쉽고 빠르게 ... 우수한 유전자 가위 선별 기술 개발
쉽고 빠르게 ... 우수한 유전자 가위 선별 기술 개발
유전자가위의 핵심역할 ‘가이드 RNA’ 효율 평가하는 기술

유전자 가위 이용한 질병모델 개발 및 치료제 개발 가속화에 기여

동남권원자력의학원 최시호 박사팀, 연구결과 Nucleic Acids Research에 발표
  • 박원진
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  • 승인 2021.06.17 09:36
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[헬스코리아뉴스 / 박원진] 유전자 가위의 효율을 기존의 방법보다 더 빠르고 정확하게 평가할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

유전자 가위란, 세포 내에 있는 유전물질인 약 33억 쌍의 DNA 서열 중에서 원하는 20개의 DNA 서열을 인식하고 절단하는 기술이다. DNA는 염기 서열 하나만 잘못되어도 치명적인 유전질병이 발생할 수 있는데, 유전자 가위를 사용하여 원인 유전변이를 교정하면 질병을 치료할 수 있다. 예를 들어, 혈우병은 원인 유전자의 유전변이에 의해 발생하는데, 유전자 가위를 이용하여 혈우병의 원인 유전변이를 고칠 수 있다. 유전자 가위로 유전변이를 유발하여, 치료제 개발연구에 활용할 수 있는 ‘연구용 질병 모델’도 개발할 수 있다.

특히 종양은 여러 유전자의 유전변이 조합에 의해 발생되는 경우가 많은데, 유전자 가위를 이용하여 이러한 연구용 종양을 만들면 유전변이에 따라 적합한 치료제를 찾아낼 수도 있다.

 

동남권원자력의학원 연구센터 최시호 박사(교신저자)
동남권원자력의학원 연구센터 최시호 박사(교신저자)

동남권원자력의학원(의학원장 박상일) 연구센터 최시호 박사팀은 종양 모델을 개발하기 위해 세포와 생쥐에 유전변이를 유발하고자 하였는데, 유전자 가위를 이용한 유전변이 발생 효율이 예상과 다른 경우가 많게 되자, 종양 동물 및 세포 모델 개발을 쉽고 빠르게 할 수 있는, 효율이 좋은 유전자 가위를 선별하는 기술 개발을 시작했다.

최 박사는 “3세대 유전자가위(CRISPR/Cas9)를 이용하여 유전자 편집을 하기 위해서는 유전자 가위의 특정 서열을 인식하는 길잡이 역할을 하는 가이드 RNA의 효율이 중요하다”며 “실험적으로 측정·비교하여 성능 좋은 가이드 RNA를 선별하는 것이 무엇보다 중요하므로, 가이드 RNA의 효율을 측정할 수 있는 Lacl 리포터 시스템을 개발하게 되었다”고 밝혔다.

유전자가위(CRISPR/Cas9)는 유전자의 특정 부위를 절단해 유전체 교정을 가능하게 한다. DNA를 자르는 절단효소(Cas9 단백질)와 가이드 RNA로 구성되어 있다. 길잡이 역할을 하는 가이드 RNA가 DNA 염기서열 중 목표한 위치에 달라붙으면 Cas9 단백질이 DNA를 잘라낸다.

LacI 리포터는 유전자 절단 기반 시스템이다. 가이드 RNA의 효율을 평가하기 위해 사용할 수 있는 방법은 T7E1 분석, Surveryor nuclease 분석, 차세대염기서열 분석 및 리포터 시스템 등 여러 가지가 있다. 연구팀은 이번 연구에서, 가이드 RNA의 절단 효율성을 평가하기 위해 Lacl 리포터라는 이름을 가진 유전자 절단 기반 리포터 시스템을 개발했다. 
 
이 리포터 시스템은 기존의 방법들과 비교하여 시간과 비용은 절감할 수 있고, 정확성 면에서도 현재 가장 우수한 방법으로 평가받고 있는 ’차세대염기서열 방법’과 비슷한 수준으로 가이드 RNA의 효율을 측정할 수 있다. 기존의 차세대염기서열 분석법은 하나의 표적서열에 대하여 각각 증폭 및 염기서열 분석을 해야 하지만, 이번에 개발한 리포터 시스템은 120개 이상의 표적서열을 하나의 리포터에서 분석할 수 있어 시간과 비용, 효율면에서 우수하다고 최 박사는 설명했다. 복잡한 것을 간단하면서도 정확하게 만들고자 하는 아이디어가 반영된 연구이다.

한편, 유전자 가위 기술은 유전병의 치료 뿐 아니라 품종개량, 질병의 원인 연구, 환자 맞춤형 약물 검색 등 여러 분야에 활용 가능한 유망한 연구 분야이다. 특히 효율 높은 유전자 가위 선별 기술은 유전자 편집 기술의 출발점이며, 이번 연구결과는 앞으로 유전자 가위를 이용한 질병 모델 개발 및 치료제 개발을 가속화하는데 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 동남권원자력의학원이 과학기술정보통신부의 정부출연금 사업(제목: 방사선 및 세포치료를 이용한 난치암 제어기술 연구)으로 수행한 것이다.

연구결과는 영국 옥스퍼드대학교에서 출판하는 Nucleic Acids Research 저널 6월호에 온라인 게재되었다. 이 저널은 DNA에 관련된 광범위한 내용을 다루는 영향력 있는 저널 중 하나이다.(영향력 지수 11.5)

 

[유전자 가위의 효율을 평가할 수 있는 리포터 시스템]유전자 가위로 표적 서열을 절단하면 루시퍼레이즈 (Luciferase)의 발현을 억제하고 있던 LacI 단백질이 발현하지 않게 되고, 따라서 루시퍼레이즈가 활성화 된다. 루시퍼레이즈가 발생하는 빛을 측정하여 유전자 가위가 표적 서열을 절단하는 정도를 측정할 수 있다. 루시퍼레이즈 활성화를 측정하여 가이드 RNA 효율을 정량화할 수 있다.
[유전자 가위의 효율을 평가할 수 있는 리포터 시스템]
유전자 가위로 표적 서열을 절단하면 루시퍼레이즈 (Luciferase)의 발현을 억제하고 있던 LacI 단백질이 발현하지 않게 되고, 따라서 루시퍼레이즈가 활성화 된다. 루시퍼레이즈가 발생하는 빛을 측정하여 유전자 가위가 표적 서열을 절단하는 정도를 측정할 수 있다. 루시퍼레이즈 활성화를 측정하여 가이드 RNA 효율을 정량화할 수 있다.
[유전자 가위의 효율 측정 비교 - 리포터 시스템 vs. 차세대염기 서열분석법]가이드 RNA의 효율을 리포터 시스템과 차세대염기서열 분석법으로 각각 분석하여 두 방법 간의 상관관계를 분석하였다. 상관계수는 0.7810로서 두 방법 간의 상관관계는 높았으며, 이러한 결과는 리포터 시스템이 차세대 염기서열분석법과 유사한 수준의 정확성을 보여준다는 것을 나타낸다.차세대염기서열 분석법은 하나의 표적서열에 대하여 각각 증폭 및 염기서열 분석을 해야 하지만, 이번에 개발한 리포터 시스템은 120개 이상의 표적서열을 하나의 리포터에서 분석할 수 있어 시간과 비용, 효율면에서 우수하다.
[유전자 가위의 효율 측정 비교 - 리포터 시스템 vs. 차세대염기 서열분석법]
가이드 RNA의 효율을 리포터 시스템과 차세대염기서열 분석법으로 각각 분석하여 두 방법 간의 상관관계를 분석하였다. 상관계수는 0.7810로서 두 방법 간의 상관관계는 높았으며, 이러한 결과는 리포터 시스템이 차세대 염기서열분석법과 유사한 수준의 정확성을 보여준다는 것을 나타낸다.차세대염기서열 분석법은 하나의 표적서열에 대하여 각각 증폭 및 염기서열 분석을 해야 하지만, 이번에 개발한 리포터 시스템은 120개 이상의 표적서열을 하나의 리포터에서 분석할 수 있어 시간과 비용, 효율면에서 우수하다.

 


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