유전자를 절단하는 효과적인 가위-크리스퍼/캐스나인-Crispr/CAS9에 대한 이야기

안녕하세요?

이전부터 공부를 하던 최첨단 DNA를 조작하는 도구로서 널리 사용이 되고 있는 것인데, 그 작동 원리에 대해서 이해가 그 동안 잘 되지 않았던 참이었습니다. 그러다가 Newton 2017년 8월호에 싣려 있었는 [생명을 바꾸는 게놈 편집]이라는 기사에서 알기쉽게 정리가 되어 있어서 이에 대한 내용을 포스팅 하고자 합니다.

이제는 DNA의 이미지를 위에 올렸습니다. 그런데 이 DNA라는 것은 2중으로 꼬여진 형태만이 아니라 A,T,G,C의 4종류 알파벳으로 표현이 되는 '염기'가 일종의 조합을 이루어서 구성이 되어 있다고 보시면 됩니다.

실제 DNA의 구조는 위 그림에서 나와 있듯이, 각각의 염기는 Adenine(아데닌), Thymine(티민), Guanine(구아닌), Cytosine(시토신)의 앞 글자를 따온 것입니다. 아데닌은 티민과 항상 짝을 이루고, 구아닌은 항상 시토신과 짝을 이루는데, 이 4개의 염기들이 '조합'을 통해서 인간의 유전자 정보를 저장하게 되는 것입니다. 왜 이런 DNA의 구조를 이야기 했냐 하면, 지금부터 하는 설명의 이해를 돕기 위해서 입니다.

먼저 CAS9이라고 해서 CRISPR Associated protein9의 줄임말로 불리는 DNA endonuclease라고 해서, 'DNA를 잘라주는'효소에 대해서 이야기를 시작하겠습니다. 일단 여기까지만 보면 기존의 유전자 편집 기술과는 큰 차이가 없어 보이는 것이, 이미 CRISPR/CAS9이 개발되기 전부터 아래의 그림에서 묘사되는 것처럼 DNA를 자를 수 있는 기술이 이미 있었습니다. 그리고 이렇게 DNA를 잘라주는 가위를 이용해서 유전자의 조작을 시도했습니다.

위 그림에서 묘사되는 것처럼 DNA의 특정한 서열-염기의 배열에서는 특정 DNA endonuclease(DNA 제한 효소)가 작동하고 있습니다. 일단 위 그림에서는 'B'라고 DNA제한 효소를 묘사했으며, 'B'에 반응하는 DNA 서열 'A'가 있습니다. 즉 유전자를 조작하고 싶으면, 먼저 전체 유전자에서 DNA제한효소인 'B' 에 잘릴 수 있는 DNA서열 'A'가 있는지를 살펴 보아야만 했습니다. 

뭐라고 비유를 해야 할까요? 한마디로 특별한 가위 'B'에 잘릴 수 있는 DNA의 부위 'A'가 있는지를 먼저 알아봐야 했다는 것입니다.

그런데 원하는 위치에 항상 저 'A'라는 서열이 있는 것이 아니기도 하고, 또 원하지 않는 위치에 'A'가 많이 있어서 'B'가 원하지도 않는 절단을 할 수 있다는 문제가 발생할 수 있었습니다. 물론 세상에는 DNA제한효소의 종류가 많고, 그에 따라서 잘릴 수 있는 DNA도 다양합니다. 하지만 문제는 언제나 '원하는 위치'에만 자를 수 있느냐 하는 문제가 있었습니다.

위 그림은 유전자 조작을 위해서 유전자를 자르려고 가위인 DNA제한효소를 가지고 오면 발생할 수 있는 문제점 2가지 입니다. 일단 자를 수 없는 경우는 도저히 답이 없어서 하는 수 없다고 해도, 너무 많은 부위를 자를 수 있는 경우에는 '선택'해서 자를 수 있지 않느냐고 하는 분들도 계실 텐데요. 실제로는 그렇게 할 수가 없다고 합니다. 그냥 잘릴 수 있는 DNA부위가 있으면 무차별로 다 잘라버려서 원하는 데로 나오지 않습니다.

위에서 소개된 2종류의 문제 말고도 여러가지 장애물은 많지만, 기존의 DNA제한효소를 사용하는 방법이 가장 많이 직면하는 문제는 저 2가지 입니다. 그럼 여기서 드는 의문이 CRISPR/CAS9이 왜 기존의 방법에 비해서 특별한 점이 있는가 하는 것인데, 먼저 설명해야 하는 것이 아래의 그림에서 나오는 가이드RNA입니다.

위 그림에서 볼 수 있듯이 녹색의 덩어리들은 CAS9이라는 DNA제한효소이며, 노란색으로 표시된 것이 바로 가이드RNA인데, 언제나 CAS9과 같이 움직이는 것을 볼 수 있습니다. 먼저 위 그림에서 묘사된 것처럼 가이드 RNA의 말단서열이 DNA에서 짝이 맞는 서열과 붙으면, CAS9이 붙어서 절단을 하는 작업을 시행하게 됩니다.

즉, 저 가이드 RNA만 합성하면 원하는 위치만 골라서 자를 수 있다는 것입니다.

그럼 여기까지 오면 이 글을 읽는 독자 여러분은 이런 의문이 하나 드실 겁니다. 왜 DNA를 자르는 것이 유전자 조작과 관련이 되는 것이냐 하는 것입니다. 먼저 아래의 그림을 봐주시기 바랍니다. 아래의 그림을 봐주시기 바랍니다.

먼저 소개할 것은 Knock out이라고 해서, 특정한 유전자의 기능을 없애 버리는 것입니다. 방법은 위 그림에서 묘사한대로 '목표로 한 유전자'의 일부 DNA서열을 소위 '잘라버림'을 하고 그대로 방치하면, 목표로 한 유전자의 일부 DNA서열이 소실된 채로 '붙게'됩니다. 결국 목표로 했던 유전자는 DNA서열 일부를 '소실'해서, '정보결손'이 이루어지게 되는 것이고, 결과적으로 '고장'이라해야 할까요? '고장'이 나면서, 원래 유전자가 가지고 있던 '기능'을 잃어 버리게 됩니다.

두번째로 아무런 기능이 없는 DNA상의 '빈공간'이라고 해야 할까요? 이러한 공간에 목표로 했는 유전자 조작을 '절단 이후' 집어 넣으면, 끊어진 유전자가 붙으면서 기존에 없던 DNA서열을 받아들이게 되는데, 이러한 과정을 통해서 기존에 없던 형질을 집어 넣어서 발현 시킬 수 있습니다. 가장 많이 쓰이는 예시는 역시 미생물의 선별을 위해서 특정 항생제에 대한 내성을 부여해 주는 유전자가 대표적입니다.

재미있게도 CRISPR/CAS9은 원래 그람 음성균의 '적응면역계'라고 해야 할까요? 박테리아에도 침입하는 바이러스가 있는데, DNA를 유전정보로 쓰는 바이러스에 대항해서 '면역작용'을 하는 기작이 원래는 Crispr/CAS9인데, 이 박테리아의 면역 시스템을 사람이 연구해서 유전자 조작 도구로 쓰고 있는 것입니다. 아래 그림은 원래 CRISPR-CAS9이 원래 어떻게 작동하는 지를 묘사하고 있습니다.

위 그림을 간단하게 설명 하자면, 먼저 박테리오파지라고도 불리는 바이러스가 처음으로 박테리아에 침입하게 되면, 바이러스의 '유전물질'인 DNA가 박테리아의 DNA에 삽입되게 됩니다. 이렇게 박테리아의 유전정보 일부가 된 바이러스의 DNA는 가이드 RNA라는 형태로 전사(transcription)되게 되는데, 이 가이드 RNA가 CAS9과 합체하게 되면, 이제 두번째로 박테리오파지가 들어왔을 때, 바이러스의 DNA를 '잘라낼 준비'가 되는 것입니다.

그 결과요? 간단하게 말하면 박테리아 안으로 침입해 들어와서 증식하려는 바이러스는 유전정보가 그대로 날라가서 없어져 버리는 것입니다.

너무 전문적인 내용이 되어서 자세히 다룰 수는 없지만, CRISPR/CAS9도 만능은 아닌것이, 아무 DNA서열이나 만든다고 해서 다 잘라주는 것은 아닙니다. 다만 이전의 도구에 비해서는 선택의 폭이 '넓으며', 자르고자 하는 DNA의 서열이 '더 정확하다'라는 것입니다. 한마디로 기존의 방법에 비해서 '정확도와 운용이 편하다'이지, 이게 유전자를 찰흙 주무르듯이 마음대로 조물락 거릴 도구는 아니라는 것입니다.

어찌보면 원래는 박테리아가 바이러스와 싸우기 위한 '대포'였는데, 사람이 가져가서는 '정원 손질용 가위'로 쓰고 있다고 해야 할까요? 어디서 뚝 떨어진 것이 아닌, 자연계에 원래 있던 것을 사람이 어느정도 의도대로 사용할 수 있는 것이라고 봐야 될 듯 합니다.