오늘은 크리스퍼 카스9 (CRISPR Cas9) 유전자 가위의 원리 및 활용 사례를 알아보겠습니다.
CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) 유전자 가위는 기존 박테리아의 면역 체계에서 발견된 메커니즘을 이용하여 개발되었습니다.
이러한 유전자 편집 특정 DNA 서열을 절단하여 교정할 수 있게 하여 결함이 있는 유전자를 복구시킬 수 있습니다.
※ 본 포스팅은 KAIST 생명화학공학 박사 학위를 취득한 현직 국가연구소 연구원이 작성하였습니다.
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크리스퍼 카스9 CRISPR Cas9 유전자 가위의 원리
우선 기술의 원리에 대해 알아보겠습니다.
CRISPR 기술은 연관 단백질인 Cas 단백질과 함께 활성을 보입니다.
오늘 그 단백질 중 Cas9 단백질에 대해 이야기할 예정입니다.
1) CRISPR Cas9 시스템은 가이드 RNA (gRNA)의 염기서열에 의해 표적 서열을 정할 수 있습니다.
[가이드 RNA는 표적 염기서열에 상보적으로 설계]
2) 표적 서열은 특정 염기서열인 PAM (protospacer-adjacent motif) 염기서열을 포함하며 그 부분을 CRISPR Cas9 시스템이 인식하게 됩니다.
3) 위의 그림처럼 PAM 염기서열을 포함하는 이중 가닥의 표적 DNA를 Cas9 시스템이 인식하게 되고 특정 부분을 절단하게 됩니다.
카스 9 유전자 가위 활용 사례
지금부터는 앞서 설명한 크리스퍼 카스9 (CRISPR Cas9) 시스템을 진단에 활용한 기술 중 하나를 예시로 하여 설명하도록 하겠습니다.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115085
Song, J., Song, Y., Jang, H., Moon, J., Kang, H., Huh, Y. M., … & Kang, T.
(2023). Elution-free DNA detection using CRISPR/Cas9-mediated light-up aptamer transcription: Toward all-in-one DNA purification and detection tube.
Biosensors and Bioelectron
논문에서 표적 핵산을 전처리하는 방법에 대한 이야기는 생략하고 CRISPR Cas9 시스템이 적용된 부분부터 원리를 설명하도록 하겠습니다.
위 논문에서는 CRISPR Cas9 시스템의 특징인 절단과 In vitro transcription의 원리를 사용하여 표적 핵산을 검출하였습니다.
1) CRISPR Cas9과 설계한 가이드 RNA 복합체는 표적 핵산을 인식하여 절단을 일으키고 결과적으로 이중 가닥의 DNA를 생성하게 됩니다.
2) 절단되어 나온 이중 가닥 DNA의 한 부분은 breathing dynamics에 의해 단일 가닥의 DNA template (설명을 위해 앞으로는 T7 template라고 표현)에 상보적으로 결합하게 됩니다.[Breathing dynamics는 이중 가닥의 DNA에서 상보적으로 결합하고 있는 염기들이 일시적으로 분리되고 다시 결합하는 과정을 말합니다.
상기 논문은 이러한 일시적으로 분리되었을 때 하나의 DNA 가닥이 T7 template에 붙는 원리를 활용하였습니다.]
3) T7 template에 붙은 단일 가닥의 DNA는 프라이머 역할을 수행하여 이중 가닥의 DNA를 생성하게 됩니다.
4) 생성된 이중 가닥의 DNA는 T7 promoter (T7 RNA polymerase가 인식하는 염기서열)을 가지고 있기 때문에 T7 RNA polymerase의 활성에 따라 위 그림의 MGA라는 염기서열을 가지는 RNA를 생성하게 됩니다.
5) 생성된 MGA (malachite green aptamer)는 특정 물질과 결합하여 형광을 발생시키고 이에 따라 표적 핵산의 유무를 확인할 수 있게 됩니다.
마치며
크리스퍼 카스 (CRISPR Cas) 기술은 생명과학 분야에서 혁신적인 도구로 많은 연구에 활용되고 있습니다.
뛰어난 특이도를 바탕으로 본 글의 예시처럼 진단에도 활발히 적용되고 있습니다.
기존의 등온 핵산 증폭 기술이 가지는 한계점을 극복할 수 있을 뿐 아니라 다양한 새로운 방식의 접근을 가능하게 하여 더욱 혁신적인 기술들이 개발되고 있기 때문에 앞으로 진단에 다양하게 활용될 것으로 전망합니다.