유전체 편집
1. 개요
유전체 편집은 유전체 게놈에서 핵산분해 효소를 이용해 인공적으로 특정 유전자를 편집하여 더하거나 빼거나 대체하는 유전공학적 유전자 조작의 일종을 말한다.
미리 특정하게 조작된 핵산분해 효소가 유전체에서 특정한 DNA 구간을 절단한 후 이를 수리하는 과정에서 원하는 유전자를 빼거나 더하는 방식으로 이루어진다.
2. 역사
2.1. 최초의 유전자 가위, 제한효소
제한효소는 DNA의 특정한 염기배열을 식별하고 그 부위에서 DNA의 이중사슬을 절단하는 효소이다.
제한효소 중 II형 효소는 특정한 염기서열을 선택적으로 인식하고 그 부위를 정확하게 절단하여 유전공학에서 재조합 DNA를 만들기 위해 사용되었다. 지금까지 200여개의 제한효소가 보고되었으며 절단 염기서열 특이성을 가진 효소는 90여 종류가 있다. 제한효소는 인식부위가 3~8 염기쌍 밖에 되지 않고 종류가 한정되어 있어서 제약이 많다. 제한효소를 전체 유전체에 사용할 경우 절단 자리가 너무 많이 나와 유전체 편집 목적의 유전자 가위로써는 부적합 하였다.
2.2. 1세대 유전자가위, 징크핑거 뉴클레이즈(ZFNs)
이 유전자가위는 아연의 Zn, finger의 앞글자를 따서 F로 Zinc Finger로 통칭된다. 손가락 모양으로 기다란 고리 모양으로, DNA에 단단히 결합하는 단백질이다. 맨 처음 아프리카 발톱개구리에서 발견되었으며 이름에 아연이 붙인 이유는 기다란 고리 모양 중심에 아연 이온이 안정되게 위치하고 있어서이다.
징크핑거는 특정 DNA 염기서열과 결합하는 결합특이성을 가진다. 또한 아미노산 서열을 바꾸면 염기결합특성이 달라질 수 있다. 그러나 맨 처음 개구리에서 추출괸 징크핑거는 염기를 3개만 인식한다. 그러나 존스홉킨스 대학의 한 연구그룹은 6개의 징크핑거를 나란히 연결시켜 보다 긴 단백질을 만들어 염기인식 범위를 18개로 확대하고, 본격적으로 유전자가위로 활용하기 위해 징크핑거를 DNA를 절단하는 효소인 Foki 제한효소와 결합시켰다. 이를 통해 유전자가위 역할을 할 수 있는 징크핑거 뉴클레이즈가 탄생하였다.
징크핑거 뉴클레이즈는 두개의 영역이 있다. 먼저 징크핑거 영역은 특정 염기서열을 인식하여 복잡한 유전체 내에서 표적을 찾아가게 하고, 그 다음 제한효소 영역은 찾아낸 표적 염기서열을 절단한다. 이 시스템은 유전자 편집을 위해 DNA 단편을 주형으로 같이 넣어주고, 세포 내의 유전자 복구 시스템이 절단된 곳에 이 DNA 단편을 바탕으로 수선해 주도록 한다.
맨 처음 등장한 프로그램 가능한 유전자 가위이지만 새로운 목표 유전자에 맞추어 설계하기 어려운 단백질에 의존한다. 또한 잠재적으로 위험을 초래할 표적을 벗어난 표적외절단(오발) 가능성도 존재한다. 마지막으로, 비싸다.
2.3. 2세대 유전자가위, 탈렌(TALENs)
탈렌은 징크핑거와 마찬가지로 DNA와 결합하는 단백질이다. 탈렌은 박테리아와 같은 세균에 존재하며 특히 식물성 병원체인 잔토모나스에서 잘 알려졌다. 탈렌은 징크핑거와 다르게 손가락을 닮은 구조가 없지만 대상 DNA의 염기서열과 정확히 부합하여 DNA에 잘 결합한다. 탈렌을 구성하는 아미노산을 임의로 변경하면 결합 대상이 되는 염기서열도 바뀌므로 이 단백질을 맞춤식으로 변형할 수 있다. 탈렌의 장점은 별도의 가공, 확장 과정 없이 17개의 DNA염기와 결합하여 DNA를 서열 특이적으로 인식한다는 것이다.
징크핑거 뉴클레이즈는 설계가 어렵고 생산가격이 비싸며 제작과정이 너무 복잡하였다. 이러한 어려음의 직면한 미국 MIT는 이 문제를 피하기 위해 탈렌에 관심을 가지게 되었고 이를 이용하여 원숭이의 유전자를 편집해내는데 성공하여 세계적인 주목을 받았다. #
탈렌을 이용하 유전자가위도 징크핑거 뉴클레이즈처럼 DNA 절단을 위해 제한효소인 FokI를 사용했다. 탈렌은 목표유전자를 인식하는 탈렌 단백질 영역과 DNA를 절단하는 Foki 영역이 합쳐진 융합단백질이다. 징크핑거 뉴클레이즈와 유사한 구조를 가지고 작동하는 개념이다.
탈렌은 징크핑거 뉴클레이즈보다 디자인하기 쉽고 비교적 비용이 저렴하다. 하지만 탈렌 단백질은 여전히 생산과 세포 내 주입이 어렵고, 표적외절단은 여전히 문제이다.