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핵심내용

-Genome Research지 발표, “유전자 및 줄기세포 치료의 정확성 높이는 신기술”-

 □ 이중나선 모양 DNA*의 한 가닥만을 선별해 부작용 없이 자르는 ‘유전자가위 기술’이 국내 연구진에 의해 개발되어 유전자와 줄기세포 치료의 정확성을 높이는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

    *) DNA(deoxyribonucleid acid): 유전정보를 담은 화학물질로 두 가닥의 사슬이 서로 꼬여 있는 이중나선 모양임

 ○ 서울대 김진수 교수(47세)와 김은지 박사가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었고, 유전체 분야의 권위 있는 학술지인 ‘지놈 리서치(Genome Research, IF=13.588)’지에 온라인 속보(4월 21일)로 게재되었다.

      (논문명 : Precision genome engineering with programmable DNA-nicking enzymes)

□ 김진수 교수 연구팀은 DNA 두 가닥 중 한 가닥만을 자르는 유전자 가위 기술을 개발해 세포 독성이나 돌연변이를 유발하는 부작용 없이 원하는 장소에만 변이를 일으키는데 성공하였다.

 ○ 유전자가위(engineered nuclease)는 특정 염기서열(DNA 표적 자리)을 인식해 절단하거나 교정하도록 고안된 인공 제한효소로, 인간세포를 포함한 모든 동·식물세포에서 특정 유전자를 절단해 변이를 일으키거나 교정하여 다양한 질병을 치료하는데 사용되는 도구로서 최근 과학자들로부터 주목 받고 있는 신기술이다.

 ○ 특히 김진수 교수가 주도적으로 개발·보급한 이 기술은 지난해 세계 최고 권위의 과학전문지 ‘네이처’의 자매지인 ‘Nature Methods (IF=20.7)’로부터 ‘올해의 기술(Method of the Year 2011)’로 선정되는 영예를 얻었다.

 ○ 지금까지의 유전자가위 기술은 이중나선 DNA 두 가닥을 모두 잘라내 독성을 일으키거나, 표적(target)하지 않은 곳에서도 작동하여 원치 않는 돌연변이를 발생시키는 등의 문제점이 있었다. 
□ 김 교수팀의 유전자가위 기술은 DNA 한 가닥만 자른 후 어떠한 부작용 없이 표적 장소에서만 유전자를 교정하는 첫 사례로 의미가 크다.

 ○ 최근 미국 하버드대 의대 연구팀(J. K. Joung 교수 등, Nucleic Acids Research지 2월 28일자)과 생명공학회사(Genome Research지 3월 20일자)는 각각 DNA 한 가닥만을 자르는 유전자가위 기술 개발에 성공했다고 발표하였다.

 ○ 그러나 이들은 유전자가위 기술로 표적 장소에만 변이를 일으키는지 여부를 확인하지 못하는 등 그 정확성을 입증하지 못했다.

 ○ 김 교수팀은 기존의 유전자가위 기술과 마찬가지로 외부에서 넣은 유사 DNA를 이용해 유전자를 정교하게 교정할 수 있으면서도 표적 장소 외에는 변이를 일으키지 않는다는 사실을 처음으로 확인했다.

□ 김진수 교수는 “유전자가위 기술은 유전자의 염기서열을 교정하거나 뒤집어진 유전자를 원상 복구하는 등 최근 과학자들이 주목하는 신기술이다. 향후 이 기술을 통해 유전자 또는 줄기세포 치료뿐만 아니라 에이즈나 혈우병과 같은 난치성 질환을 원천적으로 치료하는데도 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

 ○ 김 교수팀은 지난해 1월 세포 내에 존재하는 유전자의 특정 위치를 선별해 절단하는 유전자가위 대량 합성기술 개발에 성공하였고(Nature Methods지, 2011년 1월호), 11월에는 유전자가위 기술을 이용해 특정 유전자에 돌연변이를 일으킨 동·식물 세포를 쉽게 선별하는 방법을 개발하였다(Nature Methods지, 2011년 11월호). 최근에는 뒤집어진 혈우병 유전자를 다시 뒤집어서 원상 복구하는 기술을 개발한 바 있다(Genome Research지, 2011. 12. 19). 

상세내용

연 구 결 과 개 요

Precision genome engineering with programmable DNA-nicking enzymes

유전자가위(engineered nuclease) 기술은 DNA의 표적자리를 인식하여 유전자 염기서열을 교정할 수 있는 방법으로, 다양한 질병치료에 사용될 수 있는 도구로 주목받고 있다. 기존의 유전자가위는 이중나선 DNA의 두 가닥을 동시에 절단하는데, 세포는 Non-Homologous End Joining (NHEJ) 방법을 이용하여 자른 부위를 다시 연결하거나, 혹은 외부에서 넣어준 유사 DNA를 주형으로 하여 Homologous recombination (HR) 방법을 이용해 복구하기도 한다. NHEJ는 변이를 수반하고 HR은 오류 없이 정확히 수선되는 것으로 알려져 있다. 기존의 유전자가위는 NHEJ에 의한 오류를 제어할 수 없으며, 더욱이 표적자리뿐만이 아니라 표적하지 않는 자리에도 작동하는 단점이 보고됨에 따라 질병치료의 도구로서 걸림돌이 되고 있다. 본 연구에서는 DNA의 두 가닥을 자르는 현재 기술을 대신하여 DNA 한 가닥만을 자르는 새로운 유전자가위(engineered nickase)를 개발하였다. engineered nickase는 기존 유전자가위와 마찬가지로 외부에서 넣어준 유사 DNA를 이용하여 유전자를 정교하게 교정할 수 있는 반면 표적장소에서 원치 않는 변이를 만들지는 않았다. 또한 기존 유전자가위는 표적하지 않는 자리에서도 변이를 유도하는 반면 engineered nickase는 표적장소 이외에는 변이를 유도하지 않았다.

 본 연구를 통해 개발된 DNA 한 가닥만을 자르는 유전자가위는 기존 두 가닥을 자르는 유전자가위 기술의 한계를 극복했다는 점에서 큰 의의가 있다. 개발된 유전자가위를 이용하여 표적자리에 오류를 일으키지 않고 유전자를 정교하게 교정할 수 있고, 표적하지 않는 자리에 작동하는 부작용을 최소화하여 이를 통해 다양한 질병치료에 더욱 효과적으로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

용   어   설   명

1. Non-Homologous End Joining (NHEJ) :
세포내 두 가닥 이중나선 DNA 손상이 발생할 때 교정할 수 있는 메커니즘의 하나로, 잘려진 DNA 가닥이 유사염기서열을 이용하지 않고 잘린 말단을 바로 연결하거나 변이를 수반하여 교정하는 수리 기작이다.

2. Homologous recombination (HR):
세포 내 두 가닥  이중나선 DNA 손상이 발생할 때 오류 없이 교정할 수 있는 메커니즘의 하나로, NHEJ와는 달리 유사한 염기서열을 주형으로 하여 DNA 말단이 연결되는 세포내 수리 기작이다.

사  진  및  모  델  설  명

왼쪽그림: 기존에 사용되고 있는 DNA 두 가닥을 자르는 유전자 가위인 Zinc finger nuclease로 세포내 DNA 손상을 유도할 경우, NHEJ 수리 기작을 이용하여 표적자리에 돌연변이를 도입하거나 혹은 외부에서 도입한 유사 염기서열 DNA를 주형으로 하여 HR 방법에 의해 손상된 DNA를 교정한다. DNA 두 가닥을 자를 경우 세포내 수리 기작 중 HR보다 NHEJ가 더 우세하게 작용하므로, NHEJ에 의한 오류를 제어할 수 없는 단점이 있다.

오른쪽그림: 본 연구에서 개발한 유전자 가위인 Zinc finger nickase를 세포에 도입할 경우 DNA 한 가닥만을 자르는 것이 확인되었고, 외부에서 도입한 유사 염기서열 DNA를 주형으로 하여 HR에 의한 교정을 유도함은 물론, 잘린 DNA 말단의 거의 대부분이 오류 없이 다시 연결되는 것을 확인했다. 이 방법을 통해 NHEJ에 의한 오류를 제어함으로써 기존 방법의 부작용을 줄일 수 있음을 보였다.