CRISPR 유전자 편집

CRISPR(크리스퍼)는 세균의 게놈에서 발견되는 특이한 DNA 서열로, 과거 바이러스에 감염되었던 정보를 저장하는 일종의 '면역 기억' 역할을 한다. 유전자 편집 기술로서의 CRISPR는 이 서열을 가이드로 삼아 특정 DNA 부위를 찾아내고, Cas9과 같은 핵산분해효소를 이용해 해당 부위를 절단하는 방식으로 작동한다. 이를 통해 유전체의 특정 부위를 선택적으로 수정할 수 있다.

1987년 대장균의 단백질 유전자를 연구하던 중 특이한 반복 서열이 처음 발견되었다. 이후 1990년대 여러 세균에서 공통적인 서열이 확인되었으며, 2001년 프란시스코 모히카(Francisco Mojica)와 루드 얀센(Ruud Jansen)이 'CRISPR'라는 명칭을 제안하였다. 2012년 에마뉘엘 샤르팡티에와 제니퍼 다우드나가 이 시스템을 유전자 편집 도구로 활용하는 기술을 본격적으로 개발하였으며, 이 공로로 2020년 노벨 화학상을 수상하였다. 이는 기존의 제한효소나 1세대 ZFN, 2세대 TALEN 기술의 한계를 극복하는 대안으로 부상하였다.

CRISPR/Cas9 시스템은 크게 두 가지 요소로 구성된다.

• 가이드 RNA(gRNA): 편집하고자 하는 표적 DNA 서열에 상보적으로 결합하여 Cas9 효소를 목표 지점으로 안내한다. RNA의 염기서열 결합 특성을 활용하여 정확한 위치를 찾아간다.
• Cas9 단백질: 가이드 RNA가 지정한 위치에서 DNA 이중 나선을 절단하는 '유전자 가위' 역할을 수행한다. 상황에 따라 Cas12a와 같은 다른 효소가 사용되기도 한다.

효소에 의해 DNA 이중 가닥 절단(DSB)이 일어나면 세포는 자체적인 수선 기작을 가동한다. 이 과정에서 **비상동 말단 연결(NHEJ)**을 통해 유전자를 불활성화하거나, 원하는 서열을 담은 DNA 공여체를 함께 넣어주는 **상동 재조합(HR)**을 통해 유전자를 삽입 및 대체할 수 있다.

CRISPR 기술은 원리적으로 모든 생물에 적용이 가능하다. 기존 기술인 초파리의 P인자 활용이나 생쥐 배아줄기세포 변이 방식에 비해 효율이 매우 높다.

설계가 간단하고 비용이 저렴하며, 여러 부위를 동시에 편집할 수 있는 다중 편집 능력이 탁월하다는 장점이 있다.

의학 분야에서는 유전병의 원인이 되는 돌연변이를 교정하거나 항암 세포 치료제를 개발하는 데 활용된다. 실제로 돼지의 장기에서 인체에 해로운 DNA를 제거하여 이종 장기 이식의 가능성을 높이는 연구가 성과를 거두었다. 농업 분야에서는 병충해에 강한 작물을 개발하거나 생산성을 높이는 데 사용되며, 항생제 저항성 박테리아 퇴치 및 감염병 매개 곤충의 유전자 변형 등 광범위한 영역에서 연구되고 있다.