유전자편집기술(CRISPR)은 혁신적이다. 그것은 또한 완전히 무자비하다. 유전자 편집 신동의 고전적인 버전은 문자 그대로 유전자를 조금씩 잘라서 끄는 것이다. 효과적이다, 그렇다. 하지만 종이 분쇄기에 전선을 꽂아 오작동하는 전구를 끄는 것과 같다. 전선이 잘리면 되돌릴 수 없다.

 

대신 전등 스위치를 추가하지 않으시겠는가?

 

이번 달에는 샌프란시스코 캘리포니아 대학 (UCSF)의 한 팀이 이를 위해 CRISPR을 재구성했다. 새로운 CRISPR 변종은 유전자에 직접적으로 작용하는 대신 (돌이킬 수 없는 방식으로 사라지거나 유전 문자를 바꾸는 대신) 유전자를 자연스럽게 켜거나 끄는 생물학적 기계를 표적으로 삼는다.

 

번역하자면? CRISPR은 이제 유전자를 직접 만지지 않고도 "전등 스위치를 뒤집어"유전자를 제어할 수 있다. 좋아진다. 새로운 도구인 CRISPRoff는 숙주 세포가 줄기 세포에서 뉴런과 같은 더 성숙한 세포로 변형되는 경우에도 유전자가 수백 세대 동안 침묵하도록 할 수 있다. “잠자는 미녀”유전자가 깨어날 준비가 되면 보완 도구인 CRISPRon이 전등 스위치를 다시 켠다.

 

이 새로운 기술은“게임을 변화시켜 이제는 기본적으로 전승되는 [유전자로] 변화를 작성하고 있다.”고 저자인 Luke Gilbert 박사는 말했다. "어떤 면에서 우리는 더 안전하고 효과적인 CRISPR-Cas9 버전 2.0을 만드는 방법을 배울 수 있다."

 

 

 

농담이야, 어떻게?

 

핵심은 후성 유전학이라고 불리는 것이다. 유전자가 켜져 있는지 꺼져 있는지를 제어하는 ​​화학 물질과 단백질의 전체 시스템이다.

 

그게 헷갈리게 들리면 유전자가 실제로 세포 내부에서 어떻게 생겼는지, 어떻게 작동하는지 부터 시작해 보겠다. “켜짐”이란 유전자가 단백질로 만들어 졌다는 것을 의미한다. 단백질은 우리의 신체적 형태를 형성하고 신진 대사를 제어하며 우리를 살아 숨쉬는 인간으로 움직이게 하는 물질이다.

 

유전자는 핵심 단백질 (베이컨으로 감싼 아스파라거스와 같은 종류)을 매우 단단히 감싸는 DNA 사슬 내부에 내장되어 있다. 유전자가 켜지려면 첫 번째 단계는“아스파라거스”에서 DNA 사슬을 부드럽게 잡아당기기 위해 여러 단백질을 필요로 하여 유전자가 이제 핵이라고하는 세포 공간 캡슐 내부에서 자유롭게 떠다니도록 하는 것이다.

 

베이컨 DNA 덩어리가 자유로워지면 더 많은 단백질이 이 유전자를 붙잡는다. 그런 다음 잔디 깎는 기계처럼 유전자의 뉴클레오티드 (A, T, C, G)를 굴린다. 그러나 뿌리 덮개 대신이 생물학적 "기계"는 세포가 단백질을 만들기 시작하라고 지시하는 메신저 (mRNA)를 분출한다. (예, 코로나19 백신의 일부를 만드는 것과 같은 것이다.) mRNA는 세포의 단백질 공장이 생산을 시작하도록 지시한다. 이제 그 유전자가 활성화된다.

 

이 과정을 방해하는 모든 것은 유전자의 단백질로 변하는 능력을 핵으로 만들어 본질적으로 차단한다. 하나의 후성 유전학 기계가 수백 또는 수천 개의 유전자를 제어할 수 있기 때문에 매우 강력하다. 게놈을 위한 마스터 전등 스위치이다.

 

 

 

유전 기억 작가

 

팀은 중성화 된 Cas9가 있는 CRISPR 시스템으로 시작했다. 이는 일반적으로 유전자 절단에 관여하는 단백질인 Cas9가 다른 구성 요소인 가이드 RNA "블러드 하운드"에 의해 올바른 지점에 묶여 있어도 더 이상 DNA를 절단할 수 없음을 의미한다. 그런 다음 유전자를 이 버전의 CRISPR로 전환하는 데 관여하는 단백질을 조사했다.

 

여기에 영리한 부분이 있다. 단백질은 유전자를 끄는 자연적인 후성 유전 과정을 가로 채도록 설계되었다. 유전자는 종종 "메틸화"라는 자연적인 과정을 통해 차단된다. 일반적으로 이 과정은 일시적이며 유전자에서 가역적이다. CRISPRoff 사령관은 이 과정을 지휘관으로 삼아 표적 유전자를 물리적으로 분리하지 않고 훨씬 더 오랜 기간 동안 모든 표적 유전자를 차단한다.

 

후성 유전학의 "강화"능력 덕분에 CRISPRoff는 연구자들이 크게 성장할 수 있도록 한다. CRISPRoff를 사용하여 불멸화 된 인간 신장 세포 내부의 20,000개 이상의 유전자를 표적으로 하는 한 실험에서 팀은 해당 유전자를 안정적으로 차단할 수 있었다.

 

일방 통행로에 만족하지 않은 팀은 다음으로 CRISPRon이라고 불리는 다른 후성 유전학 관련 단백질을 사용하여 유사한 CRISPR 변형을 엔지니어링했다. 배양 접시 내부의 세포에서 CRISPRon은 CRISPRoff를 무시하고 다시 유전자를 뒤집을 수 있었다.

 

연구 저자인 Jonathan Weissman 박사는“이제 우리는 대부분의 유전자를 침묵시킬 수 있는 간단한 도구를 가지고 있다. "우리는 DNA 손상 없이 동시에 여러 유전자에 대해이 작업을 수행할 수 있다. 그리고 되돌릴 수 있는 방식으로."

 

 

 

거리 이동

 

더 미친 듯이 끄기 스위치는 여러 세대에 걸쳐 지속되었다. 연구팀이 면역계와 관련된 유전자를 차단했을 때 약 450개의 세포 생성 후 15 개월 동안 지속되었다.

 

편집은 또한 근본적인 변환, 즉 유도 만능 줄기 세포 (iPSC)에서 뉴런으로의 세포 여정을 통해 지속되었다. iPSC는 종종 피부 세포로 시작하여 화학 욕조를 통해 줄기세포로 재생된 다음 두 번째 항해를 통해 뉴런이 된다. 이 과정은 종종 후 성적 변화를 제거한다. 하지만 놀랍게도 CRISPRoff의 영향력은 변형을 통해 유지되었다. 한 실험에서 연구팀은 iPSC에서 알츠하이머와 관련된 유전자를 차단하면 결과 뉴런에서 이후에 암호화되는 독성 단백질의 양도 감소한다는 사실을 발견했다.

 

"우리가 보여준 것은 이것이 Tau를 침묵시키고 그 단백질이 발현되는 것을 막기위한 실행 가능한 전략이라는 것이다."라고 Weissman은 CRISPRoff (일반적으로 후성 유전체를 제어하는 ​​것)가 의학을 바꿀 수 있는 한 가지 방법을 강조하며 말했다.

 

 

 

CRISPR 2.0

 

누군가가 CRISPR로 후성 유전체를 표적으로 삼으려는 시도는 이번이 처음이 아니다. 같은 팀이 이전에 같은 것을 시도한 다른 CRISPR 변종 세트를 실험했다. 둘의 차이점은 시간과 안정성이다. 이전 설정에서 과학자들은 단일 세대 동안 "전등 스위치"를 끄는 데 어려움을 겪었다. 새로운 것은 게놈에서 여러 분열과 변형을 통해 변화를 유지하는 데 문제가 없다.

 

후성 유전학을 위한 신뢰할 수 있는 CRISPR 도구는 엄청나게 강력하다. 비슷한 방식으로 작동하는 약물이 있지만 정확도가 훨씬 떨어지고 부작용이 많이 있다. 그러나 현재 CRISPRoff와 CRISPRon은 페트리 접시의 세포에서만 작동하며 게놈 우위를 향한 다음 단계는 그들이 살아있는 존재에서 작동하도록 하는 것이다.

 

그럴 경우 유전자편집을 영원히 바꿀 수 있다. 합성생물학에서 생물학적 회로를 재 프로그래밍하는 것부터 질병을 예방하기 위해 회로를 가로 채거나 뒤집는 것에 이르기까지 후성 유전적 재 프로그래밍은 유전자를 건드리지 않고 돌연변이의 위협을 없애고 세대에 걸쳐 지속적인 효과를 이끌어내는 방법을 제공한다.

 

"나는 우리의 도구를 통해 우리가 유전 가능성의 메커니즘, 특히 생의학에서 큰 문제인 후성 유전적 유전 가능성을 연구할 수 있다고 생각한다."고 연구 저자인 James Nuñez 박사는 말했다.