업그레이드된 Cas9 단백질이 유전체의 좀 더 많은 부분에서 작동하고, 원치 않는 효과도 줄일 수 있는 것으로 밝혀졌다.

연구실에서 변형된 효소가 연구자들로 하여금 유전체의 많은 부분을 손볼 수 있게 해줄 뿐만 아니라 원치 않는 변화의 위험까지 줄여줌으로써, CRISPR-Cas9 유전자편집의 효용을 향상시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.

"이러한 특징들은 xCas9이라는 효소를 연구실의 주무기로 만들 수 있을 것이다. 그러나 그 잠재력을 완전히 밝히려면 좀 더 많은 테스트가 필요하다"라고 이번 연구를 지휘한 브로드연구소의 데이비드 리우 박사(생화학; 참고 2)는 말했다. 이번 연구는 2월 28일 《Nature》에 실렸다(참고 3).

5년 전 도입된 이후, CRISPR-Cas9 유전자편집은 전세계의 많은 생물학 연구실에서 핵심도구로 자리잡았다. 이 기법은 연구자들로 하여금 유전체의 특정 부위를 (기존의 방법들보다 훨씬 더) 쉽게 변경하게 할 수 있게 하지만, 불만스러운 한계가 몇 가지 있다(참고 4).

그중 하나는 변형할 부분 바로 옆에 PAM(Protospacer Adjacent Motif)이라는 특이한 DNA 시퀀스가 있어야 한다는 것이다. 그런데 자연계에서 발견되는 상이한 Cas9 효소(유전자가위)들은 상이한 PAM 시퀀스가 필요하며, 실험실에게 가장 흔히 사용되는 Cas9은 화농성연쇄상구균(Streptococcus pyogenes)에서 분리된 것으로, 유전체에 존재하는 부분을 '16개당 하나'의 비율로 조준할 수 있게 해준다.

"물론 그 정도만으로도 쓸모는 충분히 많다. 예컨대 하나의 유전자를 불능화하려는 연구자들은 그 유전자 내부의 많은 부분들을 선택하여 편집할 수 있다. 그러나 PAM은 매우 특이적인 변화를 시도하려는 연구자들을 제한할 수 있다"라고 독일 슈투트가르트 대학교의 알베르트 옐치 박사(생화학)는 말했다.

"매우 특이적인 변화를 시도하려는 연구자들 중에는 「'특정 DNA 시퀀스'나 '특정 DNA 글자의 화학적 변형'이 유전자 발현에 영향을 미치는 메커니즘」을 연구하는 과학자들이 포함되어 있다. 그들에게 PAM의 제한에서 벗어난다는 것은 매우 중요하다. 연구와 관련된 요소들 중 일부는 크기가 매우 작아서, 그러한 제한이 매우 유의미할 수 있기 때문이다"라고 옐치 박사는 말했다.

유전자가위를 예리하게!

이러한 문제점을 우회하는 방법을 찾아내기 위해, 리우가 이끄는 연구진은 'Cas9을 연구실에서 빨리 진화시켜 변화를 축적시킴으로써, 다양한 PAM 옆의 부분들을 절단할 수 있도록 하는 방법'을 이용했다. 그들은 궁극적으로 xCas9이라는 효소를 얻었는데, 이것은 광범위한 PAM 주변의 DNA 부위를 절단할 수 있어, 유전체의 1/4에 해당하는 부분을 겨냥할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

연구진은 유전체의 수십 군데에서 xCas9의 성능을 테스트하고, 그것을 염기편집기(base editor)라는 도구와 결합하여 하나의 DNA를 다른 DNA와 교환할 수 있도록 했다. 그 결과 놀랍게도, xCas9은 다양한 부분을 절단할 뿐 아니라 '엉뚱한 부분을 절단하는 오류'가 기존의 효소들보다 훨씬 더 적은 것으로 밝혀졌다.

"이번 연구에서 사용된 접근방법은 다른 세균에서 분리된 Cas9을 변형하는 데도 적용될 수 있다. 그중에는 크기가 비교적 작아 유전자치료법에 안성맞춤인 것도 있는데, PAM의 제약이 매우 성가신 경향이 있다"라고 UCSD의 프라샨트 말리 박사(생명공학)는 말했다.

"이번 연구는 눈부시다"라고 스탠퍼드 대학교의 스탠리 카이 박사(합성생물학)는 감탄했다. 카이 박사가 이끄는 연구진은 그들의 연구실에서 xCas9을 사용해 보고 싶어한다. "새로운 Cas9이 PAM를 광범위하게 인식할 뿐 아니라, 특이성도 매우 높다는 데 놀랐다. 그것은 경이로운 생물학이다"라고 그는 말했다.

※ 참고문헌
1. www.sciencemag.org/news/2018/02/upgrade-makes-genome-editor-crispr-more-muscular-precise
2. http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=289720&SOURCE=6
3. Hu, J. H. et al. Nature (2018); http://dx.doi.org/10.1038/nature26155
4. https://www.nature.com/news/crispr-hacks-enable-pinpoint-repairs-to-genome-1.22884 (한글번역 http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=288018&SOURCE=6)

※ 출처: Nature https://www.nature.com/articles/d41586-018-02540-x