작업이 끝나면 유전자 편집기를 꺼.
CRISPR 유전자 편집에 이제 끄는 스위치가 생겼어. 우리는 과장된 부분을 걷어내고 헌팅턴병(HD)에서의 이 기술을 탐구해 볼 거야.
유전자 편집은 현재 의학 분야에서 많이 논의되는 최전선이며, ‘DNA 수술’은 헌팅턴병과 같은 유전 질환을 치료하거나 완치할 잠재력을 가지고 있어. 여기서는 이 기술이 현재 무엇을 할 수 있는지 살펴보고 여전히 남아있는 과제들을 논의할 거야. 또한 스위스 과학자 팀이 최근 유전자 편집 장치가 제 역할을 마친 후 이를 끌 수 있는 방법을 어떻게 개발했는지도 논의할 거야.
먼저 몇 가지 기본 사항부터
우리는 모두 세포로 이루어져 있고, 각 세포는 우리 DNA의 완전한 복사본을 가지고 있어. 우리 DNA는 우리 몸의 사용 설명서야. A, T, G, C 네 가지 화학 ‘문자’로 구성되어 있어. 이 완전한 사용 설명서는
유전자 편집이란 무엇일까?:
헌팅턴병은 헌팅틴이라는 단백질을 만드는 설계도인 유전자의 돌연변이로 인해 발생해. 헌팅턴병 환자의 경우, 유전자 시작 부분에서 CAG 서열이 너무 많이 반복돼. 이로 인해 세포는 해로운 단백질인 변이 헌팅틴을 만들어내지.
그 DNA 부분을 정상으로 되돌릴 수 있다면 정말 놀랍지 않을까? 이 아이디어는 새로운 것이 아니지만, 최근에는 언젠가 사람의 DNA를 편집할 수 있게 해줄 도구들이 개발되었어.
유전자 편집은 DNA를 자르는 분자 기계인 뉴클레아제라고 불리는 단백질을 사용해. 최근 뉴스를 장식하고 있는 기술은 CRISPR이야. 그 이야기는 1990년대 초반 연구자들이 박테리아에서 반복되는 DNA 문자의 이상한 덩어리를 발견했을 때로 거슬러 올라가. 그들은 이것을 CRISPR이라고 불렀지만, 당시에는 그것이 무엇을 하는지 몰랐어. 얼마 후 2002년, 과학자들은 이 반복 서열 근처에 뉴클레아제를 만드는 DNA 지침이 있다는 것을 발견했어. 우리는 이 뉴클레아제를 ‘Cas’라고 불러. 그리고 2005년, 연구자들이 반복 서열 사이의 짧은 서열이 박테리아 자체에서 온 것이 아니라 감염 후 박테리아 게놈에 추가된 바이러스 DNA라는 것을 발견하면서 또 다른 퍼즐 조각이 맞춰졌어.
CRISPR과 Cas의 조합(CRISPR/Cas)은 사실 박테리아의 면역 체계, 즉 바이러스에 대항하는 무기라는 것이 밝혀졌어. 바이러스가 박테리아 세포를 감염시키면, 박테리아는 바이러스 DNA의 일부를 훔쳐 CRISPR 반복 서열 사이에 자신의 게놈에 삽입해. 이 전체 서열, 즉 CRISPR, 바이러스 DNA, 그리고 뉴클레아제 절단 기계는 침입하는 바이러스의 DNA를 인식하고 잘라내어 감염을 막는 무기가 되는 거야.
마침내 2012년, 제니퍼 다우드나와 에마뉘엘 샤르팡티에는 중간 부분의 DNA 서열을 조작함으로써 Cas가 원하는 어떤 지점에서든 DNA를 자르도록 할 수 있다는 것을 보여주었어. 이 부분이 Cas 뉴클레아제의 표적 시스템과 같은 역할을 해. 짜잔, 맞춤형 유전자 편집 도구를 얻게 된 거지!
유전자 편집을 치료법으로 전환하기
인간 세포는 CRISPR이나 Cas를 가지고 있지 않아. 그래서 인간 게놈을 편집하려면 먼저 세포에게 이 유전자 편집 도구를 만드는 방법을 가르쳐야 해. 이를 위해 과학자들은 CRISPR과 Cas의 DNA 설계도를 무해한 바이러스에 넣어 세포를 감염시켜. 바이러스는 DNA를 세포 안으로 주입하고, 세포는 CRISPR과 Cas 편집 도구를 만들어내는데, 이 도구들은 세포 자체 DNA에 작용하여 원하는 위치를 잘라내지.
한 가지 큰 과제는 Cas가 잘못된 표적을 공격하지 않도록 하는 거야. 만약 다른 곳에 매우 유사한 DNA 서열이 있다면, Cas가 그 부분도 자를 수 있어. 이는 한 유전자의 돌연변이를 교정하려다가 다른 곳에 또 다른 돌연변이를 유발할 수 있다는 의미이고, 이는 완전히 새로운 질병을 일으킬 수도 있어.
“KamiCas9 유전자 편집 시스템은 먼저 헌팅틴 유전자를 비활성화하고, 약 4주 후에 스스로 작동을 멈춰.”
질병 치료를 위한 유전자 편집
유전자 편집은 많은 질병을 치료할 잠재력을 가지고 있어. 특히 인간을 대상으로 한 연구는 초기 단계에 있어. 최근 연구에서 중국 연구자들은 인간 배아에서 CRISPR/Cas를 사용하여 혈액 질환인 베타-지중해빈혈을 유발하는 돌연변이를 교정했어. 이 배아들은 착상되지 않았지만, 인간 게놈을 편집할 수 있다는 것을 보여주었지.
헌팅턴병 치료를 위한 유전자 편집 사용
현재 뇌세포의 헌팅틴 단백질 양을 줄이기 위해 안티센스 올리고뉴클레오타이드(ASO)라는 약물을 사용하는 흥미로운 ‘헌팅틴 감소’ 임상 시험이 진행 중이야. 이 방법은 때때로 ‘유전자 침묵’이라고 불리지만, 이것은 유전자 편집이 아니야. 왜냐하면 이 약물은 뇌 자체의 DNA를 변경하지 않기 때문이지.
유전자 편집은 DNA 수준에서 헌팅턴병을 치료함으로써 훨씬 더 나아갈 수 있어. 이에는 여러 가지 접근 방식이 있어. 이상적으로는 긴 CAG 반복 서열을 정상 길이로 잘라낼 수 있을 거야. 하지만 CRISPR/Cas는 현재 DNA의 단일 문자를 변경하는 데는 뛰어나지만, 아직 확장된 유전자를 특정하여 CAG 반복 횟수를 줄일 수는 없어. 다른 접근 방식은 HTT 유전자 초기에 STOP 신호와 같은 유전적 요소를 도입하여 단백질이 전혀 만들어지지 않도록 하는 거야.
이론적으로 유전자 편집은 단백질 생성을 영구적으로 완전히 멈출 수 있어. 이것은 훌륭하게 들릴 수 있지만, 잠재적으로 양날의 검이야. 일단 실행되면 되돌릴 수 없기 때문에, 만약 잘못되면 장기적인 영향을 미칠 수 있거든.
헌팅턴병에서 CRISPR/Cas 정교화하기
CRISPR과 Cas의 DNA가 게놈에 삽입되면, 그것들은 영원히 그곳에 남아있어. 이는 세포가 Cas 뉴클레아제를 계속해서 만들 것이라는 의미인데, 이 뉴클레아제는 떠다니는 세포의 DNA를 자르는 단 하나의 작업만 필요로 할 뿐인데도 말이야. 그 후에는 더 이상 필요하지 않아.
조만간 Cas 뉴클레아제가 잘라서는 안 되는 DNA를 자를 위험이 있어. 이는 질병을 유발할 수 있는 돌연변이를 초래할 수 있지. 또한 Cas가 원래 박테리아에서 유래했다는 것을 기억해. 이는 인간 면역 체계가 Cas를 외부 물질로 인식하고 공격하려 하여 위험한 면역 반응을 유발할 수 있다는 뜻이야.
이상적으로는 아주 짧게만 작동하여 선택된 방식으로 DNA를 편집한 다음 스스로 꺼지는 CRISPR/Cas 치료법을 원해.
스위스 로잔 대학교의 니콜 데글롱 팀은 바로 그렇게 할 수 있는 방법을 개발했어. 그들은 Cas가 HTT 유전자 편집을 마친 후 스스로 꺼지도록 하는 방법을 개발했고, 이로써 면역 반응을 유발하거나 잘라서는 안 되는 곳을 자를 가능성을 줄인 거지.
스위스 팀의 멋진 아이디어는 헌팅틴 유전자를 표적으로 하는 CRISPR/Cas 기계를 만드는 것이었어. 하지만 추가적인 CRISPR 서열을 포함시켜 Cas 뉴클레아제가 자신의 DNA도 표적으로 삼도록 한 거지. 자신의 DNA를 자르면 시스템이 스스로 비활성화되는 거야.
그들이 ‘KamiCas9’라고 부른 이 추가 CRISPR 서열은 (맞아, 이 이름은 ‘카미카제’라는 단어에 대한 다소 의심스러운 말장난이야) 헌팅틴을 표적으로 하는 서열보다 훨씬 느린 속도로 만들어져서 그 효과가 지연돼. 이는 먼저 헌팅틴 유전자를 비활성화하고, 약 4주 후에 유전자 편집 시스템이 작동을 멈춘다는 의미야. 처음 4주 동안 헌팅틴 유전자에 가해진 편집은 영원히 유지되지만, Cas 뉴클레아제의 최종 비활성화는 나중에 해로운 영향을 미칠 가능성을 줄여줘.
그렇다면 유전자 편집은 어디까지 왔을까?
유전자 편집은 광범위한 질병을 치료할 엄청난 잠재력을 가지고 있어. 하지만 제대로 수행되지 않으면 인간 DNA에 유전적 문제를 일으킬 수도 있고, 이는 환자와 미래 세대에게 헤아릴 수 없는 영향을 미칠 거야.
데글롱 팀은 편집 장치가 제 역할을 마친 후 이를 끄는 데 중요한 진전을 이루었어. 하지만 유전자 편집 시스템을 인간 뇌에 도입하는 것은 여전히 큰 과제이고, 스스로 비활성화되기 전에 잘못된 곳을 자를 위험도 마찬가지야.
유전자 편집은 흥미로운 기술이야. 미래에는 헌팅턴병을 예방하거나 심지어 미래 세대의 위험을 제거하는 방법이 될 수도 있어. 이 새로운 끄는 스위치는 과학자들이 기술을 끊임없이 개선하기 위해 노력하는 한 가지 예시야. 헌팅턴병으로 고통받는 가족들을 돕기 위해 유전자 편집을 준비하는 작업은 계속될 거야!
