[생화학] 8.6 : 유전자 편집(gene editing) - 1

 

 

이번 포스트부터는 유전자 편집을 위해 사용 가능한 유전자 가위들에 대해 알아보자.

 

 

 

 

유전자 가위는 특정 sequence를 인지해서 이 sequence를 절단할 수 있는 system임. 즉, 유전자 가위는 특정한 서열을 인지하는 activity가 있어야 하고, 인지한 서열을 자를 수 있는 activity가 있어야 함.

 

 

그 중 위 그림에 나와있는 ZFN은 1세대 유전자가위로, zinc finger nuclease라고도 불림. 이 녀석은 zinc finger domain을 가지고 있음. (zinc finger domain은 유전자 targeting에 중요) 한편 Fok1이라는 nuclease가 이곳에 달려있어서 zinc finger domain에 의해 인지된 서열이 잘려나가게 됨. (이 때 Fok1은 sequence와는 관련없이 그냥 잘라주는 녀석이므로 sequence specificity는 zinc finger domain에 의해 전적으로 부여됨) 다음으로 TALEN은 2세대 유전자 가위로 이 경우에도 Fok1이 nuclease로 작용하는 것은 동일하나 TALE(혹은 TALE effector로도 불림)이라는 DNA-binding motif를 specific한 DNA recognition motif로 넣어줘 기능하게끔 함. 이 때 zinc finger DNA binding motif의 unit 하나가 nucleotide 3개를 인지하고 TALE의 경우 unit 하나가 nculeotide를 1개 인식한다는 차이점이 있음. 이러한 1세대, 2세대 유전자 가위의 경우 긴 zinc finger, 혹은 긴 TALE을 만들어내야 하기에 다소 수고스러운 점이 있다는 것이 단점이었음.

 

그러다가 그 유명한 3세대 유전자 가위인 CRISPR/Cas9이 개발됨. 이 경우 위 그림 아래에 나타나 있는 것처럼 sgRNA(single strand guide RNA)가 특정 자리를 targeting해주며, sgRNA와 결합하고 있는 Cas9이라는 nuclease가 DNA를 blunt end로 분절시키는 방식으로 작동함. (이 때 Cas9의 두 개 nuclease activity site에 의해 분절이 이루어짐) 이 경우 sgRNA가 인지를 해주게 되므로 1, 2세대 유전자 가위에 비해서 제작이 간편하다는 장점이 있음. (cloning을 새로 할 필요 없고 nucleotide만 제대로 합성해서 넣어주면 됨)

 

 

 

이제 이들 각각에 대해 조금 더 자세히 알아보자.

 

 

ZFN(zinc finger nucleases)

 

 

 

위 그림을 보면 ZFN이 나타나 있음. 이 때 나타난 zinc finger domain의 구조를 보면 알겠지만 이 구조 자체는 한 쌍의 β sheet와 한개의 α helix로 이루어진 그다지 크지 않은 형태임. (그리고 이 때 이들 중간에 Zn2+가 coordination을 이루고 있어서 helix와 sheet가 stabilization되게 됨) 그리고 위 그림 오른쪽에는 실제로 zinc finger domain 하나가 3개의 nucleotide를 인지하는 과정이 나타나 있는데, 보면 zinc finger의 amino acid 서열에 따라서 인지하는 3개의 nucleotide가 정해지게 됨. 실제로 위 그림 아래에 나타나 있는 것과 같이 zinc finger의 amino acid 서열을 변화시켜주게 되면 서로 다른 DNA 서열을 인지하게끔 만들어줄 수 있음.

 

 

이런 하나의 zinc finger를 위 그림 왼쪽과 같이 가운데(자르고자 하는 부위)를 중심으로 양쪽으로 쭉 이어놓게 되면 결과적으로 우리가 원하는 부위만을 specific하게 인지하고 자르는 유전자 가위를 만들 수 있게 됨.

 

 

TALEN(transcription activator-like effector nucleases)

 

 

 

TALEN은 식물이 bacteriophage에 대항하기 위해 가지고 있는 immune system에서 영감을 받아 제작된 유전자 가위 기법임. 이 때 TALEN의 TALE 각각은 repeat variable diresidue를 가지고 있는데, 이 residue가 위 그림 위쪽 중간에 나타난 것 처럼 NG인지, NI인지, HD인지, NN인지에 따라서 T, A, C, G가 인지되게 됨. 이 residue는 실제로 위 그림 왼쪽 맨 위와 같이 12-13번째 부분에 존재하는데, 이 부분을 변화시켜줄 시 인지 가능한 nucleotide 종류를 변화시켜줄 수 있음. (참고로 앞서 살펴본 ZFN과 TALEN의 경우 굳이 자르고자 하는 서열이 회문서열이 아니더라도 쉽게 자를 수 있음)

 

 

실제로 TALE은 위 그림 오른쪽 아래와 같이 DNA의 major groove에 있는 서열을 specific하게 인지하게 됨.

 

 

 

다음 포스트에서는 CRISPR/Cas9에 대해 알아보자.