바이오인

유전자 교정 기술의 발전과 활용

2024년도 KRIBB 워킹그룹 이슈페이퍼 제7호

◈ 목차

• 1.개요

• 2.주요 동향 및 이슈
  2.1 유전자 교정 기술 개발 동향
  2.2 식물 유전자 교정 기술
  2.3 유전자 교정 치료제
  2.4 CRISPR-Cas 기반 병원체 검출
  2.5 CRISPR-Cas 기반 비병원성 핵산 검출

• 3.결론 및 시사점

◈본문

1 개요

• ■유전자 교정 기술

• ●유전자 교정 기술의 정의

• –︎유전자 교정 기술은 생명체의 유전체에서 특정 유전자를 삽입, 삭제, 변형 또는 치환하는 기술로 유전자가위나 유전자 편집이라는 용어로도 통용됨

• –︎유전자 교정 기술은 원하는 유전자 부위를 인식하는 요소와 해당 부위를 절단하거나 교정하는 요소로 구성됨

• –︎1세대 및 2세대 유전자 교정 기술인 ZFN(Zinc Finger Nuclease)과 TALEN(Transcription Activator-Like Effector Nuclease)은 각각 Zinc Finger 단백질과 TALE 단백질을 이용해 특정 DNA 서열을 인식하며, Fok1 효소와 결합하여 DNA를 특정 부위에서 절단함

• –︎절단된 DNA 서열은 세포 내 DNA 손상 복구 기작인 NHEJ(Non-Homologous End Joining를 통해 무작위 변형이 발생하거나, 도너 DNA를 이용한 HDR (Homology-Directed Repair)에 의해 유전자 대체가 이루어짐 (그림1)

[그림 1] 유전자 교정 기술의 원리

출처 : Food Quality and Safety. 2020

• ●CRISPR/Cas 기술: 3세대 유전자 교정 도구

• –︎CRISPR/Cas 기술은 박테리아의 후천적 면역 시스템에서 발견된 CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) 서열과 이를 인식하여 유전자를 절단하는 Cas 효소로 구성되어 있음
  ※ 박테리아 유전체에서 CRISPR서열과 Cas 단백질의 존재는 1987년 일본 규수대학의 이시노 요시즈미 박사에 의해 처음 발견되었으며, 이들의 면역시스템 기능은 2007년 덴마크의 요구르트 회사에서 파지 감염에도 생존하는 유산균에서 밝혀짐

• –︎CRISPR/Cas9 기술은 Streptococcus pyogenes 에서 유래한 SpCas9 단백질과 sgRNA* (single guide RNA)를 활용하여 진핵세포 내 높은 효율로 유전자 교정의 유용성을 증대시켰음
  * sgRNA는 crRNA (CRISPR RNA) 와 tracrRNA (trans-activating CRISPR RNA)를 결합한 RNA 서열로, 유전체 내 타겟 서열을 정확히 인식함

• –︎CRISPR/Cas9 기술을 개발한 에마뉘엘 샤르팡티에(독인 막스플랑크 연구소)와 제니퍼 A. 다우드나(미국 버클리대학)는 2020년 노벨 화학상을 수상하며, 기술의 혁신성과 우수성을 국제적으로 인정받음
  
  

• ●유전자 교정 기술의 발전

• –︎CRISPR/Cas9 기술은 높은 효율과 유용성을 자랑하지만, 다양한 산업에서 활용되기 위해서는 범용성, 안전성, 크기와 같은 한계를 극복해야 함
  

• –︎이러한 한계를 해결하기 위해 연구자들은 미생물에서 새로운 단백질을 발견하거나 기존 시스템을 개량하는 연구를 활발히 진행하였음
  

• –︎SpCas9에 이어 SaCas9과 CjCas9 같은 TypeⅡ Cas9 계열, Cas12a, Cas12j, Cas12f 등의 TypeⅤ Cas12 계열, 그리고 RNA를 교정하는 TypeⅥ Cas13이 미생물에서 발견되어 유전자 교정 기술로 발전하였음 (그림2)
  

• –︎3.5세대 및 4세대 유전자 교정 기술인 Base editor와 Prime editor는 Cas 단백질에 기능 도메인을 융합하여, 유전자 이중가닥을 절단하지 않고도 정교한 교정을 가능하게 하는 도구임
  

• –︎이들 기술은 DNA를 절단하지 않고 직접 수정함으로써 기존 방법들에 비해 안전성이 뛰어나며, 오프타겟 효과를 최소화하면서도 정밀한 유전자 교정을 달성할 수 있어 의학적 및 연구적 활용도를 크게 향상시키고 있음
  

• –︎최근에는 Cas 단백질의 조상격으로 추정되는 트랜스포존 계열의 IscB와 TnpB 단백질을 이용한 새로운 유전자 교정 기술이 개발되고 있음
  

• –︎또한, 진핵생물에서 최초로 발견된 CRISPR 시스템인 Fanzor 단백질을 통해 기술의 범위가 확장되고 있음
  

[그림 2] 다양한 유전자 교정 기술

출처 :Frontiers in Genome Editing (2024)

• –︎유전자 교정 기술은 지속적인 발전으로 통해 바이오산업 전반에 걸쳐 광범위하게 활용되고 있으며, 특히 작년 말에는 유전자 교정 치료제가 FDA 승인을 받아 최초로 상용화되었음

• –︎이 승인은 유전자 교정 기술의 의료 분야에서 실질적으로 적용 가능함을 입증하며, 치료제 개발에 있어 새로운 장을 여는 중요한 이정표가 되었음
  
  

• ●본 이슈 페이퍼에서는 유전자 교정 기술개발 연구의 최신 동향과 다양한 산업 분야에서 해당 기술의 활용 사례를 소개하고자 함