CRISPR가 생명공학 분야에 처음 등장했을 때 표적 DNA 가닥을 끊고 유전자를 침묵시키는 정확한 절단 능력으로 명성을 얻었다. CRISPR-Cas9는 게놈을 조작하는 이전 도구보다 훨씬 더 효율적이지만 핵심은 유전자 도살자였다. 유전자를 편집하기 위한 첫 번째 단계는 그 골격을 부수고 세포가 손상을 치유하기 위해 뒤섞여 원하는 결과를 기대하는 것이었다.

 

과학자들은 곧 기능이 크게 다른 Cas 단백질의 전체 우주를 발견했다. CRISPR는 날카로운 가위 한 쌍에서 수많은 다른 유전자 편집이 가능한 스위스 군용 칼에 이르기까지 새로운 능력을 빠르게 얻었다. DNA 문자를 교환할까? 확신한다. 유전자를 활성화? 왜 안 되겠는가? 두 DNA 가닥을 절단하지 않고 게놈 코드를 검색하고 교체하는 대신 유전자를 완전히 절단하는 것은 어떨까? 프라임 에디팅이 주도한다.

 

그러나 이러한 모든 파생물은 여전히 게놈에 대한 닉네임을 필요로 한다. 최소 침습 수술과 마찬가지로 손상은 작지만 시스템이 불량하게 되면 지나치게 열성적인 유전자 변형 및 알려지지 않은 부작용의 위험이 있다.

 

DNA 조각을 완전히 없애는 것은 어떨까?

 

지난 주 Molecular Cell에 발표된 연구는 CRISPR에 대한 근본적이고 새로운 개념을 향한 한 걸음을 내디뎠다. 이 분야의 개척자로서 노벨상을 공동 수상한 캘리포니아 버클리 대학교의 Jennifer Doudna 박사가 이끄는 이 연구는 Cas9의 덜 유명하고 훨씬 더 수수께끼 같은 사촌인 Cas12c에 대한 연구를 진행했다.

 

Cas 가문의 검은 양이다. Cas12c는 다른 구성원들과 달리 DNA를 절단하는 능력이 전혀 없다. 대신 박테리아 세포에서 침입하는 바이러스에 결합하여 바이러스의 DNA를 파쇄하지 않고 취약한 세포를 보호한다. 최종 결과는 숙주 세포의 내부 작동에 부담을 주지 않으면서 특정 바이러스 감염에 대해 무적이 되도록 하는 강력한 항바이러스 방어 시스템이다.

 

이 연구는 바이러스 DNA를 자르는 것이 적어도 박테리아 세포에서 항바이러스 방어를 위한 유일한 경로가 아니라는 것을 보여주고 있다고 저자들은 말했다. 그러나 더 중요한 것은 우리가 CRISPR 유전자 편집기의 표면을 긁기 시작했다는 것이다.

 

“CRISPR의 다양성은 놀랍고 공격 파지 침입에 대응하기 위해 박테리아에서 채택한 다양한 전략을 보여준다. 이것은 생명공학 개발을 위한 놀라운 원천을 제공한다.” 연구에 참여하지 않았지만 호주 국립 대학에서 감염 및 CRISPR에 대해 연구하는 유전학자인 Gaétan Burgio 박사는 Singularity Hub에 말했다.

 

낯선 Cas

 

Classic CRISPR-Cas9는 버디 태그 팀이다. 한 구성 요소인 가이드 RNA(gRNA)는 표적 DNA 서열을 추적하는 블러드하운드이다. 일단 감지되면 Cas9는 해당 부위에 집중하여 이중 나선 가닥을 효율적으로 절단한다. 이 시스템은 처음에 박테리아에서 면역 방어 메커니즘으로 발견되었으며 이후 오늘날 유전자 편집 강국에 합류했다.

 

그러나 Cas9은 마을의 유일한 가위 보안관이 아니다. 2015년에 여러 연구에서 Cas12라는 이름의 먼 사촌이 발견되었다. 한 구성원이 아니라 다양한 기능을 가진 단백질의 전체 가족이다. 몇몇 Cas12 구성원은 곧 작은 크기와 단순성으로 명성을 얻었고 임상 사용을 위해 연구되었다. 창의성과 독창성을 겸비한 CRISPR-Cas12는 질병을 일으키는 바이러스인 SARS-CoV-2를 탐지하는 방법으로 코로나19와의 싸움에서 세계적인 무대를 차지했다.

 

Cas12가 유명해지면서 과학자들은 신비한 단백질 계열에 대해 더 깊이 파고들기 시작했다. "우리에게 동기를 부여하는 것은 자연에 아직 특성화되지 않은 CRISPR 다양성이 얼마나 많은지이다."라고 당시 Arbor Biotechnologies의 David Scott 박사가 말했다. 거의 300,000개의 잠재적인 CRISPR-Cas12 팀업의 화면은 가계도를 8명의 구성원으로 구성된 3개의 주요 가지로 스케치했다. 각 구성원은 이론적으로 DNA를 절단할 수 있다.

 

Cas12c는 괴짜로 눈에 띄었다. 원래 해양 생물과 내장의 작은 DNA 조각에서 발견된 이 효소는 표적 DNA에 쉽게 결합한다는 점에서 형제들과 특징을 공유했다.

 

그러나 페트리 접시 내부의 연구 후 연구에서 Cas12c는 DNA를 절단하는 능력이 완전히 부족했다.

 

사람들은 Cas12c를 유전자 편집 바보로 받아들였다. 새로운 연구는 DNA를 자르는 대신 다른 일을 하고 있다면 어떨까?

 

위험 지역

 

DNA를 자르거나 편집하는 것이 지침을 변경하는 유일한 방법은 아니다. 우리 몸을 구성하는 단백질을 조작하기 위해 세포는 DNA를 RNA로 전사하는 것으로 시작한다. RNA는 생물학적 글로벌 해석기이다. RNA는 DNA가 들어 있는 복숭아 코어 같은 성인 핵에서 DNA 데이터를 단백질로 휘젓는 일종의 세포 3D프린터로 유전 정보를 전달한다.

 

즉, RNA도, 단백질도, 생명도 없다.

 

DNA에서 RNA로의 이 첫 번째 단계를 전사라고 한다. 전사 억제는 기본적으로 유전자의 영향을 차단한다(DNA 문자 변경 없이). 의사들이 유전적 요소로 암을 치료하는 데 사용하는 전략이지만 CRISPR 편집에는 거의 사용되지 않는다.

 

여기에서 팀은 Cas12c가 DNA 절단 쓰레기임을 처음 확인했다. 스포일러: 무딘 가위처럼 이중 가닥, 단일 가닥, 길거나 짧은 덩어리와 같은 DNA 반복에 대해 작동하지 않는다. 일반적으로 DNA 편집에 사용되는 Cas 단백질의 일부는 DNA를 절단하는 대신 CRISPR 시스템을 안내하는 부분인 예비 버전의 gRNA를 절단하는 것으로 보인다. 즉, Cas12c는 다른 Cas 계열에서는 보기 힘든 gRNA 블러드하운드를 만드는 초능력을 가지고 있다.

 

팀은 "대부분의 다른 시스템"과 "차별화된 역할"이라고 설명했다.

 

1인자

 

우리 자신의 세포와 마찬가지로 박테리아도 바이러스 침입자로부터 방어하기 위해 고군분투한다. 특히 강력한 적 중 하나는 자신을 복제하기 위해 유전 물질을 세포에 주입하는 코믹한 바이러스인 박테리오파지이다. (박테리아로 악명이 높지만 거미 같은 동물은 항생제 내성에 대한 우리의 구원의 은혜가 될 수 있다.)

 

한 테스트에서 팀은 Cas12와 적절한 가이드 RNA가 있거나 없는 박테리아 세포에 파지를 퍼뜨렸다. 다른 가족 구성원과 달리 Cas12c는 최고의 스타였다. 효소가 연마된 DNA 가닥에 관계없이 바이러스 플라크를 천 배나 줄였다. 전반적으로 시스템은 비활성화된 Cas12a라고 불리는 이전 DNA 절단 버전과 유사하게 작동했다. 그러나 Cas12c는 폭력적인 절단이 아니라 본질적으로 바이러스에 치명적인 따뜻한 포옹을 제공하여 번식에 필요한 주요 유전자를 차단했다.

 

"우리는 Cas12c가 DNA를 절단할 필요 없이 "항바이러스 면역을 제공"하는 천연 DNA 표적화 시스템의 첫 번째 입증된 예라는 것을 발견했다고 저자들은 결론지었다.

 

과학자들이 비절단 Cas 효소를 사용한 것은 이번이 처음이 아니다. 예를 들어 과학자들은 Cas9 또는 Cas12a를 돌연변이 시킴으로써 이전에 DNA에만 결합할 수 있지만 섬세한 가닥을 절단할 수 없는 대체 "죽은" 버전을 설계했다. 이들은 "유전자편집 분야에서 널리 사용된다"고 Burgio는 말했다. 그러나 Cas12c의 능력에는 특혜가 있다. DNA 가닥 중 하나에서 작동하는 반면 유전적으로 조작된 돌연변이는 종종 한 가닥만 표적으로 삼을 수 있어 범위가 제한된다.

 

Burgio는 "Cas12c는 DNA에 결합하는 효소의 사용 가능한 도구 상자를 확장할 것"이라고 말했다.

 

현재로서는 새로운 시스템이 우리 자신의 게놈을 편집하기 위한 즉각적인 도구라기 보다는 CRISPR 면역을 검사하는 데 더 이상하다. 더 많은 작업을 통해 효소는 언젠가 RNA 전사 또는 돌연변이 복구에 대한 중요한 DNA를 차단하는 연구에 도움이 될 수 있지만 추가 테스트가 필요하다.

 

CRISPR-Cas는 처음 시작된 이후로 우리의 유전 정보를 재설계하기 위해 점점 더 효율적이고 강력하며 유연한 도구로 계속 발전해 왔다. 모든 유연한 도구 상자와 마찬가지로 옵션이 계속 늘어난다. 하나의 전략은 Cas 후보를 위해 천연 박테리아의 다중 우주를 조사하는 반면, 다른 전략은 유도 진화 및 합성 생물학을 활용하여 기본 생물학을 변경하기 위한 바이오 해킹 도구를 계속 생성하고 실험한다고 Burgio가 말했다.

 

이미지 출처: Ricarda Mölck / Pixabay