성덕고등학교 아침 T.E.D (Technology, Entertainment, Design) 24회 영역: 생명 공학

[1] 유전자 가위는 마치 가위로 종이를 자르듯 DNA에서 원하는 부위를 잘라 내서 유전 정보를 바꾸는 도구이다.  특정 유전자를 포함한 DNA를 인식하는 부분과 DNA를 자르는 가위 역할을 하는 부분으로 구분되는 눈에 보이지 않을 정도로 작은 인공 단백질 복합체이다. 유전자 가위를 이용해 특정한 DNA 구간을 자르면 원하지 않는 유전자를 삭제하거나 다른 성질을 지닌 유전자로 교체할 수 있다. 이러한 과정을 유전자 교정이라고 한다.

[2] 유전자가위는 1세대 징크핑거 뉴클레아제(ZFN；Zinc Finger Nucleases), 2세대 탈렌(TALEN；Transcription Activator-Like Effector Nucleases), 3세대 크리스퍼(CRISPR；Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)의 단계로 발전하였다. 징크핑거 뉴클레아제는 징크핑거와 3~4개의 뉴클레아제(핵산분해효소)가 결합한 것이다. 특정 DNA 염기서열을 인식하여 결합할 수 있는 징크핑거 단백질 6개를 엮고, 이것을 세균들이 단백질 절단을 위하여 사용하는 제한효소 'Fokl'과 결합함으로써 DNA 인식능력과 절단능력을 결합한 1세대 유전자가위가 탄생하였다. 탈렌은 설계와 제작 과정이 복잡하고 비용이 많이 드는 데다가 사용 중 오작동이 많이 발생하는 징크핑거 뉴클레아제의 문제점을 개선하기 위하여, 식물성 병원체인 잔토모나스(Xanthmonas)를 이용하여 개발한 것이다. 탈렌을 구성하는 아미노산 서열은 절단하는 DNA의 염기서열과 일치하기 때문에 탈렌의 아미노산 서열을 변경하면 결합 대상인 DNA의 염기서열도 달리할 수 있어 단백질을 맞춤식으로 변형하기가 훨씬 수월하다. 3세대인 크리스퍼 유전자가위는 교정하려는 DNA를 찾아내는 RNA(리보 핵산)와 DNA를 잘라내는 제한효소인 Cas9를 결합하여 만든 것으로 1세대 및 2세대와 달리 복잡한 단백질 구조가 없고 DNA 절단 정도가 더욱 깊다. 이전 세대의 유전자가위들과 달리 오작동에 대한 보호장치가 없어 자칫하면 엉뚱한 부분을 잘라내 돌연변이를 일으킬 수 있다는 것이 치명적 단점이긴 하지만, 과거에는 유전자 하나를 잘라내고 새로 바꾸는 데 수개월에서 수년씩 걸리던 것이 크리스퍼가 개발되면서 수일 이내로 단축되었을 뿐 아니라 동시에 여러 군데의 유전자를 손볼 수도 있게 되는 등 유전자 교정에 획기적인 발전이 이루어졌다.

[3] 미국 펜실베이니아대 과학자들이 유전자 가위 기술을 적용해 어른 원숭이의 간세포 유전자 기능을 약화, 콜레스테롤 생성량을 낮추고 심근경색을 치료할 수 있는 방법을 개발했다. 간세포 내에서 혈중 콜레스테롤을 운반하는 저밀도 리포 단백질(LDL)의 수치가 높아질 경우 심장 질환이나 뇌일혈에 걸릴 가능성이 높아진다. 윌슨 교수는 LDL을 활성화하는 유전자가 PCSK9임을 확인했다. 그리고 몸에 해롭지 않은 아데노 관련 바이러스(AAV)를 활용한 유전자 가위 기술을 적용해 쥐 간 세포 안에 있는 PCSK9을 제거했다. 여기서 성공을 거둔 연구팀은 붉은털원숭이 실험을 시도했다. 시술을 받은 붉은털원숭이 간세포 안에 있는 PCSK9 유전자 중 64%가 무력해졌고 연구팀이 마카크 원숭이를 대상으로 고강도의 시술을 한 결과 PCSK9의 기능이 84%까지 떨어졌고, 콜레스테롤 수치가 60% 내려갔다.

[4] 한국과학기술연구원에서는 암을 공격하는 면역세포의 활성을 높일 수 있는 유전자가위 기술을 개발했다. 유전자가위가 외부 전달체 없이 세포막을 뚫고 세포 속으로 들어갈 수 있게 개량했던 KIST 연구진은 한 발짝 더 나아가 이 유전자가위에 혈액암 세포가 면역세포인 세포독성 T세포의 공격에 저항하지 못하게 만드는 기능을 추가했다.

[5] 중증 혈우병 환자 대다수는 8번 혈액응고인자 유전자의 일부가 뒤집어져 단백질이 제대로 만들어지지 않아 발생한다. 공동 연구팀은 탈렌을 제작해 인간 유래 역분화 줄기 세포에 도입해서 혈우병 질환 모델 세포를 만들었다. 더 나아가 만들어진 질환 모델 세포에 동일 탈렌을 도입해 뒤집어진 염색체를 원상 복구하여 8번 혈액응고인자의 발현을 정상상태로 복구시키는 데 성공하였다.

[6] 현재 유전자 가위를 이용한 유전자 교정은 점점 더 정교하고 편리한 형태로 발전을 거듭하며 유전 정보를 활용하기 위한 핵심 기술로 자리 잡고 있다. 식물, 동물, 인간 등 모든 생물체에 대한 유전자 편집 및 조절 작용에 획기적으로 이용 가능하다. 명확한 녹아웃을 만들어 기능 상실을 유도하거나 새로운 유전자의 기능을 확인하는 연구 뿐 아니라 이를 응용한 유전자 발현 조절, RNA 편집, DNA 메틸레이션 조절 등 무궁무진한 확장성을 가지고 있다.

1 . 유전자 가위 기술이 질병 치료 이외에도 어떤 목적으로 사용되는지 쓰시오.

2. 유전자 가위 기술에 대한 자신의 생각을 쓰시오.

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✜ 자료조사 : 김아린

✜ 대본작성 : 김아린

✜ 프레지 제작 : 김가을 김아린 유슬기 장가연

✜ 촬영 : 김가을 김아린 유슬기 장가연

✜ 편집 : 장가연

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