모든 유전자편집기술에 대해 CRISPR는 짐승이다. 유전자편집 도구의 스위스 군용 칼은 유전자 변화를 삽입하기 위해 DNA 가닥을 자른다. "편집"이라고 하는 것은 실제로 유전적 기물 파손이다. 오작동하는 유전자를 골라 잘라낸 다음 세포가 나머지 부분을 패치하고 복구할 때까지 기다린다.
성급하고 어설픈 프로세스이며 오류 및 기타 의도하지 않고 예측할 수 없는 영향을 받기 쉽다. 2019년에 하버드의 David Liu 박사가 이끄는 연구원들은 CRISPR를 정육점에서 외과 의사로 재작업하기로 결정했다. 그 결과 "모든 살아있는 세포 또는 유기체의 게놈에서 거의 모든 표적화 된 변화를 만들" 수 있는 능력을 갖춘 CRISPR의 대안 버전인 프라임 편집이 탄생했다. 그것은 DNA 편집의 핵심이다. 하나의 DNA 사슬을 조금만 자르면 우리는 손끝에 잠재적인 유전적 변화의 전체 메뉴를 갖게 된다.
프라임 편집은 환상적인 "그렇다, 과학이다!"라는 찬사를 받았다. 유전적 돌연변이로 인한 75,000개 이상의 질병 중 거의 90%를 복구할 수 있는 순간이다. 그러나 Liu는 탄생 당시에도 CRISPR 프라임이 생명체의 기본 코드를 변경하는 거대하고 거친 세계에 첫 걸음을 내디뎠다고 경고했다. "이 첫 번째 연구는 유기체의 어떤 위치에서 든 DNA를 변화시킬 수 있다는 생명과학의 오랜 열망의 끝이 아니라 시작에 불과한다."고 당시 그는 Nature에 말했다.
Liu의 유전자편집기술은 약간의 실패를 겪었다. 정확하고 효과적인 특성에도 불구하고 프라임 편집은 특정 유형의 세포에서만 유전자를 편집할 수 있으며 다른 세포에서는 덜 효과적이며 오류가 발생한다. 또한 대규모 유전자 편집, 특히 질병을 유발하는 유전적 실수를 수정하기 위해 수백 개의 DNA 문자를 교체해야 하는 편집을 시도할 때도 실패했다.
하지만 좋은 소식은? 유아는 성장한다. 이번 주에는 CRISPR 도구가 보다 정교한 DNA 편집 천재로 성장하는 데 도움이 되는 고급 프라임 편집 3건의 개별 연구가 진행되었다.
매사추세츠 의과 대학과 워싱턴 대학교에 기반을 둔 두 팀은 도구의 분자 구성을 재 작업하여 한 번에 최대 10,000개의 DNA 문자를 정확하게 잘라낼 수 있도록 했다. 이는 프라임 편집 1.0의 과제였다. 이 도구의 원래 발명가의 세 번째 연구는 도구의 유전자편집 능력을 제어하는 세포 내부의 단백질 친구와 적을 식별하여 내부 분자 작동을 조사했다. 친근한 상호 작용을 촉진함으로써 팀은 7가지 다른 세포 유형에서 프라임 편집의 효율성을 거의 8배 증가시켰다. 더 좋은 점은 프라임의 편집 가능성을 차단하는 "적"이 CRISPR를 사용하여 식별되었다는 것이다. 즉, 유전자편집 도구가 더 나은 유전자편집 도구를 만드는 데 도움이 되는 전체 혁신을 목격하고 있다.
CRISPR 프라임 입문서
프라임 편집은 그 손재주와 정확성으로 인해 유전자편집 현장에 급부상했다. 오리지널 CRISPR-Cas9가 2개의 왼발을 가진 댄서라면 프라임 편집은 고도로 훈련된 발레리나이다.
두 프로세스는 비슷하게 시작된다. 둘 다 분자 "우편 번호"에 의존하여 도구를 특정 유전자로 표적화 한다. CRISPR에서는 가이드 RNA라고 한다. 프라임 편집의 경우 pegRNA라는 약간 수정된 버전이다.
가이드가 각자의 댄스 파트너를 유전자에 묶으면 루틴이 달라진다. CRISPR의 경우 두 번째 구성 요소인 Cas9는 두 DNA 가닥을 모두 자르는 가위 역할을 한다. 여기에서 세포는 유전자의 일부를 버리거나 주형이 주어졌을 때 원래의 유전자를 대체할 건강한 버전의 유전자를 삽입할 수 있다. 비용은 분자 수술이다. 절개가 완전히 치유되지 않는 것처럼 DNA에 이중 가닥이 끊어지면 유전자 코드에 오류가 발생하여 세포마다 예상치 못한 결과가 발생할 수 있다.
프라임 편집은 이를 수정하기 위한 정교한 업그레이드 세트였다. 두 DNA 가닥을 모두 자르는 대신 한 사슬을 가볍게 잘라낸다. 거기에서 세포의 DNA 복구 메커니즘에 의존하지 않고 템플릿을 기반으로 유전자 코드를 삭제하거나 삽입할 수 있다. 다시 말해, 프라임 편집은 이전 반복보다 훨씬 더 제어 가능한 유전자 편집의 새로운 세계를 열었다. 원래 CRISPR은 눈을 감고 입력하여 유전자 텍스트에 작은 삽입, 삭제 또는 잘못 입력된 DNA 문자를 허용한다. 프라임을 통해 우리는 진정한 "검색 및 바꾸기" 편집 도구를 찾았다.
프리미어 업데이트
원시 편집을 야생에 공개한 후 과학자들은 원더카인드에 고유한 특성이 있다는 것을 곧 깨달았다. CRISPR 프라임을 사용하면 DNA에서 정밀하게 작동하고 문자, 단어 또는 문장을 대체하는 텍스트를 변경할 수 있지만 더 큰 유전자를 편집할 때 이 도구는 어려움을 겪는다. 한 추정에 따르면 더 큰 유전자는 기존 CRISPR로 치료하기 힘든 돌연변이 유형의 약 14%를 차지한다.
두 개의 새로운 연구는 이 난제를 해결했다. Nature Biotechnology에 게재된 한 팀은 추가 가이드를 추가하고 Cas9 구성 요소에 "가위" 활성을 복원하여 큰 덩어리의 DNA를 정확하게 제거하는 방법을 개발했다. 여기에서 이 도구는 문제가 되는 DNA를 잘라내기 위해 한 번에 두 개의 유전자 지점을 표적으로 삼았다. 프라임 편집과 유사하게 PEDAR라고 불리는 이 시스템은 잘린 말단에 레고 블록을 추가하는 것과 같이 그 안에 인코딩된 특수 단백질을 통해 약간의 DNA 스트레치를 구축할 수 있었다. 문자 "블록"이 충분히 길어지면 유전자를 잘라낸 후 간격을 메우면서 서로 찰싹 달라붙는다.
연구 중 하나를 주도한 Wen Xue 박사는 "장점은 편집의 범위를 실제로 확장할 수 있다는 것이다. 게놈의 끝이 킬로베이스 또는 10 킬로베이스에서 서로를 찾을 수 있도록 한다."라고 말했다.
그의 팀과 함께 Xue는 그의 입에 돈을 넣어 다음으로 유전성 간부전이 있는 마우스 모델에서 PEDAR를 시도했다. 불과 몇 주 만에 생쥐는 간세포가 건강한 조직의 큰 덩어리로 자라도록 돕기 위해 이전에 결핍되었던 단백질을 만들기 시작했다. PEDAR로 치료한 쥐는 유전자편집이 없는 형제 자매에 비해 간 손상이 최소화되었고 건강한 체중을 유지했다.
“이는 우리가 이 새로운 기술에 대해 매우 흥분하게 만든다.”라고 Xue가 말했다. “우리가 작은 돌연변이를 치료하기 위해 작은 수정을 하기 전에는. 여기에서 우리는 1,300개 이상의 염기쌍을 제거했으므로 이는 매우 큰 게놈 수술이다."
또 다른 연구에서 최준홍 박사는 프라임 편집을 PRIME-Del로 재작업했다. 이 버전은 잘라야 하는 DNA 덩어리의 시작과 끝을 잡는 두 개의 RNA 가이드를 사용한다. 너무 길고 가운데가 처진 밧줄을 상상해 보라. 당신은 그 부분을 잘라내고 끝 "플랩"에 접착제를 추가하여 나머지 부분을 다시 붙여 넣는다. 이 팀의 프라임 편집 업그레이드는 인간 신장 세포에서 최대 10,000개의 DNA 문자를 녹아웃 할 수 있었다.
마지막으로 프라임 편집의 원래 발명가도 참여했다. 한 가지 문제는 도구가 여러 셀 유형 및 편집에서 효과적으로 작동하지 않는다는 것이다. 가끔 붙는 워드 편집 키워드와 같다. 이 연구에서 그의 팀은 CRISPR을 원래 소수를 제한하는 방법을 파악하는 방법으로 활용했다. "CRISPR 간섭"이라고 불리는 방법을 사용하여 세포의 수백 개 유전자를 동시에 파괴하여 세포의 내부 작동이 어떻게 유전자편집 도구의 기능을 변경하는지 확인했다.
테스트를 통해 팀은 주요 편집을 차단하는 여러 단백질을 찾아냈지만 도구의 효율성과 정확성을 높이는 몇 가지 단백질도 발견했다. 이러한 업데이트를 차세대에 통합하여 팀은 PEmax("정밀 편집 최대"용)를 설계했다. 거의 200가지에 달하는 다양한 유전자편집 작업에서 업그레이드된 프라임 편집 도구는 원본에 비해 효율성을 거의 10배 향상시켰다.
Liu는 도구가 발전하는 것을 보고 매우 기쁘다. STAT News에 그는 업그레이드가 알려진 질병 유발 유전자 삽입의 대다수를 수정할 수 있는 "프라임 편집의 우아한 변형"이라고 말했다.
그러나 아마도 이 모든 것 중에서 가장 마음을 사로잡는 부분이 아닐까? AI와 유사하게, 우리의 현재 CRISPR 도구는 선순환에서 보다 새롭고 강력한 유전자 편집자의 개발에 영향을 미치고 있다. 어디로 이어지는지 지켜볼 필요가 있다.
이미지 출처: NIH 이미지 갤러리
