CRISPR 유전자 편집

CRISPR(크리스퍼)는 세균이 바이러스의 침입에 대비해 게놈에 저장해 둔 바이러스 DNA 조각의 반복 서열을 의미한다. 이는 세균의 적응 면역 체계로, 과거 침입했던 바이러스가 재침입할 경우 해당 서열을 인식하여 바이러스의 유전자를 절단함으로써 스스로를 보호한다. 과학자들은 이 시스템을 응용하여 살아있는 세포의 DNA를 원하는 위치에서 편집할 수 있는 기술을 개발하였다.

CRISPR-Cas9 시스템은 크게 두 가지 핵심 요소로 구성된다.

• 가이드 RNA(sgRNA): 표적 DNA 서열을 인식하는 약 20개의 뉴클레오타이드로 구성된 RNA이다. Cas9 단백질을 정확한 편집 위치로 안내하는 역할을 한다.
• Cas9 단백질: 가이드 RNA가 지정한 위치에서 DNA 이중가닥을 절단하는 엔도뉴클레아제 효소이다.

가이드 RNA가 표적 서열에 결합하면 Cas9 효소가 DNA를 절단하며, 이후 세포는 손상된 DNA를 복구하기 시작한다.

절단된 DNA는 세포의 자연적인 복구 기전을 통해 수선되며, 이 과정에서 유전자 편집이 일어난다.

1. 비상동 말단 연결(NHEJ): 절단된 부위를 단순히 연결하는 방식으로, 이 과정에서 염기의 삽입이나 결실(indel)이 발생하여 특정 유전자의 기능을 상실(녹아웃)시킨다.
2. 상동 재조합 수선(HDR): 외부에서 제공된 템플릿 DNA 서열을 이용하여 절단된 부위를 정확하게 복구하는 방식이다. 이를 통해 원하는 유전 서열을 삽입하거나 교정할 수 있다.

기존의 CRISPR-Cas9 기술에서 발전한 정교한 편집 도구들이 개발되었다.

• 베이스 에디팅(Base Editing): DNA 이중가닥을 절단하지 않고 단일 염기를 직접 치환하는 기술이다. 시토신 베이스 에디터(CBE)는 C를 T로, 아데닌 베이스 에디터(ABE)는 A를 G로 변환한다.
• 프라임 에디팅(Prime Editing): 보다 정밀한 유전자 교정을 가능하게 하는 기술로 연구되고 있다.

이 기술은 원칙적으로 모든 생물종에 적용이 가능하다. 동물 수정란의 경우 미세조작기를 통해 직접 주입하며, 식물 세포는 세포벽이 존재하므로 세균 벡터 등을 활용하여 유전자를 전달한다. 암 치료, 유전병 교정, 질병 내성 작물 개발 등 광범위한 분야에서 혁신을 일으키고 있으나, 표적 이외의 부위를 절단하는 오프 타겟(off-target) 효과 등의 정밀도 향상이 과제로 남아있다.