[바이오토픽] CRISPR와 비슷한 유전자 절단 효소, 미생물에서 무더기로 발견
CRISPR 효소의 조상을 찾는 연구에서, 100만 개 이상의 잠재적인 유전체편집 도구가 발견되었다.
CRISPR 유전자편집 시스템에서 사용되는 효소의 진화적 기원(evolutionary origin)을 탐구함으로써, 연구자들은 미생물의 유전체에 숨어있는 100만 개 이상의 다른 잠재적 편집기들을 발굴했다.
9월 9일 《Science》에 실린 논문에서(참고 1), 저자들은 IscB라고 불리는 단백질 패밀리 중에서 새로운 편집효소들을 발견했다고 보고했다. 이 단백질들은 'CRISPR의 분자가위(molecular scissors)'로 알려진 Cas9 효소의 조상으로 간주된다. 유전체가 편집되는 동안, Cas9는 (자신을 안내하는) RNA 조각과 팀을 이루어 특이적인 DNA 시퀀스를 발견하여 절단한다. '안내 시스템(guidance system)인 RNA'에 의존하는 방식이야말로, CRISPR가 '다재다능한 능력'을 발휘하고 '광범위하게 사용'될 수 있는 핵심적인 이유다. 왜냐하면, Cas9를 이용하여 유전체상의 '변경하기를 원하는 지역'을 쉽게 겨냥할 수 있기 때문이다.
"「RNA의 안내 하에 DNA를 절단할 수 있는 효소」가 추가적으로 발견되었다는 것은, 또 다른 유전체편집 도구들이 개발될 수 있다는 것을 의미한다"라고 이번 연구의 주요저자인 MIT의 장펑(张锋, 분자생물학)은 말했다. "이 프로그램 가능한 단백질(programmable protein)들은 매우 유용하며, 기본적인 생물학적 관심범위를 넘어선다." 그는 다음과 같이 덧붙였다. "이 「RNA 유도 DNA 인식(RNA-guided DNA recognition)」의 메커니즘은, 진화사를 통틀어 여러 차례 독립적으로 진화한 것으로 보인다."
CRISPR는 연구자들에 의해 유전공학용으로 활용되고 있지만, 원래 미생물의 자체적인 방어시스템(참고 2)으로서, 세균과 그 밖의 단세포생물—고균(archaea)—로 하여금 (Cas9를 보내, 침입자들의 DNA를 씹어 먹게 함으로써) 바이러스와 다른 유전적 침입자(genetic invader)들을 물리치게 하는 것으로 알려져 있다. 그런데 张이 이끄는 연구팀은 컴퓨터를 이용한 연구에서, Cas9가 IscB라는 단백질 패밀리에서 진화했다는 단서를 얻었다. IscB는 (유전체상에서 새로운 자리를 찾아 이리저리 점프하는) 트랜스포손(transposon)—또는 '점핑유전자'—에 의해 코딩되는데, 지금껏 그 기능은 베일에 가려져 있었다.
연구팀은 후속연구에서, "'IscB를 코딩하는 DNA'가 종종 'ωRNAs라는 일군(一群)의 RNA 분자를 코딩하는 DNA' 근처에 위치한다"라는 사실을 발견했다. 또한 그들은 "일부 IscB 단백질이 '한 ωRNA 시퀀스에 의해 명시된 지역'에서 DNA를 절단할 수 있다"라는 사실도 발견했다. Cas9와 가이드 RNA(gRNA)가 그러는 것처럼 말이다.
연구팀은 한걸음 더 나아가, TnpB라는 또 하나의 단백질 패밀리를 탐구했는데, 이것들은 또 다른 분자가위인 Cas12의 조상으로 간주된다. 아니나 다를까, 일부 TnpB 단백질은 ωRNA에 의해 안내될 때 DNA를 절단할 수 있는 것으로 나타났다.
뜻밖의 다양성
"데이터베이스 검색 결과 100여만 개의 'TnpB 단백질의 코드를 보유할 수 있는 유전자'가 발견되었으며, 어떤 생물들은 그런 유전자를 100개 이상 보유한 것으로 나타났다"라고 이번 연구의 공동저자인 MIT의 숨야 카난(분자생물학)은 말했다.
그리고 IscB 유전자는 세균과 고균뿐에서만 나타난 게 아니라, 조류(alga) 세포 내부의 '빛을 수확하는' 엽록체(chloroplast)에서도 나타났다. 그런 유전체편집 시스템이 진핵생물(eukaryote: 세포에 핵을 포함한 생물 그룹으로, 식물과 동물이 포함된다)에서 발견된 것은 이번이 처음이다. 이는 유전체편집 시스템이 종전에 생각했던 것보다 더 광범위하게 퍼져 있음을 시사하는, 놀라운 결과다. "강연을 할 때마다, 사람들은 나에게 늘 이렇게 물었다. '진핵생물에서도 CRISPR의 활성을 발견했나요?'" 张은 말했다. "나는 마침내 '예'라고 말할 수 있게 되었다."
자연계에서, 이러한 유전자들은 다양한 기능들(다른 유전자의 발현을 보호하거나 조절하기 포함)을 수행할 수 있을 것으로 보인다. 그리고 실험실에서, 이번 발견은 유전자편집 도구의 보물상자를 제공할 것으로 보인다. 张이 이끄는 연구팀이 발견한 바에 따르면, IscB는 인간의 DNA를 절단하는 데 사용될 수 있지만, 현재 명성을 날리고 있는 CRISPR–Cas9보다 효율이 낮다고 한다. 그러나 张은 이렇게 전망했다. "IscB의 성능은 개선될 수 있으므로, IscB 단백질은 '작은 크기' 덕분에 일부 분야에 응용하기가 더욱 쉬워질 수 있다."
캔버라 소재 호주 국립대학교의 가에탄 부르조(유전학)에게, 이번 연구의 진정한 아름다움은 '진화를 이해하는 데 기여했으며, IscB와 같이 크고 광범위한 단백질 패밀리의 기능을 마침내 알아냈다'는 것이다. "이건 정말로 매혹적이다." 그는 말했다. "우리는 지금껏 'CRISPR 시스템들이 CRISPR가 된 과정'을 제대로 알지 못했는데, 이번 연구가 중요한 갭을 메웠다."
※ 참고문헌
1. https://doi.org/10.1126%2Fscience.abj6856
2. https://www.nature.com/articles/541280a
※ 출처
1. McGovern Institute for Brain Research of MIT https://mcgovern.mit.edu/2021/09/09/new-programmable-gene-editing-proteins-found-outside-of-crispr-systems/
2. Nature News https://www.nature.com/articles/d41586-021-02461-2
바이오토픽 양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리...
생명과학 양병찬 (2021-09-14)
https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=334639 )