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새로 발견된 CRISPR 효소 Cas12a2는 암, 바이러스 및 유전적 결함에 사용될 수 있다.

세포 파괴자로서의 CRISPR 유전자 가위
새로 발견된 CRISPR 효소 Cas12a2는 암, 바이러스 및 유전적 결함에 사용될 수 있다.

새로운 효과:
연구원들이 박테리아에서 완전히 새로운 형태의 유전자 가위를 발견했다. 이 가위는 바이러스에 감염된 세포나 RNA와 DNA를 절단해 퇴화한 세포를 특이적으로 파괴할 수 있다. 그러나 CRISPR/Cas12 유전자 가위는 표적 템플릿과 일치하는 세포의 RNA 섹션을 만날 때만 활성화된다. 이것은 과학자들이 네이처의 두 기사에서 설명하는 것처럼 암 치료, 바이러스 퇴치 또는 바이러스 테스트에 사용될 수 있다. 

▲ 표적 RNA 및 그것의 플랭킹 서열(PFS)과 접촉하기 전, 활성화 후 및 DNA 절단 시 CRISPR/Cas12a2 구성. © Bravo et al./Nature, CC-by 4.0

CRISPR/Cas9 유전자 가위는 유전공학과 생물의학에 혁명을 일으켰고 발견자들에게 2020년 노벨상을 안겨주었다. 게놈에서 특정 DNA 염기나 유전자를 쉽고 정확하게 잘라내어 대체할 수 있기 때문이다. 이는 검색 중인 DNA 서열에 상보적인 변경하기 쉬운 "가이드 RNA"에 의해 가능하다. 이것이 발견되면 분자 복합체가 축적되고 Cas9 효소는 "표시된" DNA 부분을 잘라낸다.

CRISPR 유전자 가위가 게놈의 감지된 부분으로 정확히 무엇을 하는지는 부착된 Cas 효소에 따라 다르다. Cas9는 특히 게놈 가닥에서 DNA 섹션 또는 개별 DNA 염기를 제거하는 반면, 다른 효소는 절단하지 않고 후생유전학적으로 찾는 유전자를 침묵시킨다. 또 다른 변종은 Cas12 효소를 사용해 코로나바이러스 SARS-CoV-2와 같은 바이러스 RNA의 존재를 특이적으로 감지한다.

새로운 종류의 CRISPR 효소 발견

최근 과학자들은 이전에 알려진 것과 효과가 다른 Cas 효소를 발견했다. 연구를 위해 뷔르츠부르그(Würzburg)에 있는 헬름홀츠(Helmholtz) 감염 연구 센터의 올렉 드미트렌코(Oleg Dmytrenko)와 그의 동료들은 이른바 Cas12a 계열의 CRISPR/Cas 효소를 조사했다. 그들은 바이러스에 감염된 세포를 죽이고 개체군에서 바이러스의 확산을 제한하기 위해 박테리아에 의해 투입된다.

팀은 이전에 알려지지 않은 Cas 효소를 발견했으며 이를 Cas12a2라고 명명했다. "이 뉴클레아제는 Cas12a와 완전히 다른 일을 하지만 우리가 알고 있는 모든 CRISPR 뉴클레아제와도 다르다"고 Dmytrenko는 보고했다. 이 효소와 그 기능을 더 자세히 분석하기 위해 연구자들은 CRISPR/Cas12a2 구조물의 유전자를 대장균 박테리아에 도입하고 그 작용을 관찰했다.

RNA와 DNA를 포획하여 절단

CRISPR/Cas12a2에는 몇 가지 특별한 기능이 있는 것으로 밝혀졌다. 새로운 유형의 유전자 가위는 가이드 RNA와 상보적인 DNA 서열을 찾는 것이 아니라 적절한 RNA 섹션에 결합한다. 이 부착은 극저온 전자 현미경 분석에 의해 밝혀진 바와 같이 유전자 가위의 갑작스러운 구조적 변화를 유발한다. 처음에는 활짝 열린 굴과 유사한 분자 복합체가 닫히면서 효소의 결합 부위가 노출된다.

이는 Cas12a2 효소를 활성화하여 광범위한 결과를 가져온다. 그것이 단일 가닥이든 이중 가닥이든, RNA이든 DNA든 관계없이 모든 유전물질 분자와 접촉할 때 양쪽 끝에 고정되기 때문이다. 효소는 이제 포획된 RNA 또는 DNA 가닥을 약 90도 구부려 이중 나선의 세로 구조를 노출하고 Cas12a2 효소의 활성 결합 부위에 맞춘다. 그곳에서 효소는 유전물질 가닥을 절단하여 파괴한다.

결과적으로 세포의 죽음

유타주립대학교의 라이언 잭슨(Ryan Jackson)은 "이것은 놀라운 과정이며, 단지 관찰하는 것만으로도 동료들 사이에서 놀라움을 금치 못했다"고 말했다. 이런 식으로 Cas12a2 유전자 가위는 DNA의 개별 부분을 절단할 뿐만 아니라 표적 세포에서 효소가 적절한 RNA와 접촉하여 활성화되는 즉시 모든 유형의 단일 및 이중 가닥 DNA와 RNA를 무차별적으로 절단한다.

새로 발견된 유전자 가위 CRSIPR/Cas12a2는 이전에 알려진 변종과 다르게 작동한다. Dmytrenko는 "단 하나의 뉴클레아제를 사용하여 침입자를 인식하고 감염된 세포의 DNA와 RNA를 분해하는 CRISPR 기반 방어 메커니즘은 이전에 관찰된 적이 없다"고 말했다. 영향을 받은 세포의 경우 DNA와 RNA의 절단은 일반적으로 끝을 의미한다. 세포가 종료되고 더 이상 분열할 수 없으며 죽는다.

암, 바이러스 및 유전적 결함에 대한 적용 가능

이처럼 무차별적인 유전물질 파괴는 얼핏 보기에 위험한 살인행위로 보인다. 그러나 유전자 가위의 효과는 박테리아와 의학에 매우 유용하다. CRISPR/Cas12a2는 프로그래밍된 표적 RNA를 포함하는 세포만 파괴하기 때문에 이러한 유전자 가위는 바이러스에 감염된 세포, 돌연변이에 의해 퇴화되었거나 유전적 결함에 의해 영향을 받은 세포를 선택적으로 박멸할 수 있다.

"Cas12a2가 유전적 수준에서 세포를 표적으로 삼고 공격하고 파괴하는 데 사용될 수 있다면 상당한 치료적 의미를 가질 것이다"고 Jackson은 말했다. 유전자 가위는 예를 들어 종양 세포를 파괴하기 위한 암 치료, 유전자 치료 또는 바이러스 퇴치에 사용될 수 있다.

덜 파괴적인 또 다른 용도는 바이러스 감염을 감지하는 것이다. 첫 번째 테스트에서 Dmytrenko와 그의 팀은 DNA 가닥이 Cas12a2 효소에 의해 절단되자마자 켜지는 형광 마커가 있는 용액에 DNA를 장착했다. 예를 들어 이것이 세포 내 바이러스 RNA의 존재에만 반응하는 가이드 RNA와 결합되면 유전자 가위는 매우 민감한 바이러스 테스트로 사용될 수 있다. (Nature, 2023, doi: 10.1038/s41586-022-05559-3; doi: 10.1038/s41586-022-05560-w)
출처: Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Utah State University, University of Texas at Austin

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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