CRISPR은 게놈 공학에 혁명을 일으켰지만 분자 유전자 편집 구성 요소의 크기는 지금까지 치료 용도를 제한했다. 이제 세 개의 새로운 연구 논문에서 응용 프로그램을 크게 확장할 수 있는 유전자 편집 도구의 소형 버전에 대해 자세히 설명한다.  

우리는 1990년대부터 게놈을 편집할 수 있었지만 2015년 CRISPR의 도입은 유연성, 단순성 및 효율성 덕분에 이 분야를 변화시켰다. 이 기술은 바이러스의 유전적 머그샷과 바이러스를 사냥하고 DNA를 자르는 Cas9라는 효소를 결합하는 미생물에서 발견되는 기초 면역 시스템을 기반으로 한다.

이 시스템은 바이러스 유전자 코드를 편집하려는 시퀀스로 교체하고 해당 위치에서 DNA를 정확하게 잘라냄으로써 용도를 변경할 수 있다. 그러나 한 가지 두드러진 문제는 시스템의 물리적 크기가 커서 세포에 효과적으로 전달하기 어렵다는 것이다.

유전자 코드를 세포에 주입하기 위해 용도를 변경할 수 있는 작고 비병원성인 바이러스인 아데노 관련 바이러스 벡터(AAV)는 생체 내 유전자 치료를 위한 황금 표준 전달 시스템이다. 면역 반응이 거의 없고 치료 용도로 FDA 승인을 받았지만 크기가 작아 CRISPR 전달에 사용하기가 까다롭다.

그러나 이제 지난 주에 발표된 3개의 연구 논문에 따르면 고세균에서 파생된 작은 Cas 단백질 계열은 AAV에 들어갈 만큼 충분히 작고 인간 DNA를 편집할 수 있다.

가장 일반적으로 사용되는 Cas9 단백질은 1,368개의 아미노산 길이인 Streptococcus pyogenes 박테리아에서 유래한다. 표적으로 안내하는 데 필요한 RNA 서열과 결합하면 AAV에 맞추기에는 너무 크다. 그리고 개별적으로 배송할 수 있지만 모든 셀에서 두 가지를 모두 받을 수 있다고 보장할 수 없기 때문에 효율성이 크게 떨어진다.

그러나 천연 CRISPR 시스템에 사용되는 단백질에는 상당한 다양성이 있으므로 연구자들은 미생물 세계에서 더 작은 대안을 선별해 왔다.

두 가지 유망한 후보는 각각 1,053개 및 1,121개 아미노산 길이인 황색 포도상구균 및 스트렙토코커스 써모필루스의 Cas9 단백질이다. 상대적으로 작은 크기로 인해 가이드 RNA와 함께 AAV에 포장할 수 있다.

즉, 이 두 개의 작은 대안조차도 충분히 작지 않을 수 있다.

최근 몇 년 동안 CRISPR의 기능은 단순히 단일 유전자를 자르는 것에서 유전자 삽입, DNA 문자 교환 또는 한 번에 여러 사이트를 대상으로하는 것으로 크게 확장되었다. 이 모든 것은 AAV를 배제하는 세포로 전달되는 훨씬 더 많은 유전 물질을 필요로 한다.

Cas12f로 알려진 또 다른 단백질군은 일반적으로 400~700개의 아미노산으로 구성된 작은 비율로 주목을 받았지만 미생물 외부에서 작동하도록 유도할 수 있는지 여부는 알려지지 않았다.

이것이 바로 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology)와 네이처 케미컬 생물학(Nature Chemical Biology)에 발표된 지난 주 논문이 나오는 곳이다. 과학자들은 이 계열의 단백질이 가이드 RNA와 함께 AAV 내부에 포장되어 인간 세포에 전달되어 효과적인 편집을 할 수 있음을 보여주었다.

Molecular Cell의 세 번째 논문은 단백질 공학을 사용하여 포유류 세포에서 작동하지 않는 것으로 보이는 Cas12f 단백질을 작동하는 것으로 변환했다. 팀은 AAV를 사용하여 단백질을 전달할 수 있는지 여부를 실제로 테스트하지 않았지만 프라임 및 기본 편집기와 같은 다양한 고급 도구와 결합하더라도 충분히 작은 것으로 나타났다.

이러한 돌파구는 생체 내 치료법에 상당한 향상을 제공할 수 있다. mRNA 백신에서 사용되는 것과 동일한 메커니즘인 지질 나노입자에 의해 전달되는 CRISPR은 이미 임상에 적용되고 있지만 이 접근 방식은 AAV보다 훨씬 덜 효율적이다.

이것은 아직 초기 단계의 연구이며 유망한 편집 성능에도 불구하고 이러한 새로운 단백질의 기능과 안전성 프로파일을 적절하게 특성화하려면 훨씬 더 많은 연구가 필요할 것이다. 그러나 원래의 CRISPR 시스템만큼 효과적인 것으로 판명되면 잠재적 치료법의 범위를 극적으로 확장할 수 있다.

이미지 출처 : Jazzlw / Wikimedia Commons