유전체 편집
생명 과학, 유전 공학, 생명 공학 기술
65최근 수정 시각 : 2025-09-02- 03:18:34
- 유전체 편집은 DNA를 정교하게 자르고 붙여 유전자를 수정하는 혁신적인 생명공학 기술입니다. - 질병 치료 신품종 개발 합성 생물학 등 다양한 분야에서 무궁무진한 가능성을 열고 있습니다. - 메가핵산분해효소 징크핑거 핵산분해효소(ZFN) 탈렌(TALEN)을 거쳐 혁명적인 크리스퍼/Cas 시스템까지 발전했습니다. - 세포 자체의 DNA 수선 메커니즘을 활용하여 원하는 유전자 변이를 정확히 만들어내는 것이 핵심 원리입니다.
1980
[메가핵산분해효소 발견]
긴 DNA 서열(14~40 염기쌍)을 인식하고 절단하는 효소인 '메가핵산분해효소'가 발견되었습니다.
이는 유전체 편집에 활용될 수 있는 최초의 중요한 표적 핵산분해효소 중 하나였습니다.
높은 특이성을 가졌지만, 모든 서열에 적용하기 어렵다는 한계가 있었습니다.
메가핵산분해효소는 미생물종에서 흔히 발견되며, 인식 서열이 매우 길어 특이성이 높다는 장점을 가졌습니다. 하지만 유전체 내 모든 서열을 대상으로 효소를 제작하기에는 비용과 시간 소모가 비효율적이었습니다.
1989
[유전자 적중법 효율 한계]
생쥐 배아줄기세포를 이용한 실험에서, 원하는 서열을 가진 DNA를 넣어줄 경우 약 100만 개 중 하나꼴로만 정확한 위치에 변이가 일어나는 것이 확인되었습니다.
이는 기존 유전자 조작 방식의 낮은 효율성과 엄격한 선별 과정의 필요성을 보여주며, 더 정밀하고 효율적인 유전체 편집 기술의 필요성을 강조했습니다.
초파리의 P인자를 이용하는 경우에도 임의적 변이가 발생하여 다른 유전자 변이 패턴에 영향을 줄 수 있다는 한계가 있었습니다. 이러한 단점을 극복하기 위한 새로운 접근법의 필요성이 대두되었습니다.
1996
[ZFN 개념 최초 제시]
비특이적인 DNA 절단 도메인과 징크핑거 모티프의 DNA 결합 도메인을 결합하여, 원하는 염기서열의 DNA 절단을 유도하는 '징크핑거 핵산분해효소(ZFN)'의 개념이 처음으로 제시되었습니다.
이는 특정 유전자의 발현을 정교하게 조절할 수 있는 새로운 길을 열었습니다.
징크핑거 모티프는 여러 전사 인자에서 발견되며, 각 핑거의 C-말단 부분이 DNA 서열을 특이적으로 인식합니다. 짧은 인식 서열(약 3 염기쌍)을 가진 여러 징크핑거를 조합하여 약 20 염기쌍에 특이적인 단백질을 만들 수 있으며, 이를 핵산분해효소의 도메인과 융합하여 DNA 절단을 유도했습니다.
2011
[TALEN 기술의 원리 발표]
'탈렌(TALEN)'은 Xanthomanos 박테리아에서 발견된 탈이펙터 단백질의 DNA 결합 도메인과 제한효소를 결합하여 만든 인공 제한효소입니다.
이는 징크핑거와 유사하게 DNA를 인지하여 표적 부위의 DNA 이중가닥 절단을 유도하며, 징크핑거보다 더 높은 결합 특이성과 낮은 오프-타겟 효과를 가집니다.
탈 이펙터는 33~34개의 아미노산 서열이 반복된 형태로 이루어져 있으며, 각 반복 도메인이 한 개의 뉴클레오타이드를 인지합니다. 이 기술은 DNA 결합 특이성이 높고 오프-타겟 효과가 적다는 장점이 있었지만, 탈 이펙터의 크기가 크고 반복 서열이 많아 형질도입 시 템플릿 전환이 일어나는 한계가 있었습니다.
2012
[CRISPR/Cas9 유전자 가위의 혁명]
박테리아의 면역 시스템에서 유래한 '크리스퍼/Cas9 시스템'이 가이드 RNA(gRNA)를 이용해 특정 DNA 서열을 정확하게 찾아 절단할 수 있음이 발표되었습니다.
이 기술은 기존의 유전체 편집 방식보다 훨씬 간단하고 효율적이어서, 생명 과학 연구에 혁명적인 변화를 가져왔으며, '유전자 가위'라는 이름으로 널리 알려지게 되었습니다.
(이 기술로 2020년 노벨 화학상 수상).
CRISPR 시스템은 crRNA와 tracrRNA, 그리고 핵산분해효소(Cas9)를 이용해 외부 DNA를 인지하고 자르는 박테리아의 면역 체계에서 유래했습니다. 이를 하나의 가이드 RNA(gRNA)로 단순화하여 사용함으로써, 징크핑거와 탈렌에 비해 월등히 간편하고 효율적인 유전체 편집이 가능해졌습니다. 단, 타겟 위치 주변에 PAM 서열이 필요하고 오프-타겟 효과가 발생할 수 있다는 한계도 있습니다.
