바이오인

바이러스에 대항하는 박테리아의 새로운 생존 전략 규명

-CRISPR-Cas 시스템 이용한 보다 정교한 유전자 조작에 응용 기대-

□ 인간과 박테리아, 바이러스는 끊임없는 생존 전쟁을 치르며 고유의 면역체계를 발전시켜왔다.

○ 박테리아의 방어막을 뚫고 공격하는 바이러스의 면역회피 시스템과 이를 무력화 시키는 박테리아의 면역 시스템의 상호작용을 국내연구진이 새롭게 밝혀, 인간 유전자 편집 기술에도 응용이 기대된다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 박현호 교수(중앙대학교) 연구팀이 박테리아가 자신의 면역체계인 크리스퍼-카스(CRISPR-Cas)를 공격하는 바이러스의 항-크리스퍼(Anti-CRISPR) 유전자를 조절하고 면역시스템을 회복하는 새로운 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.

□ 흔히 유전자 가위로 불리는 크리스퍼-카스는 박테리아가 자신을 공격하는 바이러스의 유전정보를 기억하고 있다가 유사 유전자를 가진 바이러스가 침투할 경우 바로 제거하는 방어 시스템이다.

○ 바이러스는 크리스퍼-카스를 억제하는 다양한 항-크리스퍼 단백질을 가지고 박테리아의 면역체계를 무력화 시키며 진화하였다.

○ 박테리아 역시 바이러스의 항-크리스퍼 단백질을 무력화하는 방어 체계를 갖추고 있을 것으로 추정되었지만, 지금까지 관련 기전은 알려지지 않았다.

□ 연구팀은 바이러스의 항-크리스퍼 유전자와 밀접한 관계를 보이는 박테리아의 Aca (anti-CRISPR associate) 단백질에 주목하여 항-크리스퍼 단백질과의 상호작용을 연구하였다.

○ 연구 결과, Aca 단백질은 항-크리스퍼 단백질의 발현을 저해하는 전사인자로 작용함을 밝혔다.

○ 또한 Aca 단백질은 항-크리스퍼 유전자의 특정 프로모터*에 결합하는 방식으로 항-크리스퍼의 발현을 막아, 크리스퍼-카스를 정상 작동시키는 것을 확인하였다.

* 프로모터 : 모든 생명체에서 유전자의 전사(합성)를 조절하는 DNA의 특정 부위

□ 나아가, Aca 단백질의 3차원 구조를 규명하고, 어떻게 이 단백질이 특정 프로모터에 결합하여 바이러스의 무기가 되는 단백질 유전자 발현을 저해할 수 있는지를 분자 수준에서 규명하였다.

□ 박현호 교수는 “이번 연구는 바이러스의 면역 회피 시스템에 대항하는 박테리아의 또 다른 생존 전략을 규명한 연구”라며 “항-크리스퍼 단백질, Aca 단백질은 실제 크리스퍼-카스 시스템을 조절하는 단백질들이기 때문에 인간 유전자 치료 기술로 주목받는 크리스퍼-카스의 정교한 조절 등에 응용될 수 있을 것”이라며 연구 의의를 설명했다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 및 기초연구실사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘뉴클레익 애시즈 리서치(Nucleic Acids Research)’에 8월 26일 게재되었다.

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연구이야기

1. 연구의 필요성

○ 역사적으로 박테리아와 바이러스는 끊임없는 서로에 대한 생존 전쟁을 벌이고 있는데 그 결과 박테리아는 침입자 바이러스의 유전자 정보를 기억하고 있다가 유사 유전자 정보를 가진 바이러스가 다시 침투하면 제거할 수 있는 CRISPR-Cas시스템을 가지게 되었고, 바이러스는 다양한 anti-CRISPR 단백질을 가지고 있어 박테리아의 CRISPR-Cas 시스템을 무력화 시킬 수 있는 무기를 가지게 진화해 왔다.

○ 하지만 박테리아 역시 anti-CRISPR 단백질을 다시 무력화 시킬 수 있을 것이라 생각되었는데 그 기전은 알려지지 않았다.

○ 사람과 박테리아, 바이러스는 끊임없는 생존전쟁을 벌이고 있으며 그중 박테리아와 박테리아 침입 바이러스 또한 역사적으로 긴 생존전쟁을 벌이고 있는데 다양하게 진화되어온 다양한 무기들의 존재를 밝히고 이들의 작용메커니즘을 밝히는 것은 인류와 같이 존재하며 서로 생존전쟁을 벌이고 있는 공생체를 이해하기 위한 필수적 연구이다.

2. 연구내용

○ Aca 단백질이 anti-CRISPR 와 밀접한 관계를 가지고 발현이 같이 조절됨을 밝히고 이 Aca 단백질이 anti-CRISPR 단백질 발현 조절을 할 수 있는 전사인자일수 있음에 가설을 세웠다.

○ 연구결과, Aca는 anti-CRIPSR의 발현을 저해하는 전사인자로 작용하는 것을 알게 되었고 이 전사인자가 anti-CRISPR 유전자의 특정 프로모터에 결합하여 anti-CRISPR의 발현을 막아 CRISPR-Cas 시스템을 정상 작동시키는 것을 확인하였다.

○ 연구팀은 또한 Aca 단백질의 3차구조를 규명하여 어떻게 이 단백질이 특정 프로모터에 결합하여 바이러스의 무기가 되는 단백질 유전자 발현을 저해할 수 있는지를 분자레벨에서 규명하였다.

3. 연구성과/기대효과

○ 특히 CRISPR-Cas 시스템은 유전자 조작을 통한 미래의 인간 질병 치료의 목적으로 사용될 가능성이 있을만큼 중요히 연구가 되고 있는 분야인데 이 시스템이 보다 적절히 사용되기 위해서 그 조절 물질, 단백질이 필요한 상태이다. 실제 이번에 연구가 되는 Anti-CRISPR, Aca 단백질들이 향후 CRISPR-Cas 조절 단백질로 응용가능하기 때문에 더욱 필요한 연구이다.

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