크리스퍼가 온다 – 제니퍼 다 우드나, 사무엘 스턴버그 (2018)
크리스퍼 1차 논문 발표는 2012년.
2020 노벨화학상 수상자로 마누엘 샤르팡티에(52) : 프랑스 출신, 독일 막스플랑크 감염생물학연구소 교수.제니퍼 다우드나(56) : 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 교수. 책을 선택한 이유 : 크리스퍼 유전자의 원리와 적용 메커니즘과 처지 방법(생식세포 치료, 체세포 치료)을 정확히 알고 싶어서.책을 읽고 애매했던 크리스퍼의 의미, 구조의 기능을 생물학적으로 확실히 알게 됐다.삽화가 조금 있지만 이해하기 쉬웠다.(다른 생물학 관련 책들도 이런 삽화를 좀 넣었으면 좋겠다) 초밤부의 연구 진행 내용은 소설처럼 읽었다.비전공자가 읽으면 조금 이해하기 어려운 점도 있을 것 같았지만 그래도 전체적으로 쉽게 쓰여져 있다고 느꼈다.책에서 본인이 발견한 기술에 대한 상당한 자부심을 갖고 있음을 느낄 수 있었다.크리스퍼 기술로 파생되는 여러 우려사항을 물론 알고 있지만 그럼에도 불구하고 기술의 긍정적인 활용에 기대를 거는 모습이다.
읽고 자세히 알아보니 생각보다 더 대단한 기술이야. 심지어 구현이 쉽고 이론적으로는 그 활용도가 무궁무진하기 때문이다.크리스퍼를 인간 질병 치료에 어디까지 적용할지가 향후 쟁점이 될 것으로 보인다.현재는 인간배아실험은 연구의 목적에 한해 매우 제한돼 있지만 이것이 풀리는 순간 판도라의 상자가 열리는 것은 아닌지 알 수 없다. 올더스 헉슬리의 소설 멋진 신세계는 전혀 근거 없는 공상소설이 아니었다.유전자 치료, 맞춤형 치료 시대가 오는구나~
일부 도구
크리스퍼는 세균의 항바이러스 면역체계다.
인류세: 인류가 지구 기후와 생태계를 변화시켜 만들어진 새로운 지질시대.
염색체 파열(Chromothripsis)은 최근 발견한 현상으로 염색체가 갑자기 산산조각나 복구되는데, 이때 염색체 안에서 광대한 유전자 재조합이 일어난다. 세포가 죽을 수도 있고 암이 생길 수도 있다. WHIM증후군(치명적인 면역결핍증) 환자 킴은 염색체 파열로 인해 병의 원인인 CXCR4 유전자가 없어져 증후군이 사라졌다. 대단한 행운이다. 이 행운의 혈액세포는 조혈모세포였을 것이다.
우성유전병(헌팅턴병)은 바이러스 벡터로 정상 유전자를 하나 더 넣는 것과 같은 단순한 유전자 치료로는 효과가 없다. 이처럼 치료하기 어려운 유전질환의 경우 유전자를 삽입하는 것이 아니라 결함 자체를 고치는 것이 필요하다.
상동재조합은 난자와 정자가 생성될 때 일어난다(감수분열 시 교차).세포가 재조합 DNA를 게놈에 원래 있던, 짜야 할 여분의 염색체로 착각하게 하면 과학자들은 새로운 DNA를 원래 존재했던 유전자 암호에 상동 재조합을 통해 결합시킬 수 있다(유전자 편집이라 부른다, DNA를 인산칼슘과 섞어 세포에 붓는 리포좀-비바이러스성 벡터). 겸상적혈구병 환자의 혈액줄기세포를 상동재조합 치료법으로 돌연변이 유전자를 정상 유전자로 대체할 수 있다.
유전자 편집의 가장 큰 문제점. 게놈에 무작위로 들어가 버리는 비상동재조합이 일어난다는 것이다.이중나선 파손 복구 메커니즘은 난자와 정자 형성 과정에서 일어나는 상동재조합, DNA가 손상됐을 때 일어나는 재결합 등이 있다. 모든 세포는 X선이나 발암물질 같은 DNA 손상물질에 노출돼 손상된 DNA를 효율적으로 복구한다.2개의 염색체를 보유하는 것은 진화상의 유용성을 보여준다. 한 염색체에 손상이 있더라도 다른 염색체에서 일치하는 서열을 찾아 복제하면 복구할 수 있다. DNA가 자연스럽게 손상된 것처럼 세포를 속이고 새로운 DNA를 짝짓는 염색체로 위장시켜 제공해 세포가 손상된 부위를 수정시킨다.
<유전자 편집 도구의 발달> 제한 효소 → (1세대) ZFN → (2세대) 탈렌 → (3세대) 크리스퍼 유전자 편집에서 중요한 것은 올바른 위치를 절단하는 것이다.핵산 내부 가수분해효소 I-SecI는 매우 특이성이 높지만 염기서열 18개가 정확히 일치해야 DNA를 절단한다(통상 제한효소는 6개를 인식한다). 하지만 이처럼 특이성이 높은 제한효소는 거의 없다.
차세대 유전자 편집 도구의 세 가지 조건. 1. 우리가 원하는 특정 DNA 배열을 인식할 수 있어야 한다. 2. 바로 그 DNA 배열을 자를 수 있어야 한다.3. 다른 DNA서열(다른 유전자서열)을 표적화하고 컷팅하도록 프로그램(수정)이 쉬워야 한다.
I-SecI는 3을 충족하지 못한다.
1세대. ZFN. 키메라 핵산 가수분해효소. 징크스핑거뉴클레이즈(ZFNFokI의 DNA 절단 부위+징크스핑거단백질의 DNA 인식 부위). 원하는 DNA 배열을 인식해 자를 수 있다. 하지만 엉뚱한 곳을 자르거나 DNA 배열을 인식해도 끊어지지 않는 등 정확성이 떨어지는 단점과 고도의 전문 연구팀이 생겨 설계는 쉽지만 실제 작업이 매우 어렵다는 단점이 있다. 보다 안정적이고 사용하기 쉬운 신기술이 요구되고 있다.
2세대. 탈렌. (탈렌, 탈레스 핵산 가수분해효소, 탈레스를 징크스핑거누클레이스가 사용한 DNA 절단부위와 결합시킨 것. 산토모나스의 핵산 인식 단백질과 FokI 제한 효소로 합성한 유전자가위. 산토모나스과에 속하는 식물병원성 박테리아의 특정 DNA결합단백질(TALE)에서 DNA 염기서열을 인식한다. 그리고 ZFN과 마찬가지로 FokI 핵산분해효소를 사용하여 절단한다.) 전사활성화인자 유사조절인자(transcription activator-like effectors, TALEs) TALEs 단백질은 징크스핑거 단백질과 구조가 매우 유사하다. 여러 개의 반복된 분절로 구성되며, 각 분절은 특정 DNA 염기서열을 인식한다. 하지만 차이점은 징크스핑거단백질의 손가락 하나가 DNA 염기서열 3개를 인식하는 반면 TALEs의 분절 하나는 하나의 DNA 염기를 인식한다.탈레스와 DNA 절단 부위를 결합시켜 탈렌이 만들어지고 구조와 설계가 개선돼 ZFN보다 쉽게 만들어 사용할 수 있을 것으로 기대를 모았다.하지만 탈렌은 곧 등장한 강력한 3세대 주자 크리스퍼가 등장하면서 자리를 빼앗겼다.
3세대. 크리스퍼. ————————————————————————-
CRISPR.creregularly interspasced shortplaindromic repeats. 전후가 동일한 서열인 짧은 회문구조가 간격을 두고 반복되는 구조의 집합체.
(그림 95쪽) 짧은 회문 배열(마름모꼴약 30개의 DNA 염기) 사이에 스페이서 DNA 배열(사각형약 20개의 염기, 박테리아 퍼지의 DNA 배열과 일치)이 끼워져 있는 구조.반복되는 서열 사이에 끼어 있는 DNA 단편 대부분이 세균바이러스 DNA와 완벽하게 일치한다.(와오~) 세균은 과거 박테리오파지의 감염 기억을 반복 서열과 스페이서 DNA 배열에 저장했다가 나중에 같은 박테리오파지에 감염되면 이 정보를 이용해 침입한 파지를 인식하고 파괴한다.크리스퍼는 세균과 고세균이 바이러스와 싸우는 면역 시스템의 일부입니다!크리스퍼는 세균의 RNA 간섭 시스템이다. *RNA 간섭: 식물과 동물의 항바이러스 방어 메커니즘. RNA가 상보적인 RNA에 결합하면 RNA-RNA 이중나선을 파괴한다.RNA 간섭과는 달리 크리스퍼 RNA는 일치하는 DNA까지 인식한다(RNA-DNA 이중나선 형성).
세균 바이러스 방어법 4가지.1. 자기 DNA의 화학적 형태를 미묘하게 변화시키는 전략. 제한 효소로부터 자신의 DNA를 보호하고 외부 DNA를 파괴한다.2. 파지가 만든 구멍을 막는다.3. 파지가 부착되지 않도록 한다.4) 자살
새로 밝혀진 다섯 번째 방어법이 크리스퍼다.
크리스퍼 작용기전을 이해하기 위해서는 캐스 유전자를 알아야 한다.
캐스(cas크리스퍼 관련 유전자) 캐스 서열은 크리스퍼 영역에 거의 항상 붙어 있는 유전자 무리다. 크리스퍼 DNA가 있으면 반드시 캐스 유전자도 가까이 존재한다.캐스 유전자는 RAN이나 DNA 분자를 자르는 효소를 암호화하고 있다.
(그림 104쪽)
캐스 단백질 복합체(캐스케이드, 10~11종의 다양한 캐스 단백질 복합체)는 크리스퍼 RNA(가이드 RNA)와 일치하는 바이러스 DNA와 짝을 이루면 바이러스 DNA를 절단한다. 캐스케이드가 캐스3를 RNA-바이러스 DNA 결합체로 불러들이면 캐스3는 박테리오파지 유전체 염기를 초당 300개씩 읽어 올리면서 DNA를 완전 분해한다(한 군데 절단이 아니다. 완전 분해! 우와~
크리스퍼 분류 2개 그룹.타입1, 타입2. 타입1. 대장균, 녹농균. 캐스3 효소가 DNA를 토막낸다.타입2. 스트렙토코커스 서모필러스(유산균). 캐스3와 캐스케이드(캐스 단백질 복합체) 없음. 캐스 9 있다. 캐스 9 단백질이 작용하려면 트레이서 RNA가 필수다.
(그림 125쪽) 캐스9은 가이드 RNA(크리스퍼 RNA)에 있는 20개의 염기서열을 참고로 DNA에서 이에 대응하는 염기서열을 인식하여 컷팅한다.
실험·가이드 RNA와 트레이서 RNA를 연결한다(키메라 RNA).해파리의 GFP 유전자에서 다른 20개 염기서열 중 5개 부분을 골라 표적으로 삼았다.모든 GPDNA가 의도한 위치에서 절단된 것을 확인했다.2012년 6월. 사이언스에 첫 논문 발표.
만약 우리가 염기 20개의 RNA 암호를 특정 인간 유전자 배열과 일치하도록 바꾸고, 이 새로운 가이드 RNA와 캐스9을 인간 세포에 이식하면 크리스퍼는 표적 유전자를 정확하게 잘라 세포가 그 자리를 복구하도록 흔적을 남기게 된다. 세포는 이 손상을 인식하면 복구하게 된다. 상동 재조합 방식으로 복구한다. 이것이 크리스퍼를 이용한 DNA 편집 원리다.
실험. 플라스미드 1: 가이드 RNA 유전자.플라스미드2: 캐스9 유전자+핵위치 배열+GFP 표적 대상 유전자: CLTA 유전자(클래스린의 L 사슬을 암호화하는 유전자, 클라스린은 내포 작용 시 피복소낭을 형성하는 단백질임) 인간 신장 세포(HEK293)로 실험.리포좀(지방분자가 들어간 비누수와 같은 용액) 이용. 대부분의 세포가 녹색 형광을 발현한다. 대량의 가이드 RNA가 생산된 것도 전기영동으로 확인했다.가이드 RNA 서열과 정확히 일치하는 장소가 편집되어 있는지 유전자 분석을 통해 확인한다.2012년 12월.두 번째 논문 발표.
인간과 모든 진핵생물은 발암물질과 자외선, X선 등에 의해 일어나는 DNA 손상을 복구하는 체계를 진화시켜 왔다. 크리스퍼가 유전자를 자르는 데 성공하면 세포는 금속 파이프 2피스를 용접하듯 단순히 DNA를 다시 붙인 것이 기본 시나리오다. 이 과정을 비상동 말단 부착이라고 한다. 결실 삽입 등의 오류가 많다.
크리스퍼가 소개된 후 방대한 양의 논문과 연구 결과가 쏟아지기 시작한다.
크리스퍼로 유전자 편집을 한 쥐를 만드는 과정.크리스퍼 구성요소를 「단세포 배아(수정란인가?)」에 미소주입법으로 주입. 착상·임신·출산 이후 크리스퍼는 다양한 식물과 동물에 적용된다. 매우 많다. 이제 인간도 예외가 아니다.
아직 사람에게 직접 크리스퍼를 주입하지는 못했지만 인간 세포에서는 실험(체외세포 수준 실험)을 했다.폐세포-낭포성 섬유증을 일으키는 유전자 돌연변이를 수정하기 위해 혈액세포-겸상적 혈구병과 베타 지중해성 빈혈을 일으키는 돌연변이를 교정하기 위해 근육세포-듀셴근이 영양증의 원인인 돌연변이를 고치기 위해 과학자들은 크리스퍼를 이용해 줄기세포의 돌연변이를 교정하고 복구하고 줄기세포는 유전자 편집을 마치면 사실상 몸 안의 어떤 세포나 조직으로도 바뀔 수 있다.과학자들은 인간의 암세포에서 수천 가지 유전자를 편집했다(신약의 표적이 되는 유전자와 새로운 치료법을 찾기 위해).
세포의 첫 번째 복구 메커니즘. 비상동재조합 오류가 많은 복구동물 유전학은 크리스퍼를 사용하여 유전자를 녹아웃하기도 한다. 잘린 유전자가 연결될 때 비상동 재결합(삽입이나 결실(in-dels, 인텔) 등 오류가 발생하기 쉬운 복구, 말단 부착)이 일어나는 경우다.TYR 유전자(티로시네이즈 효소. 멜라닌 생성에 관여한다)을 표적으로 하는 크리스퍼를 쥐의 수정란에 넣는다. 알비노쥐가 태어나다.녹아웃으로 다양한 실험동물 모델(질병을 가진)을 만들 수 있었다.녹아웃은 유전자 편집 전략의 하나일 뿐이다.억제된 유전자에 시달리는 환자에게 유전자 결실(녹아웃) 방법은 도움이 되지 않는다. 염기를 편집하여 교정하는 방법이 필요하다.
세포의 두 번째 복구 메커니즘. 상동 재조합. 정확한 복구.상동 재조합은 겹쳐서 찍은 파노라마 사진을 연결하여 완성하는 것과 비슷하다.복구 거푸집이 있으면 세포는 더 나은 복구 방법을 선택한다.크리스퍼에 의해 잘라낸 유전자 영역과 일치하는 복구 거푸집을 크리스퍼와 결합해 넣으면 세포는 기꺼이 받아들이고 손상 부위에 복구 거푸집을 붙일 것이다.
크리스퍼로 2군데 절단(가이드 RNA 2종류 사용)했을 때 세포의 DNA 편집방법. 1. 말단부착복구(다시 연결) 2. 결실(잃어버린 조각을 버리고 양 끝을 붙여버린다, 영화필름에서 장면을 잘라버리듯) 3. 역위
크리스퍼의 또 다른 적용. 절단 능력을 없앤 방법 비활성 크리스퍼 시스템. 크리스퍼를 유전자 발현 조절자(활성 또는 억제)로 변신. 비활성화된 캐스9은 DNA 배열을 여전히 찾을 수 있지만 자를 수는 없다. 비활성화된 크리스퍼 시스템은 짐을 나르는 말과 같다. 단백질 수화물은 활성자 또는 억제자이다.세포를 다양한 악기로 구성된 오케스트라라고 생각하면 건강하고 정상적으로 기능하는 세포에서 다양한 악기 소리는 완벽하게 균형을 이룬다. 악성 종양세포나 감염된 세포에서는 소리의 균형이 깨져 특정 악기의 소리가 너무 크거나 약하게 들린다. DNA 편집(몇 악기를 노골적으로 없애거나 대체하는 것)은 조악한 선택이다. 비활성화된 크리스퍼 시스템은 오케스트라의 어떤 악기든, 즉 게놈 속의 어떤 유전자든 높은 감도로 미세 조정할 수 있다.
조잡한 말단 부착이든 정확한 상동 재조합이든 절단 부위가 한 곳이든 여러 곳이든 혹은 절단 부위가 전혀 없어도 가능성은 무한하다. 완벽한 크리스퍼 도구로 무장한 과학자들은 이제 게놈의 구성 요소와 그 결과를 거의 완벽하게 통제할 수 있게 되었다. 크리스퍼의 장점착하다. 싸다.
2부 과업
농업에서 크리스퍼 활용 예. – Mlo 유전자만 편집(돌연변이를 일으켜)하여 보리의 백분병 저항성을 획득.
가축 유전자 편집의 예 – 장점을 갖춘 새로운 품종 만들기 – 염소 배아에 크리스퍼 주입. 배아를 대리모의 자궁에 착상. 더 많은 고기와 캐시미어를 생산하는 염소를 만든다.- 바이러스가 돼지세포에 감염될 때 CD163을 인식한다. 크리스퍼를 이용해 이 유전자를 삭제된 돼지를 만든 뒤 바이러스 감수성 시험을 한다. 열쇠를 훔친 도둑을 막기 위해 집 열쇠를 바꾸는 것과 비슷한 전략이다. 유전자를 편집한 돼지는 건강하고 바이러스에 감염되지 않았다.
GMO와 비GMO의 경계와 규제.전형적인 GMO는 외부 유전자가 삽입된 것으로 생물체에 이전에 없던 장점을 부여함으로써 새로운 단백질을 합성한다. 이와 달리 유전자 편집을 한 생물은 원래 존재하는 유전자에 작은 변형을 주고 원래 있던 단백질의 생산 농도를 조금 비틀어 생물체에 장점을 부여한다. 여기에는 외부 DNA가 삽입되지 않는다.
유전적으로 변형된 정의를 어떻게 내리느냐에 따라 정부기관의 규제와 대중의 인식은 달라진다. 외부 DNA를 삽입하는 것이 아니라 원래 연어 자신의 성장 호르몬을 계속 확대하도록 만들었다면 이 연어는 GMO인가? 아닌가? 근육이 강화된 동물은 자연발생적(마이오스타틴 돌연변이)이 되거나 크리스퍼로 만들 수도 있다. 여기서 GMO의 경계가 모호해진다. 유전자 편집은 같은 결과를 보다 신속하고 효율적으로 달성했을 뿐이다.
사람의 질병 연구에 필요한 동물 연구. 동물 모델의 필요성 특정 질병의 유전적 원인을 특정하기 위해.신약의 효능을 평가하기 위해서.수술이나 세포치료 등 의료기술의 효성을 검증하기 위해서.
네. 질병모델 만들기. 단세포 배아에 크리스퍼를 주입해 병든 원숭이를 만든다.원숭이로 병의 모델을 만드는 것은 마음이 편치 않지만 인간 병의 고통을 완화하기 위해서는 사람 환자를 대체할 대상과 치료법을 탐색하는 과정이 필요하다.
‘배양세포’가 아닌 ‘형질전환동물’에서 단백질(약품)을 생산하고 추출하는 과정은 매우 장점이 있다. 생산량이 많아 생산 규모를 키우기 쉽고 비용도 적게 든다.쥐나 원숭이와 같은 유전자 편집 동물 모델은 사람의 질병에 대한 우리의 지식을 넓히고 유전자 편집 돼지는 미래의 장기 기증소가 될 수 있다.
유전자 드라이브 : 특정 유전자가 세대를 거듭해 자손에게 우선적으로 유전되도록 하여 결국은 생물종 전 개체군의 유전 형질을 바꿀 수 있다는 구상으로 질병 매개 곤충 개체군 전체를 없애거나 위험한 질병 매개 능력을 없애려는 기술로 연구되고 있다.크리스퍼를 적용한 유전자 드라이브로 모기 퇴치. 불임 유전자를 이용. 실험실에서 모기 멸종 성공. 자연스레 방사에는 신중을 기해야 한다.(이 책에서 이해가 되지 않아 유전자 드라이브와 모기 멸종 실험 방법에 대해서는 더 알아봤다) http://m.blog.naver.com/silkcrow/222439315884 “유전자 드라이브” 적용 시기상조, 제한적 연구는 계속” [2016.06.10] http://scienceon.hani.co.k…m.blog.naver.com
환자를 치료하기 위해 체세포를 편집하는 것이 좋을까. 생식세포를 편집하는 게 좋을까?체세포 편집: 자손에게 유전자 조작이 유전되지 않는다. 50조 개의 세포를 모두 수정할 수는 없다.생식세포 편집: 유전이 된다. 단세포 단계에서 유전자를 교정할 수 있다. 인간의 생식세포 편집에는 안전과 윤리적 문제가 있다.
크리스퍼는 단성 유전자 질환 치료에 희망적이다. (다인자의 형질이나 복합적 원인 질환에는 적합하지 않은) 모든 체세포를 편집할 필요는 없다. 유전질환의 효과는 국지적으로 특정 조직에 나타나므로 가장 많이 영향을 받는 신체 부위의 세포만 치료하면 된다. (면역결핍증은 백혈구, 헌팅턴병은 뇌신경세포, 겸자적혈구병은 적혈구, 낭포성섬유증은 폐세포) 크리스퍼를 특정 부위에 국지화하는 것이 쉽다는 뜻은 아니다.
크리스퍼를 전달하는 방법에는 ‘생체 내 invivo 유전자 편집’과 ‘생체 외 exvivo 유전자 편집’ 방법이 있다.1. 생체외 유전자 편집 치료법 생체외에서 하는 방법은 간단하고 실험실에서 행해지고 있다. 편집한 세포를 환자의 체내에 넣기 전에 철저하게 품질관리시험을 거칠 수 있다는 장점이 있다.먼저 병에 걸린 세포를 몸에서 채취한다. 그래서 혈액병을 치료하는 데 적합하다.겸상적혈구병 베타 지중해성 빈혈은 골수이식(타인의 건강한 조혈모세포 이식)으로 치료할 수 있다. 면역거부반응이 문제가 된다. 유전자 편집은 자신의 세포를 사용하기 때문에 거부반응이 없다. (과정) 환자의 골수에서 줄기세포를 분리한다. → 베타글로빈 유전자 돌연변이를 크리스퍼로 교정한다. 편집한 세포를 환자에게 주입한다.혈액 외에 모든 것
(그림 125쪽) 캐스9은 가이드 RNA(크리스퍼 RNA)에 있는 20개의 염기서열을 참고로 DNA에서 이에 대응하는 염기서열을 인식하여 컷팅한다.
실험·가이드 RNA와 트레이서 RNA를 연결한다(키메라 RNA).해파리의 GFP 유전자에서 다른 20개 염기서열 중 5개 부분을 골라 표적으로 삼았다.모든 GPDNA가 의도한 위치에서 절단된 것을 확인했다.2012년 6월. 사이언스에 첫 논문 발표.
만약 우리가 염기 20개의 RNA 암호를 특정 인간 유전자 배열과 일치하도록 바꾸고, 이 새로운 가이드 RNA와 캐스9을 인간 세포에 이식하면 크리스퍼는 표적 유전자를 정확하게 잘라 세포가 그 자리를 복구하도록 흔적을 남기게 된다. 세포는 이 손상을 인식하면 복구하게 된다. 상동 재조합 방식으로 복구한다. 이것이 크리스퍼를 이용한 DNA 편집 원리다.
실험. 플라스미드 1: 가이드 RNA 유전자.플라스미드2: 캐스9 유전자+핵위치 배열+GFP 표적 대상 유전자: CLTA 유전자(클래스린의 L 사슬을 암호화하는 유전자, 클라스린은 내포 작용 시 피복소낭을 형성하는 단백질임) 인간 신장 세포(HEK293)로 실험.리포좀(지방분자가 들어간 비누수와 같은 용액) 이용. 대부분의 세포가 녹색 형광을 발현한다. 대량의 가이드 RNA가 생산된 것도 전기영동으로 확인했다.가이드 RNA 서열과 정확히 일치하는 장소가 편집되어 있는지 유전자 분석을 통해 확인한다.2012년 12월.두 번째 논문 발표.
인간과 모든 진핵생물은 발암물질과 자외선, X선 등에 의해 일어나는 DNA 손상을 복구하는 체계를 진화시켜 왔다. 크리스퍼가 유전자를 자르는 데 성공하면 세포는 금속 파이프 2피스를 용접하듯 단순히 DNA를 다시 붙인 것이 기본 시나리오다. 이 과정을 비상동 말단 부착이라고 한다. 결실 삽입 등의 오류가 많다.
크리스퍼가 소개된 후 방대한 양의 논문과 연구 결과가 쏟아지기 시작한다.
크리스퍼로 유전자 편집을 한 쥐를 만드는 과정.크리스퍼 구성요소를 「단세포 배아(수정란인가?)」에 미소주입법으로 주입. 착상·임신·출산 이후 크리스퍼는 다양한 식물과 동물에 적용된다. 매우 많다. 이제 인간도 예외가 아니다.
아직 사람에게 직접 크리스퍼를 주입하지는 못했지만 인간 세포에서는 실험(체외세포 수준 실험)을 했다.폐세포-낭포성 섬유증을 일으키는 유전자 돌연변이를 수정하기 위해 혈액세포-겸상적 혈구병과 베타 지중해성 빈혈을 일으키는 돌연변이를 교정하기 위해 근육세포-듀셴근이 영양증의 원인인 돌연변이를 고치기 위해 과학자들은 크리스퍼를 이용해 줄기세포의 돌연변이를 교정하고 복구하고 줄기세포는 유전자 편집을 마치면 사실상 몸 안의 어떤 세포나 조직으로도 바뀔 수 있다.과학자들은 인간의 암세포에서 수천 가지 유전자를 편집했다(신약의 표적이 되는 유전자와 새로운 치료법을 찾기 위해).
세포의 첫 번째 복구 메커니즘. 비상동재조합 오류가 많은 복구동물 유전학은 크리스퍼를 사용하여 유전자를 녹아웃하기도 한다. 잘린 유전자가 연결될 때 비상동 재결합(삽입이나 결실(in-dels, 인텔) 등 오류가 발생하기 쉬운 복구, 말단 부착)이 일어나는 경우다.TYR 유전자(티로시네이즈 효소. 멜라닌 생성에 관여한다)을 표적으로 하는 크리스퍼를 쥐의 수정란에 넣는다. 알비노쥐가 태어나다.녹아웃으로 다양한 실험동물 모델(질병을 가진)을 만들 수 있었다.녹아웃은 유전자 편집 전략의 하나일 뿐이다.억제된 유전자에 시달리는 환자에게 유전자 결실(녹아웃) 방법은 도움이 되지 않는다. 염기를 편집하여 교정하는 방법이 필요하다.
세포의 두 번째 복구 메커니즘. 상동 재조합. 정확한 복구.상동 재조합은 겹쳐서 찍은 파노라마 사진을 연결하여 완성하는 것과 비슷하다.복구 거푸집이 있으면 세포는 더 나은 복구 방법을 선택한다.크리스퍼에 의해 잘라낸 유전자 영역과 일치하는 복구 거푸집을 크리스퍼와 결합해 넣으면 세포는 기꺼이 받아들이고 손상 부위에 복구 거푸집을 붙일 것이다.
크리스퍼로 2군데 절단(가이드 RNA 2종류 사용)했을 때 세포의 DNA 편집방법. 1. 말단부착복구(다시 연결) 2. 결실(잃어버린 조각을 버리고 양 끝을 붙여버린다, 영화필름에서 장면을 잘라버리듯) 3. 역위
크리스퍼의 또 다른 적용. 절단 능력을 없앤 방법 비활성 크리스퍼 시스템. 크리스퍼를 유전자 발현 조절자(활성 또는 억제)로 변신. 비활성화된 캐스9은 DNA 배열을 여전히 찾을 수 있지만 자를 수는 없다. 비활성화된 크리스퍼 시스템은 짐을 나르는 말과 같다. 단백질 수화물은 활성자 또는 억제자이다.세포를 다양한 악기로 구성된 오케스트라라고 생각하면 건강하고 정상적으로 기능하는 세포에서 다양한 악기 소리는 완벽하게 균형을 이룬다. 악성 종양세포나 감염된 세포에서는 소리의 균형이 깨져 특정 악기의 소리가 너무 크거나 약하게 들린다. DNA 편집(몇 악기를 노골적으로 없애거나 대체하는 것)은 조악한 선택이다. 비활성화된 크리스퍼 시스템은 오케스트라의 어떤 악기든, 즉 게놈 속의 어떤 유전자든 높은 감도로 미세 조정할 수 있다.
조잡한 말단 부착이든 정확한 상동 재조합이든 절단 부위가 한 곳이든 여러 곳이든 혹은 절단 부위가 전혀 없어도 가능성은 무한하다. 완벽한 크리스퍼 도구로 무장한 과학자들은 이제 게놈의 구성 요소와 그 결과를 거의 완벽하게 통제할 수 있게 되었다. 크리스퍼의 장점착하다. 싸다.
2부 과업
농업에서 크리스퍼 활용 예. – Mlo 유전자만 편집(돌연변이를 일으켜)하여 보리의 백분병 저항성을 획득.
가축 유전자 편집의 예 – 장점을 갖춘 새로운 품종 만들기 – 염소 배아에 크리스퍼 주입. 배아를 대리모의 자궁에 착상. 더 많은 고기와 캐시미어를 생산하는 염소를 만든다.- 바이러스가 돼지세포에 감염될 때 CD163을 인식한다. 크리스퍼를 이용해 이 유전자를 삭제된 돼지를 만든 뒤 바이러스 감수성 시험을 한다. 열쇠를 훔친 도둑을 막기 위해 집 열쇠를 바꾸는 것과 비슷한 전략이다. 유전자를 편집한 돼지는 건강하고 바이러스에 감염되지 않았다.
GMO와 비GMO의 경계와 규제.전형적인 GMO는 외부 유전자가 삽입된 것으로 생물체에 이전에 없던 장점을 부여함으로써 새로운 단백질을 합성한다. 이와 달리 유전자 편집을 한 생물은 원래 존재하는 유전자에 작은 변형을 주고 원래 있던 단백질의 생산 농도를 조금 비틀어 생물체에 장점을 부여한다. 여기에는 외부 DNA가 삽입되지 않는다.
유전적으로 변형된 정의를 어떻게 내리느냐에 따라 정부기관의 규제와 대중의 인식은 달라진다. 외부 DNA를 삽입하는 것이 아니라 원래 연어 자신의 성장 호르몬을 계속 확대하도록 만들었다면 이 연어는 GMO인가? 아닌가? 근육이 강화된 동물은 자연발생적(마이오스타틴 돌연변이)이 되거나 크리스퍼로 만들 수도 있다. 여기서 GMO의 경계가 모호해진다. 유전자 편집은 같은 결과를 보다 신속하고 효율적으로 달성했을 뿐이다.
사람의 질병 연구에 필요한 동물 연구. 동물 모델의 필요성 특정 질병의 유전적 원인을 특정하기 위해.신약의 효능을 평가하기 위해서.수술이나 세포치료 등 의료기술의 효성을 검증하기 위해서.
네. 질병모델 만들기. 단세포 배아에 크리스퍼를 주입해 병든 원숭이를 만든다.원숭이로 병의 모델을 만드는 것은 마음이 편치 않지만 인간 병의 고통을 완화하기 위해서는 사람 환자를 대체할 대상과 치료법을 탐색하는 과정이 필요하다.
‘배양세포’가 아닌 ‘형질전환동물’에서 단백질(약품)을 생산하고 추출하는 과정은 매우 장점이 있다. 생산량이 많아 생산 규모를 키우기 쉽고 비용도 적게 든다.쥐나 원숭이와 같은 유전자 편집 동물 모델은 사람의 질병에 대한 우리의 지식을 넓히고 유전자 편집 돼지는 미래의 장기 기증소가 될 수 있다.
유전자 드라이브 : 특정 유전자가 세대를 거듭해 자손에게 우선적으로 유전되도록 하여 결국은 생물종 전 개체군의 유전 형질을 바꿀 수 있다는 구상으로 질병 매개 곤충 개체군 전체를 없애거나 위험한 질병 매개 능력을 없애려는 기술로 연구되고 있다.크리스퍼를 적용한 유전자 드라이브로 모기 퇴치. 불임 유전자를 이용. 실험실에서 모기 멸종 성공. 자연스레 방사에는 신중을 기해야 한다.(이 책에서 이해가 되지 않아 유전자 드라이브와 모기 멸종 실험 방법에 대해서는 더 알아봤다) http://m.blog.naver.com/silkcrow/222439315884 “유전자 드라이브” 적용 시기상조, 제한적 연구는 계속” [2016.06.10] http://scienceon.hani.co.k…m.blog.naver.com
환자를 치료하기 위해 체세포를 편집하는 것이 좋을까. 생식세포를 편집하는 게 좋을까?체세포 편집: 자손에게 유전자 조작이 유전되지 않는다. 50조 개의 세포를 모두 수정할 수는 없다.생식세포 편집: 유전이 된다. 단세포 단계에서 유전자를 교정할 수 있다. 인간의 생식세포 편집에는 안전과 윤리적 문제가 있다.
크리스퍼는 단성 유전자 질환 치료에 희망적이다. (다인자의 형질이나 복합적 원인 질환에는 적합하지 않은) 모든 체세포를 편집할 필요는 없다. 유전질환의 효과는 국지적으로 특정 조직에 나타나므로 가장 많이 영향을 받는 신체 부위의 세포만 치료하면 된다. (면역결핍증은 백혈구, 헌팅턴병은 뇌신경세포, 겸자적혈구병은 적혈구, 낭포성섬유증은 폐세포) 크리스퍼를 특정 부위에 국지화하는 것이 쉽다는 뜻은 아니다.
크리스퍼를 전달하는 방법에는 ‘생체 내 invivo 유전자 편집’과 ‘생체 외 exvivo 유전자 편집’ 방법이 있다.1. 생체외 유전자 편집 치료법 생체외에서 하는 방법은 간단하고 실험실에서 행해지고 있다. 편집한 세포를 환자의 체내에 넣기 전에 철저하게 품질관리시험을 거칠 수 있다는 장점이 있다.먼저 병에 걸린 세포를 몸에서 채취한다. 그래서 혈액병을 치료하는 데 적합하다.겸상적혈구병 베타 지중해성 빈혈은 골수이식(타인의 건강한 조혈모세포 이식)으로 치료할 수 있다. 면역거부반응이 문제가 된다. 유전자 편집은 자신의 세포를 사용하기 때문에 거부반응이 없다. (과정) 환자의 골수에서 줄기세포를 분리한다. → 베타글로빈 유전자 돌연변이를 크리스퍼로 교정한다. 편집한 세포를 환자에게 주입한다.혈액 외에 모든 것