인간지놈프로젝트(Human Genome Project)의 완성으로 2만 여 개의 유전자가 확인된 이래, 이들 유전자의 역할을 밝히는 연구가 진행되고 있다. 그런데, MIT 등이 개발한 새로운 접근법으로 전체 지놈을 한 번에 연구할 수 있게 되어서, 그 속도가 빨라지게 되었다.

CRISPR로 알려진 새로운 시스템을 이용하면 세포의 DNA로부터 영구적이고 선택적으로 유전자를 삭제할 수 있다. 이 연구팀은, 두 개의 새로운 논문에서 거대한 세포 집단 중 각 세포들에서 서로 다른 유전자를 삭제하고, 서로 다른 조건 하에서 어떤 세포들이 증식하는지를 관찰함으로써, 지놈의 모든 유전자들을 연구할 수 있다는 것을 보여주었다.

이 시스템을 이용하면, 포유류 세포들에서 체계적으로 유전자 스크리닝을 수행할 수 있으며, 그래서 이시스템은 비암호화 유전 요소(noncoding genetic element)뿐만 아니라, 단백질을 암호화하는 유전자들의 기능을 이해하는데 있어도 지대한 공헌을 할 것이라는 것이 사바티니(David Sabatini) 교수의 설명이다. 이 연구결과는 학술지 Science 의 인터넷 판에 실렸다.

이 연구팀은 이 시스템을 이용하여 흑색종(melanoma) 세포가 증식할 수 있을 뿐만 아니라, 화학요법 약물에 저항할 수 있게 하는 유전자들을 확인할 수 있었다. 이런 연구는, 암 세포의 생존에 필요한 유전자들이 드러나게 하기 때문에, 표적화된 암 치료제의 개발에 도움이 된다.

바이러스성 DNA를 인식하여 가위질하고, 자연발생적인 세균성 단백질을 이용하여 CRISPR 시스템을 장 (Feng Zhang) 교수가 개발했다. Cas9라고 알려진 이 단백질은 “가이드(guides)”로 불리는 짧은 RNA와 함께 가위질할 DNA에 결합한다. 이 DNA 편집 복합체(DNA-editing complex)는, 단순히 그 RNA 가이드의 서열을 변화시킴으로써, 어떤 유전자가 파괴될 지를 매우 정밀하게 통제(control)한다.

이 팀이 새로이 밝힌 것 중 하나는 이들 효소가 짧은 핵산 사슬로 쉽게 재프로그램(reprogram)될 수 있다는 것이다. 그리고, 이 재프로그래밍화를 이용하여 그 수를 크게 확대하여, 전체 지놈 범위로 스트리닝을 확대할 수 있다는 것을 이번 논문은 보여준다.

<유전체 범위 스크린>
이번 연구를 위해, 장 교수 등은 약 65,000개의 가이드 RNA 가닥(strands)으로 구성된 라이브러리를 만들었는데, 이 가닥들은 알려진 거의 모든 유전자들을 타깃으로 한다. 이들 가이드들이 CRISPR 시스템을 통해 사람 세포들로 수송된다. 각각의 세포들에 하나의 가이드가 들어가고, 그 가이드에 의해 표적화된 유전자들이 삭제된다. 삭제된 유전자가 생존에 필요한 것을 경우, 그 세포는 죽는다.

그렇게 많은 돌연변이가 통제된 방식으로 도입된 것은 이번 연구가 처음이며, 기능 유전체학 분야에서 있어 많은 것이 가능하게 되었다는 것이 샬름 (Ophir Shalem) 박사의 설명이다. 이번 접근으로 두 집단의 세포 즉, 암 세포와 다능성 줄기세포의 생존에 필요한 유전자들이 확인되었다. 또한, 흑색종 세포들이 화학요법제인 베무라페닙(vemurafenib)의 처리 시에 살아남는데 필요한 유전자들도 확인되었다.

나머지 한 편의 논문에서, 사바티니(Sabatini) 등의 연구팀은 더 작은 세트인 7,000여 개의 유전자를 타깃으로 하여, 각각의 유전자에 대해 RNA 가이드 서열을 더 정밀하게 디자인했다. 그리고, 각각의 서열들이 그의 타깃을 균일하게 충분히 차단할 것으로 예상했지만, 동일 유전자에 대해 가이드들의 차이에 따라서 생존율이 다양하다는 것을 발견했다. 이 결과가 시사하는 바는 가이드 RNA 서열들간에 본질적 차이 즉, 그 타깃 유전체 DNA를 절단하는데 있어 효율성의 차이가 존재한다는 것이다.

이 데이터를 기반으로 CRISPR-Cas9 시스템의 효율성을 관리할 수 있는 규칙들이 추론되었다. 그리고 그들 규칙은 어떤 주어진 유전자를 표적으로 하는 데 있어 가장 성공적인 서열을 예측할 수 있는 알고리즘 개발에 이용되었다. 이들 두 개의 논문을 통해서, 포유류 생물학의 근간이 되는 메커니즘을 유전체 수준에서 발견하는데 있어 CRISPR-Cas9 시스템이 비상한 파워를 가진 도구라는 것이 확인되었다고 한다.  

출처 : http://www.eurekalert.org/pub_releases/2013-12/miot-sug121113.php / KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-12-19