부처연구성과
'RNA 유전자가위' 활용한 발암유전자 분석방법 개발
- 등록일2014-01-29
- 조회수7283
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성과명
'RNA 유전자가위' 활용한 발암유전자 분석방법 개발
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연구자명
김진수
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연구기관
서울대학교 화학부
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사업명
리더연구자지원사업
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지원기관
미래창조과학부와 한국연구재단
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보도자료발간일
2014-01-29
- 원문링크
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키워드
#유전자가위 #발암유전자
- 첨부파일
RNA+유전자가위+활용한+발암유전자+분석방법+개발.hwp
핵심내용
고가의 DNA 염기서열 분석장비 없이 유전형 분석 가능해져
□ 국내 연구진이 RNA 유전자가위*를 이용해 DNA를 잘라 유전자를 분석하는 방법을 개발했다. 향후 유전자가위를 이용한 유전자 진단법 개발에 기여할 것으로 기대된다.
* RNA 유전자가위(RNA-guided engineered nuclease; RGEN) : 미생물의 면역체계로 알려진 CRISPR 시스템을 이용해 연구자가 원하는 유전자 염기서열을 절단하도록 고안된 인공제한효소로 작은 가이드 RNA와 Cas9 단백질로 구성됨
o 서울대학교 김진수 교수팀과 ㈜툴젠 김석중 박사가 수행한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 정민근)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었고 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 온라인판 1월 20일자에 게재되었다.
(논문명 : Genotyping with CRISPR-Cas-derived RNA-endonucleases)
□ 연구팀은 발암유전자와 정상유전자를 각각 자를 수 있는 RNA 유전자가위를 설계하고 이를 이용해 돌연변이 존재여부를 정확히 확인하는 방법을 개발했다.
o 유전자 교정을 위해 응용되는 RNA 유전자가위가 유전자 진단을 위해서도 사용될 수 있는 가능성을 제시한 것으로 주목받고 있다.
□ 유전형분석(genotyping)은 개체 별 유전자의 차이를 분석하는 것을 의미하여 각종 질병에 대한 감수성을 비롯해서 다양한 형질차이를 밝히기 위해 사용된다. 또한 법의학에서 개개인 식별에 활용되기도 한다. 그 대표적인 방법으로는 특정 염기서열을 인식해 절단하는 제한효소를 이용해 DNA가 잘리는지 여부를 확인하는 방법(제한효소 절편 길이 다형성, RFLP)이 있다.
o 하지만 이 방법은 쓸 수 있는 제한효소가 한정되어 있다는 단점이 있었는데 이번 연구결과에서처럼 RNA 유전자가위가 제한효소 역할을 대신한다면 원하는 부위에 맞게 유전자가위를 설계할 수 있어 보다 보편적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
□ 특히 이 방법의 경우 고가의 염기서열 분석장비를 사용하지 않고 간단한 전기영동 장비*만 필요해 저렴한 비용으로 손쉽고 빠르게 유전자를 분석할 수 있다는 설명이다.
* 전기영동장비 : 음전하를 띠는 DNA/RNA가 다공성 겔(gel)을 따라 크기에 따라 서로 다른 속도로 양극을 향해 이동하도록 전압을 걸어주는 장치. DNA/RNA의 크기에 따른 분리가 가능하다.
o 한편 분석을 원하는 유전자에 대응할 수 있도록 가이드 RNA*만 교체해 주면 발암유전자 이외에도 다양한 유전자 분석에 활용될 수 있을 전망이다.
* 가이드 RNA : RNA 유전자가위의 특이성을 결정하는 핵심요소로 Cas9 단백질을 특정 DNA 서열로 유도하는 작은 RNA 분자.
□ 김진수 교수는 “이 기법은 RNA 유전자가위에 의해 도입된 세포내 돌연변이 확인을 위해 개발되었으나 유전자 진단에도 효과적”이라고 설명했다. 김석중 박사는“RNA 유전자가위를 이용해 암을 조기에 진단하는 키트를 개발할 계획”이라고 밝혔다.
상세내용
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
RNA-guided engineered nuclease(RGEN) 기술은 미생물에서 유래한 CRISPR/Cas 시스템을 이용한 새로운 유전자가위 기술로서, 인간세포를 비롯한 동식물 세포에서 원하는 DNA 부위에 이중가닥 절단(Double Strand Break, DSB)를 일으키고 그 결과 높은 효율로 특정 유전자에 돌연변이를 일으킬 수 있는 기술이다.
Restriction Fragment Length Polymorphism(RFLP) 기법은 DNA를 제한효소로 절단할 때 절단된 유전자의 길이가 개개인에 따라 다양하게 나타나는 현상으로 유전자 감식이나 친자확인 등에 활용할 수 있는 기술이다. 하지만 제한효소가 작용할 수 있는 DNA 서열이 있는 경우에만 이 방법을 사용할 수 있다는 단점이 있다. 이러한 한계가 RFLP 기법을 다양한 유전자 감식에 적용하는데 걸림돌이 되고 있다.
2. 연구내용
연구팀은 guide RNA의 서열에 따라 절단할 수 있는 DNA의 서열을 바꿀 수 있다는 RGEN 기술의 특성을 이용해 특정 DNA 서열만이 제한효소를 이용할 수 있다는 RFLP 기술의 단점을 극복할 수 있는 방법을 제시하였다.
제한효소를 사용해 RFLP를 하는 경우 염기서열이 제한되어 있을 뿐만 아니라 새로운 서열을 인식하기 위해 다른 종류의 제한효소를 사용해야 한다는 단점이 있다. 하지만 RGEN을 이용하면 guide RNA의 서열만을 바꾸어 줌으로써 새로운 DNA 서열을 인식할 수 있는 RGEN을 손쉽게 제작이 가능하다는 사실을 밝혀냈다.
이러한 방법을 이용하여 발암 유전자로 알려진 CTNNB1, KRAS, PIK3CA, IDH1, BRAF, NRAS 등 다양한 유전자의 변이를 확인을 할 수 있었다. 정상인의 유전자를 표적할 수 있는 RGEN을 이용하였을 경우에는 정상인의 DNA에만 절단이 일어나는 것이 관찰되었으며 변이가 생긴 유전자를 표적할 수 있는 RGEN을 이용하였을 경우에는 변이가 생긴 유전자를 가진 암세포의 DNA에만 절단이 일어나는 것을 확인하였다.
또한 유전자의 변이가 대립유전자 중 하나의 유전자에만 변이가 있는지 또는 두 개의 유전자 모두에 변이가 있는지 여부를 간편하게 확인이 가능하다는 사실을 밝혀냈다.
3. 기대효과
RGEN을 이용한 RFLP 기법은 고가의 염기서열 분석장비를 사용하지 않고 빠르고 손쉽게 수행 할 수 있기 때문에 발암유전자를 진단하는데 널리 쓰일 수 있다. 또한 유전자감식이나 유전질환을 진단하는데 널리 사용가능하여 바이오 연구 및 산업에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
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이번 성과 뭐가 다른가 |
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RNA 유전자가위를 이용하여 발암 유전자 등 다양한 유전형을 분석할 수 있음을 입증하였다. |
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어디에 쓸 수 있나 |
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인간을 비롯한 생명체의 유전자 감식에 널리 활용될 수 있다. |
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실용화까지 필요한 시간은 |
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연구용으로는 ㈜툴젠에 의해 실용화되었다. 연구용이 아닌 실제 유전자 진단에 적용하기 위해서는 손쉽게 사용할 수 있는 키트를 개발해야 하고 인허가 과정을 거쳐야 한다. |
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연구를 시작한 계기는 |
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RNA 유전자가위를 이용해 인간배양세포 및 동식물에서 돌연변이를 일으키는 연구를 수행하던 중 바로 그 RNA 유전자가위를 이용해 돌연변이를 검출할 수 있지 않을까 하는 아이디어에서 비롯되었다. |
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꼭 이루고 싶은 목표는 |
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암의 원인이 되는 유전자 변이를 조기에 진단하는 키트를 개발하여 암이 발생하기도 전에 치료, 제거할 수 있게 되기를 기대한다. |
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신진연구자를 위한 한마디 |
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자기 자신의 선택과 능력을 믿어야 합니다. 우리 모두는 수십억년의 자연선택에서 살아남은 위대한 생존자들입니다. 우리 각자의 능력과 선택은 스스로 생각하는 것보다 훨씬 더 위대합니다. |
용 어 설 명
1. 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)
○ 네이처 출판 그룹에서 발생하는 국제학술지(IF=10.0, 2012년 기준)
2. 유전자가위(Engineered nuclease)
○ 연구자가 원하는 DNA 염기서열을 특이적으로 자를 수 있도록 고안된 인공 제한효소로 zinc finger nuclease, TALEN, RGEN(RNA 유전자가위), 세 종류가 개발되었음
○ 유전자가위는 인간 및 동식물 세포의 특정 DNA 표적장소에 절단을 일으켜서 그 부위에 돌연변이를 유도하는데 사용됨
○ 유전자 기능 확인, 유전자 교정 등 다양한 목적으로 쓰이고 있음
3. 제한효소 절편길이 다형성 분석(RFLP)
○ 제한효소로 DNA를 잘랐을 때 DNA 서열에 따라 그 절편의 크기가 달리 나타나는 현상을 이용하여 유전형을 분석하는 방법
○ 유전자 진단, 친자 확인, 법의학 등에 널리 사용되고 있으나 적절한 제한효소가 있어야 한다는 제약이 있음
○ 제한효소 대신 RNA 유전자가위를 맞춤 제작하여 사용하게 되면 이러한 제약 없이 RFLP 방법을 보편적으로 적용할 수 있게 됨
4. 이중 대립 형질 돌연변이
○ 이배체(diploid) 세포에서 양쪽 염색체 모두에 돌연변이가 도입된 경우를 뜻함. 한쪽 염색체에만 변이가 도입된 경우 단일 대립 형질 돌연변이라고 함
5. 이형접합자
○ 이배체(diploid) 세포에서 대립유전자 염기서열이 서로 다른 경우를 뜻함. 반면 대립유전자 염기서열이 같은 경우는 동형접합자라고 함
그 림 설 명
그림 1. RNA 유전자가위를 이용한 돌연변이 유전형 분석방법 모식도
정상유전자를 표적하는 RNA 유전자가위(RGEN)을 이용할 경우 유전형질에 따라 절단여부가 달라져 특정 유전자의 돌연변이 여부를 확인할 수 있다. (왼쪽 위)처럼 정상형질 DNA는 모두 절단되지만 (왼쪽 아래)처럼 단일 대립형질 돌연변이의 경우 하나의 대립유전자인 정상유전자만 절단되고 나머지 하나의 대립유전자는 돌연변이 때문에 절단되지 않는다. 반면 이중 대립형질 돌연변이의 경우 (오른쪽 위)처럼 이형접합자인 경우나 (오른쪽 아래)처럼 동형접합자인 경우 모두 절단되지 않는다.
그림 2. RNA 유전자가위를 이용한 돌연변이 유전형 분석결과 모식도
다양한 형질의 DNA를 정상유전자를 자르는 RNA 유전자가위(RGEN)로 절단하고 그 조각들을 전기영동(gel electrophoresis)하여 크기별로 분리한 결과 (가)에서처럼 정상형질은 두 조각의 절편이 나타나는 반면 (나),(다),(라)에서 처럼 돌연변이는 한 조각 또는 세 조각의 절편이 나타나 서로 구분할 수 있다. 특히 단일대립형질(나)인지 이중대립형질(다,라)인지도 구분할 수 있는 것이 장점이다.
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