모든 인간 유전자 기능 규명을 위한 유전자 가위 개발

[푸른마음]

모든 인간 유전자 기능규명을 위한 유전자가위 개발

생명과학 교육과학기술부 (2013-02-21 11:08)

국내연구팀이 모든 인간 유전자 각각에 대해 최적화된 유전자가위*를 개발해냈다. 단일 종의 유전자 모두에 대해 유전자가위를 생산하기는 처음이다. 각종 질병 관련 유전자 편집을 통해 세포의 변화를 관찰할 수 있어 질병유전자의 이해에 크게 기여할 것으로 기대된다.
 * 유전자가위(engineered nuclease) : 특정 염기서열을 인식해 절단하는 인공 핵산분해효소로서 DNA 염기서열 편집도구로 활용됨

서울대 김진수 교수와 ㈜툴젠 김석중 박사 연구팀의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)의 리더연구자지원사업(창의적 연구), 농림수산식품기술기획평가원(원장 유병린)의 생명산업기술개발사업 및 농촌진흥청(청장 박현출)의 차세대바이오그린사업의 지원으로 수행되었고, 네이처 자매지 Nature Biotechnology 온라인판(2월 17일자)에 게재되었다.
    (논문명: A library of TAL effector nucleases spanning the human genome)  

인간게놈프로젝트 결과 2만여 개의 인간 유전자 염기서열이 규명되었으나 그 대부분의 기능은 아직 정확히 파악되지 않고 있다. 유전자 기능연구는 질병원인 파악과 생명현상 이해에 필수적이다. 

유전자 기능연구를 위해 간섭 RNA(siRNA)를 주로 사용했으나 표적외 유전자에 작용하거나 불완전하게 유전자를 억제하는 단점이 있었다. 이를 극복하기 위해 특정 유전자를 절단하여 돌연변이를 일으키는 유전자가위에 대한 연구가 진행되어 왔지만 유전자가위 역시 정확성이 낮아 한계가 있었다.  

연구팀은 2만여 개의 나머지 유전자를 손상하지 않으면서 원하는 특정유전자 하나에만 특이적으로 작용하는 유전자 가위를 개발하고 이를 이용해 원하는 유전자가 제거된 인간배양세포를 만드는데 성공했다.  

연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 여러 유전자에서 공통적으로 발견되는 염기서열을 배제하고 각각의 유전자마다 특징적으로 나타나는 고유한 40개 염기로 구성된 유전자가위의 표적서열을 추출해 냈다. 이를 통해 원하는 유전자만 정교하게 자를 수 있도록 하여 기존 유전자가위의 정확성을 크게 향상시킨 것이다. 

나아가 조립식으로 한 번에 여러 개의 유전자가위를 만들 수 있는 새로운 클로닝 방법을 개발해 2만여개 유전자에 대한 유전자가위 대량생산에 성공했다. 

한편 연구팀은 이번 논문을 포함해 올해에만 유전자가위 관련 논문을 네이처 바이오테크놀로지에 세 편 연달아 발표해 학계의 주목을 받고 있다.

지난 1월 10일, 김 교수팀과 연세대 이한웅 교수팀은 유전자가위를 이용, 최초로 생쥐의 유전자를 제거한 연구결과를 발표했다. 

또한 지난 1월 30일, 김 교수팀은 제3세대 유전자가위인 RNA 유전자가위를 개발해 논문을 발표했다. DNA를 인식하는 단백질을 매번 새로 만들어야 하는 기존 유전자가위와는 달리 유전자재조합 과정이 필요없어 보다 빨리 만들 수 있다는 장점이 있다.
 * RNA 유전자가위 : 작은 RNA와 단백질효소로 구성된 유전자 가위. RNA만 새로 합성해서 교체해 주면 어떤 유전자에도 작용하는 맞춤 유전자가위를 만들 수 있다. 

김진수 교수는 “이번에 개발된 유전자가위 집합체는 각 인간 유전자의 기능 및 질병의 원인을 연구하는데 핵심적인 소재가 될 것”이라며“유전자가위 기술은 향후 바이오/의료 관련 분야의 파급성이 큰 신기술로 지속적인 연구개발을 통해 유전자가위 원천기술을 확보하는 것이 매우 중요하다”고 밝혔다.

김석중 연구소장은 “유전자가위를 이용한 유전정보 편집은 유전자기능연구의 보편적 도구로 발전할 것”이라고 예측하며“국내외 연구자들이 인간세포 및 동식물에서 자유로운 유전정보 편집을 수행할 수 있도록 유전자가위를 공급할 것”이라고 밝혔다.

연 구 결 과 개 요

A library of TAL effector nucleases spanning the human genome
(인간 유전체를 적중할 수 있는 탈렌 라이브러리 제작)
 
I. 서론

 제 1세대 유전자 가위인 Zinc Finger nuclease (ZFN)에 이어, 최근에는 제 2세대 유전자 가위인 Transcription Activator-Like Effector Nuclease (TALEN) 기술이 급속도로 발전하고 있다. 유전체 상의 원하는 염기서열을 인식할 수 있도록 TALEN을 설계하고 만든 후, 이를 세포 내에서 도입시켜 발현 시키게 되면, 설계된 특정 부위의 유전자가 절단되게 된다. 이렇게 TALEN에 의해 절단된 유전자 부위는 세포 내의 자발적인 복구 기작에 의해 다시 회복되지만, 그 복구 과정 중에 다양한 돌연변이가 도입되는 경우도 있어 해당 유전자의 기능이 차단되게 된다.
 인간 게놈 프로젝트에 따라 인간의 유전체의 지도가 완성이 되었는데, 인간 유전체의 경우 약 20,000 여개의 유전자로 이루어져 있다고 보고되고 있다. 시퀀씽 기술이 급속도로 발전함에 따라 각 유전자의 염기서열과 그에 대한 연구는 많이 이루어졌지만, 그에 비해 각 유전자의 기능에 대해서는 많은 유전자의 경우 아직 밝혀지지 않았다.
 각 유전자의 기능을 알아보는 방법으로는 여러 가지가 있는데, 그 중에서 특정 유전자의 기능을 차단함으로써 나타나는 현상을 관찰함으로써 해당 유전자의 기능을 연구하는 방법이 가장 빠르고 확실한 방법이다. 이러한 연구를 함에 있어, 우리 연구진이 보유한 유전자 가위 기술은 특정 유전자의 염기서열에 돌연변이를 일으켜 해당 유전자의 기능을 원천적으로 차단할 수 있는 좋은 도구이다. 이에 우리 연구진은 약 20,000여개의 인간 전체 유전자에 대해서, 각각을 잘라서 돌연변이를 일으킬 수 있는 TALEN을 설계하고 만들어 인간 유전체 TALEN library를 구축하고자 하였다.

II. 본론

 먼저 Bioinformatics를 이용하여, 인간 유전체 정보에서 실제로 protein-coding gene만의 정보를 추출하고 그들 각각에 대하여 TALEN이 자를 수 있는 위치를 선정하는 작업을 하였다. 적합한 위치 선정을 위하여 여러 가지 사항이 고려되었는데, 대표적으로는 (i) TALEN이 인간 유전체 상에서 하나의 위치만을 자를 수 있도록, (ii) TALEN에 의해서 해당 유전자의 특정 부분에 돌연변이가 도입되었을 때 실제로 그 유전자의 기능이 망가질 가능성이 높도록, (iii) TALEN이 최대한 높은 효율로 해당 부분에 돌연변이를 일으킬 수 있도록 하는 것이다. 전체 18,740개의 유전자에 대하여, 모두 169,362 개의 TALEN target sites를 선정할 수 있었고, 따라서 평균적으로 한 유전자당 약 9개의 TALEN이 설계되었다. 본 연구진은 18,740개의 유전자에 대해서 1개의 TALEN target sites를 선정하고, high-throughput Golden-Gate cloning system을 이용하여 모두 만들어 둠으로써 인간 유전체에 대한 TALEN library를 구축하였다.
 이렇게 구축한 TALEN library에 대하여, 실제 유전체 상에 돌연변이를 일으킬 수 있는지 여부에 대해서 검증해 보았다. 무작위적로 126개의 TALEN을 선정하여 유전체 상에 돌연변이를 일으킬 수 있는지 여부를 확인해 본 결과, 124개의 TALEN이 해당 유전자에 평균 16%의 효율로 돌연변이를 일으킨다는 결과를 얻을 수 있었다. 실패된 2개의 TALEN의 경우, 해당 유전자 상의 heavily CpG methylation에 의해 작동할 수 없었던 것임을 밝힐 수 있었고, 해당 유전자 상의 다른 TALEN을 선정하여 실험해 본 결과 모두 돌연변이를 일으킴을 확인할 수 있었다. 124개의 TALEN 중에서 그 효율이 높은 순서대로 10개를 골라서, 인간 유전체상에 원하지 않는 곳에 돌연변이를 일으켰는지 여부를 조사해 본 결과, 모두 원치 않는 돌연변이는 일으키지 않았음을 확인할 수 있었다. 마지막으로 유전자의 기능을 저해하는 또 다른 도구인 siRNA 기술과, 본 연구진의 TALEN 기술을 비교해 보았을 때, siRNA 기술에서는 부분적으로 유전자의 기능이 저해하는 반면, TALEN 기술은 유전자의 기능이 원천적으로 차단되는 것을 확인할 수 있었다.
III. 결론

  본 연구진은 인간 유전체에 대한 TALEN library를 제작하고 그에 대하여 여러 가지 검증을 해 보았다. 유전자의 기능 연구에 있어 본 연구진의 TALEN library가 매우 유용하게 쓰일 것으로 예상되며, 이는 실제 여러 질병에 대한 신약 개발이나 연구에서도 활발히 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

(그림설명) 유전자가위의 일종인 TALEN의 구조. 유전자의 특정 염기서열을 자르기 위해서는 1쌍의 TALEN이 필요하다. DNA상의 특정 염기서열을 인식할 수 있도록 설계할 수 있는 DNA-binding domain과, 실제로 DNA를 자를 수 있는 nuclease domain으로 이루어져 있다. 

Journal Reference
A library of TAL effector nucleases spanning the human genome
Yongsub Kim, Jiyeon Kweon, Annie Kim, Jae Kyung Chon, Ji Yeon Yoo, Hye Joo Kim, Sojung Kim, Choongil Lee, Euihwan Jeong, Eugene Chung, Doyoung Kim, Mi Seon Lee, Eun Mi Go, Hye Jung Song, Hwangbeom Kim, Namjin Cho, Duhee Bang, Seokjoong Kim & Jin-Soo Kim
Nature Biotechnology (2013) doi:10.1038/nbt.2517

***출처 : http://bric.postech.ac.kr  BRIC의 BIO통신원

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