바이오인

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 20-14
유전자편집을 보다 안전하게 할 수 있는 CRISPR 기능조절 스위치(Kill-switch)

◇ 질병 치료, 동식물 개량, 신소재 개발 등 다양한 활용 가능성이 있는 CRISPR-Cas9 유전자편집기술은 의도치 않은 곳을 절단하는 오프-타겟 (off-target) 문제가 한계로 지적되었으나, 최근 anti-CRISPR 단백질을 스위치처럼 활용하여 유전자편집 시스템을 제어하는 연구결과를 발표. 유전자편집기술 기반 확산에 따른 부작용 및 무기화 대비 측면에서도 유전자편집을 정밀하게 제어하는 중단 스위치 개발이 중요한 것으로 평가

▸주요 출처 : Nature, The kill-switch for CRISPR that could make gene-editing safer, 2020.1.15.; BRIC [바이오토픽],  TV 드라마 「엑스파일」의 내용이 현실화 - 유전자가위를 억제하는 항-CRISPR 단백질 발견, 2016.12.13

■ 유전자의 특정 부위를 절단하여 편집할 수 있는 크리스퍼 유전자편집기술 (CRISPR-Cas9)을 제어할 수 있는 ‘중단 스위치(off-switch) 단백질’ 발견

 ○ 원하는 부위의 유전자를 정교하게 잘라내어 교정하는 크리스퍼 유전자 편집기술은 유전 및 난치질환 치료, 동·식물 개량, 소재 개발 및 포유류 발생과정 추적 등 의료 및 생명과학 전반에서 활용되는 핵심적 공통기반기술
  - 크리스퍼 유전자편집기술을 이용한 암, 빈혈 등 질병 치료 및 시력 향상 등을 위한 임상시험이 진행 중이며, 활발하게 추진 중인 옥수수, 벼, 감자 등 작물 개량 연구결과로 이미 일부 제품이 시판 중
  - 또한 유전자드라이브(Gene drive)* 기술로 말라리아 전염 모기를 멸종시키려는 연구도 추진 중
    ※ 유전자드라이브기술은 살아있는 생물체의 DNA 염기서열을 변형하고 변형된 유전형질이 후손에 100% 전파되도록 하는 기술. 강력한 기술인만큼 국가안보 및 생태계 교란 등과 같은 위험성 내재

 ○ 이와 같이 CRISPR는 무한한 가능성을 보유하고 있으나, 인체 및 환경에 적용하기에는 안전성의 문제가 걸림돌로 작용
  - CRISPR-Cas9 시스템이 의도치 않은 곳을 절단하는 오프타겟(off-target) 문제가 발생할 수 있으며, 유전자드라이브를 제어할 수 있는 기능조절 스위치가 없음

 ○ 2010년 미국 캘리포니아대학의 Joe Bondy-Denomy는 세균을 감염시킨 파지(Phages)들 중 일부가 파지의 침입을 방어하는 세균의 방어기전인 CRISPR–Cas의 공격에서 살아남을 수 있음을 발견
  - DNA 서열분석 결과, 과거에 있었던 파지 칩입 사건에서 유래하였거나 숙주인 세균의 유전체에 자리잡게 된 파지의 anti-CRISPRs 유전자들이 세균의 CRISPR–Cas 시스템을 무력화시켜 파지가 생존함을 발견
    ※ 관련 논문 : Bacteriophage genes that inactivate the CRISPR/Cas bacterial immune system, Nature, volume 493, 2013

■ CRISPR 및 anti-CRISPR 단백질의 상반되는 기능을 이용해 유전자편집을 보다 정밀하게 제어하는 스위치를 개발할 수 있을 것으로 기대 

 ○ 현재까지 서로 다른 방식으로 세균의 방어기전인 CRISPR–Cas 시스템을 무력화시키는 50가지 이상의 anti-CRISPR 단백질들이 확인
  - 미국 메사추세츠 의과대학 Erik Sontheimer 박사 연구팀은 수막염균  (Neisseria meningitidis)에서 유전자편집 효소인 Cas9을 저해하는 단백질 3개를 발견, 작용 메커니즘을 규명한 연구결과를 발표(2016.12, Cell)
    ※ 자연계에서 유전자편집을 제어할 수 있는 ’중단 스위치(off-switches)’를 발견한 최초의 성과. 그러나 발견된 3개의 중단 스위치 단백질들은 수막염균의 절단효소 (cas9)에만 작용하는 것으로 현재 널리 사용되고 있는 절단효소는 화농연쇄구균 (Streptococcus pyogenes)에서 유래한 것이므로 이에 맞는 중단 스위치를 찾는 후속 연구가 필요