한 워드 프로세서를 가능하게 합니다." 연구 중 하나의 선임 저자이자 Arc Institute 핵심 연구원인 Berkeley의 Patrick Hsu는 보도 자료에서 말했습니다.
크리스퍼(CRISPR) 쿠데타
과학자들은 바이러스에 대항하여 스스로를 방어하는 박테리아에서 CRISPR을 처음 발견했습니다. 자연에서 Cas9 단백질은 RNA 가이드 분자와 쌍을 이루어 바이러스 DNA를 찾고 찾으면 잘게 쪼갰습니다. 연구원들은 인간 게놈에서 발견되는 염기서열을 포함한 모든 DNA 염기서열을 찾고 해당 위치에서 DNA 가닥을 끊기 위해 이 시스템을 재설계하는 방법을 배웠습니다. 그런 다음 세포의 자연 기계는 이러한 틈을 복구하는데, 때로는 제공된 DNA 가닥을 사용하기도 합니다.
CRISPR 유전자 편집은 강력합니다. 다양한 유전 질환에 대한 치료법으로 임상 시험에서 연구되고 있으며 작년 말에는 겸상 적혈구 질환 및 베타 지중해 빈혈 치료제로 첫 번째 임상 승인을 받았습니다. 그러나 완벽하지는 않습니다.
이 시스템은 DNA를 파괴하고 이러한 파괴를 복구하기 위해 세포에 의존하기 때문에 부정확하고 예측할 수 없을 수 있습니다. 이 도구는 또한 주로 DNA의 짧은 부분에서 작동합니다. 많은 유전 질환이 단일 DNA "문자"가 변경된 점 돌연변이로 인해 발생하지만, 더 긴 염기서열을 다룰 수 있는 능력은 합성 생물학과 유전자 치료 모두에서 기술의 잠재적 용도를 넓힐 것입니다.
과학자들은 이러한 단점을 해결하기 위해 수년에 걸쳐 새로운 CRISPR 기반 시스템을 개발해 왔습니다. 일부 시스템은 정밀도를 높이기 위해 단일 DNA 가닥만 끊거나 단일 유전자 "문자"를 교체합니다. 연구는 또한 전체 박테리아 우주를 스크리닝하여 CRISPR와 유사한 시스템을 더 찾고 있습니다. 다른 사람들은 우리와 같은 진핵 세포에서 자연적으로 발생하는 시스템을 발견했습니다.
새로운 연구는 점프 유전자를 믹스에 추가함으로써 탐구를 확장합니다.
RNA 브릿지
점핑 유전자는 유전적 마법의 매혹적인 위업입니다. 이러한 DNA 염기서열은 기계를 사용하여 스스로 자르고 붙일 수 있도록 게놈의 위치 사이를 이동할 수 있습니다. 박테리아의 경우, 그들은 심지어 개체 사이를 이동하기도 합니다. 이러한 유전자 공유는 박테리아가 항생제 내성을 획득하는 한 가지 방법이 될 수 있으며, 약물을 회피하도록 진화한 세포 하나가 전체 개체군과 유전적 방어 기능을 공유할 수 있습니다.
아크 연구소(Arc Institute)의 연구에서 연구자들은 IS110이라는 박테리아의 특정 점프 유전자를 조사했습니다. 그들은 유전자가 움직일 때 CRISPR의 RNA 가이드와 같은 RNA 서열을 호출하여 과정을 촉진한다는 것을 발견했습니다. RNA는 두 개의 고리를 포함하는데, 하나는 유전자 자체에 결합하고 다른 하나는 게놈에서 유전자의 목적지를 찾아 결합합니다. 그것은 DNA 염기서열과 그것이 삽입될 특정 위치 사이의 다리와 같은 역할을 합니다. CRISPR와 달리, 일단 발견되면 DNA를 손상시키지 않고 염기서열을 추가할 수 있습니다.
"DNA를 재결합하고 다시 접합하여 완전히 손상되지 않게 하는 단일 단계 메커니즘으로 다리를 놓는 것입니다. 이것은 DNA 복구가 필요하고 원치 않는 DNA 손상 반응을 생성하는 것으로 나타난 노출된 DNA 절단을 생성하는 CRISPR 편집과 매우 다릅니다."라고 Hsu는 Fierce Biotech에 이메일로 말했습니다.
결정적으로, 연구자들은 RNA의 두 고리가 모두 재프로그래밍될 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 과학자들이 게놈 위치뿐만 아니라 어떤 염기서열이 그곳에 가야 하는지를 지정할 수 있음을 의미합니다. 이론적으로 이 시스템은 긴 유전자 또는 여러 유전자를 교환하는 데 사용할 수 있습니다. 대장균 박테리아에 대한 개념 증명으로, 연구팀은 IS110이 거의 5,000개의 염기 길이의 DNA 염기서열을 삽입하도록 프로그래밍했습니다. 그들은 또한 DNA의 또 다른 염기서열을 잘라내고 반전시켰습니다.
이 연구는 시드니 대학의 다른 과학자 팀이 독립적으로 쓴 다른 논문에 합류하여 IS110과 다른 계열의 관련 효소인 IS111을 자세히 설명했는데, 그들은 이것이 유사하게 프로그래밍 가능하다고 말합니다. 그들의 논문에서, 그들은 이러한 시스템을 "seekRNA"라고 불렀습니다.
이 도구는 CRISPR에 있는 단백질의 절반 크기인 단일 단백질에 의존합니다. 즉, 무해한 바이러스나 지질 나노입자(이들은 코로나 백신에도 사용됨)로 포장하고 세포로 운반하여 작동할 수 있도록 하는 것이 더 쉬울 수 있습니다.
다음 점프
이 접근 방식에는 큰 잠재력이 있지만 큰 주의 사항도 있습니다. 지금까지 연구자들은 박테리아에서만 효과가 있다는 것을 보여주었습니다. 반면에 CRISPR은 무수한 세포 유형에서 그 가치를 입증하면서 믿을 수 없을 정도로 다재다능합니다. 다음으로, 그들은 이 접근법을 더욱 연마하여 우리와 같은 포유류 세포에 적용하기를 희망합니다. 그것은 쉽지 않을 수 있습니다. 도쿄 대학의 히로시 니시마스 교수는 IS110 제품군이 아직 그러한 작업에 적합한 것으로 나타나지 않았다고 말합니다.
이 모든 것은 아직 기술 초기 단계임을 의미합니다. 과학자들은 CRISPR가 프로그래밍 가능하다는 것을 보여주기 몇 년 전에 CRISPR에 대해 알고 있었고 2013년까지 인간 세포에서 작동하지 않았습니다. 그 이후로 실험실에서 클리닉으로 비교적 빠르게 옮겨 다녔지만, 최초의 CRISPR 기반 치료법이 구체화되기까지는 몇 년이 더 걸렸습니다.
적어도, 이번 연구는 우리가 자연이 제공하는 유전자 편집의 모든 것을 다 써버리지는 않았다는 것을 보여줍니다. 이 기술은 또한 합성 생물학 영역에서도 유용할 수 있는데, 합성 생물학에서는 생명체가 가장 기본적인 수준에서 어떻게 작동하는지, 그리고 어떻게 재설계할 수 있는지 배우기 위해 단일 세포를 대규모로 엔지니어링하고 있습니다. 그리고 새로운 시스템이 인간 세포에 적용될 수 있다면, 더 안전하고 강력한 유전자 치료법 개발에 유용한 새로운 옵션이 될 것입니다.
"만약 이것이 다른 세포에서 작동한다면, 그것은 판도를 바꿀 것입니다." 시드니 대학의 구조 생물학자이자 IS111을 자세히 설명하는 논문의 저자인 산드로 페르난데스 아타이데(Sandro Fernandes Ataide)가 네이처(Nature)에 말했습니다. "유전자 편집의 새로운 분야를 개척하고 있습니다."
이상의 기사는 2024년 7월 12일 SingularityHub에 게재된 “Beyond CRISPR: Scientists Say New Gene Editing Tool Is Like a ‘Word Processor’ for DNA”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Beyond CRISPR: Scientists Say New Gene Editing Tool Is Like a 'Word Processor' for DNA (singularityhub.com)