2020년도 노벨화학상 - 유전자 가위에 대하여

 

 

 

2020년도 노벨화학상 수상의 영예는 유전자 편집 연구에 기여한 두 여성 연구자 에마누엘 샤르팡티에 독일 막스플랑크 감염생물학연구소 교수, 제니퍼 다우드나 미국 캘리포니아 버클리대 교수에게 돌아갔다. 두 과학자는 ‘크리스퍼 유전자 가위(CRISPR-Cas9)를 이용한 유전자 편집 기술’을 개발하여 암 및 희귀 유전질환의 치료법에 대한 새로운 시대를 열었다.

 

유전자 가위란 무엇인가?

 

유전자 가위 기술은 기존의 방법으로 치료하기 어려운 다양한 난치성 질환에 대하여 문제 유전자를 제거하거나 원하는 유전자 부위를 편집 또는 삽입해 근본적인 치료를 하는 기술이다. 이는 유전질환 뿐만 아니라 암, 대사질환, 자가면역질환 등 다양한 질병의 치료에 활용이 가능할 것으로 기대된다.

 

유전자 가위 기술의 변천사는 크게 3단계로 구분 가능하다. 1세대 유전자 가위 ZFN(Zinc Finger Nuclease), 2세대 유전자 가위 TALEN(Transcription Activator-Like Effector Nuclease)을 거쳐 3세대 유전자 가위 CRISPR(Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats)-Cas9으로 발전해왔다. 유전자 가위 기술의 핵심은 원하는 유전자 부위를 특이적으로 인지하여 자르는 것인데, 이를 위해 기존의 1세대, 2세대 유전자 가위는 단백질을 가공하여 유전자를 인지하였다. 그에 반해, 3세대 CRISPR-Cas9은 DNA와 상보적으로 결합하는 RNA를 사용했다는 점에서 기존의 기술과 큰 차이를 보인다. 이는 복잡한 단백질 공학 과정을 생략해도 되기 때문에 생산과정의 간소화로 이어졌다.

 

3세대 유전자 가위 CRISPR-Cas9의 기본원리

 

▲3세대 유전자 가위 CRISPR-Cas9의 원리(Ⓒ wikipedia)

3세대 유전자 가위는 특정 유전체를 인식하는 반복서열인 CRISPR 영역에서 전사된 gRNA(guide RNA)와 가위역할을 하는 Cas9 단백질로 구성된다. 이때 gRNA는 5‘-NGG-3’로 이루어진 PAM(protospacer-adjacent motif)서열을 포함하는 상보적 서열을 갖는 DNA에 결합함으로써 Cas9이 선택적으로 유전자 부위를 자를 수 있도록 해준다. Cas9 단백질을 미리 합성해놓고 공통으로 사용가능하며, gRNA의 염기서열만 바꿔주면 다양한 원하는 유전자 부위를 자를 수 있기 때문에 이전 기술들보다 보다 간편하고 다양한 유전자에 확장 적용이 가능하다는 장점을 갖는다.

 

앞으로 CRISPR-Cas9의 전망은?

 

CRISPR-Cas9의 두 가지 큰 장점 1) 간편하고 저렴한 생산과정, 2) 다양한 유전자로의 확장 가능성은 암 및 여러 난치성 질환의 치료에 혁신적인 기술이 될 것으로 보인다. CRISPR-Cas9을 이용한 발암유전자 knock-out, GLP-1 유전자 편집을 통한 당뇨병 치료, HIV와 같은 감염성 바이러스의 치료 연구 등 현재 전 세계적으로 CRISPR-Cas9을 이용한 질환 연구 사례가 다양하게 보고되고 있다. 그렇지만 아직 CRISPR-Cas9 기술에는 극복되어야 할 한계가 많다. 원하지 않는 부분에서 유전자 교정이 일어나는 off-target 효과, 도입된 Cas9 단백질의 숙주에 대한 면역 반응이 있을 수 있다. 이는 치료효과를 떨어뜨리고 예상치 못한 부작용을 일으킬 수 있으므로 최소화되거나 피해야 한다. 2020 노벨 화학상의 영예를 안은 주제인 만큼 빠른 시일 내에 보다 기술력을 높여 CRISPR-Cas9의 컨트롤이 가능하고 실질적인 적용에 이르는 시대가 도래하기를 희망한다.

 

 

The 2020 Nobel Prize in Chemistry went to two female researchers, Emmanuelle Charpentier (Max Planck Institute of Infectious Biology) and Jennifer A. Doudna(UC Berkeley) who contributed to gene editing research. The two scientists discovered ‘genetic editing technology using CRISPR-Cas9’, opening a new era for the treatment of cancer and rare genetic diseases.

 

What are genetic scissors?

 

Using genetic scissors technology, it is possible to insert desired genes or change problematic genes for various diseases that are difficult to treat in the past. This is expected to be used not only for genetic diseases but also for treating other diseases such as cancer, metabolic diseases, and autoimmune diseases.

 

The history of genetic scissor techniques can be largely divided into three stages. The 1st generation gene scissors, ZFN (Zinc Finger Nuclease), 2nd generation gene scissors, TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nuclease) have been developed into 3rd generation gene scissors CRISPR-Cas9 (Clustered Regular-Interspaced Short Palindromic Repeats).

The key point of this technology is to recognize and cut the specific gene site. Conventional 1st and 2nd generation gene scissors recognized genes by processing proteins. On the other hand, the 3rd generation CRISPR/Cas9 differs greatly from the existing technology, in that it uses RNA that binds complementarily to DNA.

This led to the simplification of the production process by omitting the complex protein engineering process.

 

Fundamental principle of 3rd generation gene scissors CRISPR-Cas9

 

▲ Principle of 3rd generation gene scissors CRISPR-Cas9  (Ⓒ wikipedia)

A 3rd-generation gene scissor is composed of a gRNA (guideRNA) transcribed in a CRISPR region, an repeatitive sequence for recognizing a specific gene and a Cas9 protein which acts as a scissor. The gRNA binds to DNA having a complementary sequence, PAM (protospacer-adjacent motif) sequence consisting of 5'-NGG-3'. And then Cas9 can selectively cut off the gene site that gRNA is bound. Cas9 protein can be synthesized in advance and used in common. Since various gene parts can be cut by changing the base sequence of gRNA, it is simpler than previous technology and can be extended to various genes.

 

What are the prospects for CRISPR-Cas9 in the future?

 

There are two major advantages of CRISPR-Cas9 ; 1) Simple and inexpensive production process, 2) Expandability to various genes. It is expected to be innovative technologies for treating cancer and many incurable diseases. Various cases of disease research using CRISPR-Cas9 have been reported worldwide, such as ‘cancer gene Knock-out using CRISPR-Cas9’, ‘diabetes treatment using GLP-1 gene editing’, and ‘treatment research of infectious viruses such as HIV’. However, CRISPR-Cas9 technology still has many limitations to overcome. An off-target effect where gene correction occurs in an undesired part, and an immune response to the host of the introduced Cas9 protein may be possible. This should be minimized or avoided because it reduces the effectiveness of the treatment and can cause unexpected side effects. As it is honored with the 2020 Nobel Prize in Chemistry, I hope that the time will come soon when we can improve our technology and control CRISPR-Cas9.