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유전자 편집을 위한 진일보: CRISPR-Cas9 와 헌팅턴병

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진화하는 CRISPR-Cas9 기술을 현재 생쥐 뇌에서 HD 유전자를 편집하는 데 사용할 수 있습니다.

작성자 Leora Fox 8월 22, 2017에Dr Jeff Carroll에 의해 편집 됨; Prof Wooseok Im에 의해 번역됨7월 26, 2017에 발표된

  • CRISPR-Cas9는 DNA에서 정교한 변화를 만드는데 실험적으로 사용되는 유전자 편집 기술입니다. 과학자들은 마우스의 뇌 세포에서 Huntington ’s Disease 돌연변이를 공략하기 위해 이 접근법을 처음으로 사용했습니다. 다른 연구원들은 CRISPR-Cas9를 보다 효율적이고 명확하며 안전해지도록 개선하고 있습니다. HD 환자에게 사용하기에는 아직 멀었습니다. 그러나 마우스에서의 적용은 흥미 진진한 발전입니다.*

CRISPR-Cas9를 사용한 유전자 편집

DNA는 살아있는 세포의 성장과 기능을 감독하는 기본적인 코드입니다. 한때 공상 과학소설과 같이 여겨졌던 이 코드를 조작할 수 있게 된 기술이 헌팅턴병과 같은 유전 질환 연구를 주도하기 시작했습니다. DNA를 바꾸기 위한 도구의 설계와 적용은 유전자 편집 *이라고 알려져 있으며, 최근 화두가 된 도구는 CRISPR-Cas9 입니다. 이것이 알려지게 된 이래로, HD 과학자들은 CRISPR-Cas9가 HD를 유발하는 유전자 돌연변이를 편집할 수 있는 가능성을 모색하고 있습니다.

유전자 편집 기술로 인해 DNA 코드가 영구적으로 변경됩니다.
유전자 편집 기술로 인해 DNA 코드가 영구적으로 변경됩니다.

이 실험 기술은 인간에서 시도 될 준비가 되지 않았지만, 시험관에서 살아있는 세포로, 그리고 생물체를 다루는 기술로 빠르게 옮겨졌습니다. 여러 연구 그룹의 최근 연구 결과에 따르면 CRISPR-Cas9는 생쥐의 두뇌에서 HD 유전자를 편집하는 데 사용될 수 있었습니다. 더 흥미로운 한 연구 결과는 CRISPR-Cas9를 뇌에 전달한 후 HD 마우스 행동이 호전되었음을 보여주었습니다. 이 유전자 편집 기술은 계속해서 더욱 정교해지고 있으며 여러 HD 연구팀이 HD 치료 과제에 적응시키고 있습니다. CRISPR-Cas9가 어떻게 작동하는지, HD로의 적용 및 이 단계에서 안전성의 중요성을 이야기해봅시다.

HD 유전자: 이야기 편집

HD는 유전코드에 원치 않는 추가로 인해 발생합니다. 수십억 개의 생물학적 빌딩 블록인 뉴클레오티드 C, G, A 및 T가 DNA 코드 전체에서 발견됩니다. 이 뉴클레오타이드는 엑손 (exons)으로 알려진 유전자 단편 (chunks)으로 읽혀지고 해석됩니다. 뉴클레오타이드를 하나의 ‘문자’로, 3 개의 뉴클레오티드를 하나의 ‘단어’로, 엑손을 ‘문장’으로, 유전자를 ‘단락’으로, 완전한 게놈을 세포가 성장하고 기능하는데 필요한 모든 부분을 설명하는 지침서로 생각할 수 있습니다.

HD의 원인이 되는 유전자 한 ‘단락’을 확대해 보겠습니다. HD이 걸리게 되는 사람들의 유전자 첫 번째 ‘문장’에 실수가 있습니다. 계속해서 그리고 계속해서 그리고 계속해서 그리고 계속해서 그리고 계속해서 그리고 계속해서 그리고 계속해서 그리고 계속해서 그리고 계속해서 늘어지는 필요이상의 한 줄의 C-A-G 문자열. CAG 반복 실수를 수정할 수 있다면 이전 문장에서 반복되는 “반복적인” 반복을 모두 삭제할 수 있다면 어떨까요? 이것은 HD 연구에서 유전자 편집의 주요 초점이 되며, CRISPR-Cas9는 여러 접근법 중 하나입니다.

CRISPR-Cas9: 커팅하기

유전자를 편집하는 워드프로세싱 소프트웨어는 없습니다. 한 번에 한 세포씩 미세한 단위로 유전자를 고치려면 결함 코드를 찾아 물리적으로 잘라야 합니다. 이것이 CRISPR-Cas9가 하는 일 입니다. 이 절단과정에 두 가지 구성 요소가 필요합니다: (1) ** 가이드 RNA ** 와 (2) ** Cas9 **라 불리는 절단 효소. 간단한 비유가 있습니다: 리본 조각을 자르고 싶지만 친구에게는 가위가 있다고 상상해보십시오. 두 손으로 리본을 잡고, 단단히 잡아 당겨 친구에게 정확하게 컷을 만들 수 있는 위치를 보여줄 수 있습니다. 그것은 현미경단위에서 설명하는 CRISPR-Cas9 입니다: 가이드 RNA가 DNA에서 정확한 자리를 찾아 제시하고, Cas9는 가위역할을 하여 실제로 DNA를 절단합니다.

과학자들은 실험실에서 매우 길게 스트레치 된 HD 유전자의 C-A-G 반복 양쪽 두 번을 자를 Cas9를 보여줄 특정 가이드 RNA를 디자인 할 수 있습니다. 그런 다음 새 끄트머리는 함께 덧대어지어 문제되는 부분을 영구적으로 제거 할 수 있습니다. 이렇게 과학자들은 CRISPR-Cas9를 사용하여 유전자 서열을 편집합니다. . 다른 어느 흥미로운 신기술들과 마찬가지로 연구원은 CRISPR-Cas9 시스템을 다른 신선한 곳에 사용될 수 있기 위한 도구로서 연구했습니다. 초기에 연구원들은 CRISPR-Cas9를 사용하여 특정 유전자의 단일 절단이 아주 쉽게 이루어진다는 것을 깨달았습니다. 세포가 이러한 절단을 수정하기 위해 사용하는 복구과정은 오류가 쉽게 일어나고 작은 유전자 정보 부분을 쉽게 잃기도 합니다.

비유하자면, 저녁 식사 테이블에서 친구에게 "버터를 전달하십시오.” 라고 문자를 입력한다고 상상해보십시오. 실수로 “터"와 같은 글자를 건너 뛰고 친구가 받을 메시지의 구조를 유지하면 "버를전 달하십시오"입니다. 유전자 메시지가 이와 같이 작은 삭제로 뒤죽박죽이 되면 세포는 오류를 인식하고 그 내용을 무시하는 기계를 가지고 있습니다. 이것은 연구자들에게 유전자 배열을 편집하는 것이 아닌, CRISPR-Cas9를 사용하여 더 효율적으로 유전자를 삭제하는 방법을 제공합니다.

마우스의 두뇌에 있는 CRISPR-Cas9

몇 몇 연구 그룹이 살아있는 마우스의 뇌에서 HD 유전자를 편집 할 수 있다는 것을 발견했습니다. 가장 최근에 미국의 Emory University에서 근무한 Xiao-Jiang Li가 이끄는 팀은 HD 유전자에 미세한 컷을 만들면 HD 마우스에 유익한 효과가 있을 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 실험에서, 그들은 C-A-G를 제거하기 위해 HD유전자를 편집 하는 대신 삭제 모드에서 CRISPR-Cas9를 사용했습니다.

HD 마우스에서 CRISPR-Cas9를 사용하기 위해 가이드 RNA와 Cas9 "가위"는 뇌에 주입되기 위해 특수 설계된 바이러스에 의해 운반됩니다. Li의 연구팀은 HD 진행 시 손상되는, 기분과 움직임을 제어하는 뇌 영역인 ​​선조체 (striatum)에 이 기법을 적용했습니다. 몇 주 후, CRISPR-cas9 구성물질은 많은 세포로 전이되어 불 기능의 HD 유전자를 무력화시켰고, 뉴런에 대한 스트레스의 징후가 줄어들었습니다.

3 개월 후, 뇌 세포에 축적된 유해한 헌팅틴 단백질 덩어리가 거의 없었고 HD 쥐는 운동 테스트에서 다소 향상되었습니다. 이 실험에서 가장 흥미로운 점은 이미 증상을 보이는 나이 많은 쥐의 회복이었습니다. 9 개월 된 생쥐 (중년 경)조차도 주사를 맞은 후 증상의 개선을 보이므로서, 생의 반년 동안 일어난 두뇌손상도 부분적으로 회복 될 수 있음을 시사했습니다.

주의를 가지고 진행

HD를 가진 대부분의 사람들은 단 하나의 돌연변이 유전자 사본을 가지고 있으며, 또 다른 사본은 완벽하게 건강합니다. 치료로 CRISPR-Cas9를 사용하는 것에 대한 우려가 있습니다. 손상된 부분을 HD 유전자에서 삭제할 수도 있지만 건강한 부분의 일부를 영구적으로 제거 할 수 있기 때문입니다. Li 연구실 또한 이 문제를 간접적으로 해결하기 위해 몇 가지 실험을 수행했으며, CRISPR-Cas9를 사용하여 두 개의 HD 유전자 사본에 결함이 있는 쥐에서 모두 제거했습니다. 비록 몇 주 동안만 모니터링 되 긴했지만, 생쥐에게 즉각적인 위험은 없었습니다.

정상적인 HD 유전자 사본을 방해할 수도 있는 것에 대한 안전성은 진행중인 헌팅틴을 낮추는 ASO 임상 시험을 고려할 때 중요합니다. 이 약물은 HD 유전자의 돌연변이 사본과 정상인 유전사본 모두의 수준을 감소시킵니다. 생쥐에 대한 일부 연구 결과에 의하면 이것이 생존 후반에도 무해하다는 것이 밝혀졌지만 생쥐의 수명이 인간보다 훨씬 짧기 때문에 확신하기가 어렵습니다. ASO 연구를 수행하는 회사인 Roche와 Ionis는 이러한 위험을 잘 알고 있으며 HD 유전자를 낮춤으로써 야기되는 문제의 징후를 주의 깊게 관찰하고 있습니다.

이 실험에서 가장 흥미로운 점은 이미 증상이 나타난 나이가 많은 쥐의 회복이었습니다.

ASO 약물과 CRISPR-Cas9 접근법에는 주요 차이점이 있습니다. 인간에 대한 현재 사람에서 이루어지는 ASO 시험은 ‘헌팅틴을 낮추는’ 혹은 ‘유전자 억제’ 요법인데, 짧은 순간작용으로 두 HD유전자 사본을 모두 불능화시키게 되는데 치료가 중단되면 유전자가 기능을 회복합니다. 반대로, CRISPR-Cas9를 사용하는 유전자 편집은 DNA에 영구적인 변화를 일으키므로 훨씬 주의해서 접근해야 합니다. 손상되었든 그렇지 않든 간에 HD 유전자가 세포에서 중요한 기능을 한다는 증거가 있습니다. 우리는 영구적인 부작용의 위험을 감수하고 싶지 않습니다. 좋은 소식은 HD 과학자들이 대립 유전자 특이적 접근법 (allele-specific approach)으로 알려진, 건강한 유전자 사본은 피해 접근하려는 시도를 하고 있다는 것입니다.

유전자 편집 기술의 향상

두 그룹은 최근 CRISPR-Cas9 기술을 개선하여 유전자 중 손상된 사본만을 잘라내 비활성화시켰다. 우선 Massachusetts General Hospital의 이종민 팀이 독창적으로 디자인 된 가이드 RNA를 사용하여 대립 유전자 특이적 기술의 결실을 만들었습니다. 이 가이드 RNA는 HD 돌연변이 근처의 DNA 글자들 중 작은 불일치를 찾아 내고 두 개의 Cas9 절단을 지시했습니다. 개인의 DNA에 따라 유전자 편집이 "개인화” 될 수 있기 때문에 그들의 접근법은 새로운 것입니다.

필라델피아 아동 병원의 Beverly Davidson이 이끄는 두 번째 그룹은 유사한 접근법을 사용하여 돌연변이 유전자만을 겨냥하여 Cas9로 더 작은 절단을 하였습니다. 이것은 여러 개의 유해한 헌팅틴 단백질 생산을 중단시켰습니다. 이종민 팀과 마찬가지로 그들은 살아있는 쥐의 두뇌에서 HD 유전자를 비활성화 켰습니다. 발전된 CRISPR 기술이 HD 마우스의 행동능력을 향상시킬 지의 여부는 아직 밝혀지지 않았지만 두 혁신은 모두 미래의 유전적 치료법을 위한 발전입니다.

유전자 편집에 있어서의 장애물

우리는 유전자 편집을 사용하므로 서 HD를 더 잘 이해하게 되어 기쁘게 생각합니다. 살아있는 마우스에서의 CRISPR의 사용과 대립 유전자 특이적 접근법의 개발은 중요한 진보를 의미하지만, CRISPR-Cas9가 HD치료법으로 개발되기 전에 극복되어야 할 몇 가지 문제점이 있습니다. 연구원이 당면한 주요 과제와 현재의 이해 상태는 다음과 같습니다.

  1. ** 정밀도 **: Cas9가 자르도록 설계된 유전자만을 절단하고 다른 곳에서는 무작위로 해를 끼치지 않도록 해야 합니다. 과학자들은 CRISPR이 매우 구체적이라는 것을 보장하는 것에는 큰 문제가 없을 것 같습니다.

  2. ** 대립 유전자 특이성**: HD 유전자의 돌연변이 사본만을 제거하고 정상인 돌연변이 사본은 제거하지 않도록 합니다. 이에 관해 우리가 이 글에서 설명한 연구는 흥미로운 발전입니다.

  3. ** 배송 **: CRISPR-Cas9 기계가 뇌의 많은 뉴런에 들어가고 각각에서 HD 유전자를 제거합니다. 이제 쥐에서 가능하다는 것을 알았지만 인간의 뇌를 치료하기 위해 사용되는 모든 치료법에서는 주요 장애물로 남아 있습니다.

  4. ** 단기적 안전**: HD 유전자의 일부를 삭제해도 즉각적인 신경학적 문제나 죽음을 초래하지는 않아야 합니다. 적어도 지금까지는 그렇지 않았습니다.

  5. ** 장기적인 안전 **: HD 유전자를 편집하는 것이 장기적으로 봤을 때도 안전해야 합니다. 이것은 쥐에서 연구하기에는 매우 어려운 과제입니다. 우리는 아마 영장류 실험이나 임상시험에서 덜 영구적인 기술을 통해 답을 찾아야 할 것 입니다.

헌팅틴을 낮추는 ASO 시험은 아직 초기 안전성 실험 단계에 있지만 이 접근법에 대한 기대가 큽니다. 유전자 편집은 DNA 코드로 기록 된 것에 지속되는 변화를 가져올 수 있으며 중대한 결과를 초래할 수 있습니다. CRISPR-Cas9가 임상단계로 임박하면서 안전성에 대한 난제들이 기하 급수적으로 증가하고 있습니다. 그럼에도 불구하고 이 기술에 관한 차세대 기술은 엄청난 약속을 보여 주며 많은 사람들이 혁신적인 방법들로 진전시키고 있습니다.

본 한글 기사는 영어원문을 의역하여 번역된 것으로서 일부 내용은 추가설명이 포함되거나 생략된 부분이 있을 수 있습니다.

이 기사의 편집자인 Jeff Carroll은 Ionis Pharmaceuticals (ASO trial)의 비재무적 연구 협력 관계를 맺고있습니다. HDBuzz 공동 편집장인 Dr. Wild는 기사에서 언급 된 Ionis / Roche ASO 임상시험 연구원입니다. Dr. Wild, Ionis 또는 Roche의 직원도 이 기사의 작성 또는 편집에 대한 어떠한 정보를 제공하지 않았습니다. 우리의 공개 정책에 대한 자세한 내용은 FAQ를 참조하십시오...