김진수 서울대 교수와 생명공학기업 툴젠 연구팀
“세포 실험에서 인간 유전자 기능 연구 도구 활용”

» 유전체(게놈) 편집 공학인 이른바 '유전자 가위' 기술을 가위에 빗대어 그린 그림 출처/ http://talenlibrary.net/

30억쌍의 디엔에이 염기서열에서 표적으로 삼은 작디작은 지점을 찾아가 해당 부위의 유전자 기능을 차단하는 ‘유전자 가위’ 기술이 빠르게 발전하면서, 인간 유전자 각각에 대응하는 1만8740가지 유전자 가위의 도서관(라이브러리)이 국내 연구팀에 의해 구축됐다. 유전자 가위 도서관은 아직도 충분히 규명되지 못한 인간 유전자들의 기능을 인간 세포 수준에서 연구하는 데 활용될 수 있을 것으로 연구자들은 기대한다 (아래 상자글 참조).

김진수 서울대 교수와 생명공학기업 툴젠의 김석중 연구소장 등 연구팀은 최근 과학저널 <네이처 바이오테크놀러지(Nature Biotechnology) 온라인판에 낸 논문에서 제2세대 유전자 가위 기술로 널리 쓰이는 ‘탈렌(TALEN)'이라는 인공효소를 이용해 인간 유전체(게놈) 염기서열 해독 이후에 지금까지 학계에 알려진 인간 유전자 전체에 대응하는 유전자 가위 1만8740가지를 만들었다고 보고했다. 이렇게 만들어진 탈렌 유전자 가위에 관한 정보는 '탈렌 라이브러리' 누리집에서 검색해 찾아볼 수 있다.

» 유전자 가위의 일종인 '탈렌'의 구조를 단순화해 보여주는 그림. 탈렌은 크게 두 부분으로 구성된다. 디엔에이에서 특정한 염기서열을 인식할 수 있도록 설계된 '디엔에이 결합 부분(DNA-binding domain)과, 실제로 디엔에이를 자를 수 있는 뉴클레아제 부분(nuclease domain, 가위 그림)으로 이뤄진다. 유전자의 특정 염기서열을 자르기 위해서는 1쌍(2개)의 탈렌이 필요하다. 그림/ 김진수 교수 연구팀 ‘유전자 가위’ 인공효소는 특정한 염기서열을 찾아가 거기에 달라붙는 부분과 그 부분을 분해해 절단하는 부분, 이렇게 두 부분으로 구성되는데 기존에 널리 쓰이던 제1세대 유전자 가위인 '징크 핑거 뉴클레아제(ZFN)'에 비해 2세대 격인 '탈렌'은 정확도와 효율성이 높아 근래 들어 연구자들 사이에 선호되고 있다. 최근에는 바이러스에 대응하는 미생물의 면역계에서 찾아내 개발한 ‘아르엔에이 유전자 가위(RGEN)’가 새롭게 주목받고 있으나 지금은 초기 연구단계에 있다.

연구팀은 인간 유전자들에 겹쳐 나타나는 염기서열은 빼고 유전자마다 다르게 나타나는 고유한 염기서열을 생물정보학의 컴퓨터 시뮬레이션 분석을 통해 찾아내어 유전자 가위 각각의 표적 염기서열로 삼았다. 이어 유전자 가위 제작용 조립식 모듈로 미리 만들어둔 염기서열 단위들을 조합해 유전자마다 다른 고유한 염기서열에 달라붙는 결합 부분과 해당 부위를 절단하는 부분의 결합체인 각각의 탈렌 유전자 가위를 만들었다. 연구팀은 이런 방식으로 모두 1만8740가지 유전자 가위의 도서관을 구축했다. 각각 설계된 유전자 가위는 플라스미드(염색체 바깥에 작은 고리 구조로 존재하는 디엔에이 조각 분자) 형태로 수만 가지의 대장균 몸체에 나뉘어 보관된다. 김석중 소장은 “이번 논문에서는 인간 유전자 전체에 대응하는 유전자 가위 라이브러리를 만들었다는 점도 높게 평가됐지만 탈렌 유전자 가위의 정학도와 효율성을 높이는 새로운 설계 방식을 구현했다는 점도 높게 평가됐다”고 말했다.

이렇게 만들어진 탈렌 유전자 가위가 다른 이웃 유전자들에는 해를 끼치지 않고 표적으로 삼은 유전자에만 달라붙어 그 기능만을 제대로 차단하는지 확인하기 위해, 연구팀은 126가지 유전자 가위를 무작위로 뽑아 검증 실험을 했다. 그랬더니 124개 표적 유전자들에서 평균 16% 효율로 유전자 기능이 차단되는 돌연변이가 나타났으며, 나머지 2개 유전자에서도 추가 실험을 통해 돌연변이가 확인됐다고 연구팀은 전했다. 연구팀은 “유전자 기능 연구를 위해 [그 유전자가 없어졌을 때에 나타나는 차이를 살피기 위해서] 해당 유전자의 기능을 막는 데 '간섭 아르엔에이(siRNA)'라는 기술이 현재 널리 쓰이는데, 그 효과가 낮은 데 비해 탈렌 유전자 가위는 해당 유전자의 기능을 원천 차단하기 때문에 유전자 연구에 훨씬 더 효과적으로 사용될 수 있다”고 설명했다.

김진수 교수는 “(개체 수준에서 확인되어야 하는 유전자 기능 연구에는 활용하기 어렵겠지만) 줄기세포 같은 인간 배양세포 수준에서 인간 유전자의 기능과 질병의 원인을 연구하는 데 좋은 연구 도구로 활용될 것으로 기대한다”며 "불과 2년 전에 주목받던 기술이 이제는 거의 주목받지 못할 정도로 유전자 가위 기술이 빠르게 개발되면서 응용 분야도 점점 더 늘어날 것"이라고 말했다.

[유전자 기능 연구에 유전자 가위 어떻게 활용하나?]

“제1세대 유전자 가위인 징크 핑거 뉴클레아제(Zinc Finger nuclease: ZFN)에 이어, 최근에는 제 2세대 유전자 가위인 탈렌(Transcription Activator-Like Effector Nuclease: TALEN) 기술이 급속도로 발전하고 있다. 유전체 상의 원하는 염기서열을 인식할 수 있도록 탈렌을 설계하고 만든 후, 이를 세포 내에 도입해 발현시키면, 설계된 특정 부위의 유전자가 절단된다. 이렇게 탈렌에 의해 절단된 유전자 부위는 세포 내의 자발적인 복구 기작에 의해 다시 회복되지만, 그 복구 과정 중에 다양한 돌연변이가 도입되는 경우도 있어 해당 유전자의 기능이 차단된다.

인간 게놈 프로젝트에 따라 인간의 유전체의 지도가 완성이 되었는데, 인간 유전체의 경우 약 20,000 여개의 유전자로 이루어져 있다고 보고되고 있다. 시퀀싱(염기서열 해독) 기술이 급속도로 발전함에 따라 각 유전자의 염기서열과 그에 대한 연구는 많이 이루어졌지만, 그에 비해 각 유전자의 기능에 대해서는 많은 유전자의 경우 아직 밝혀지지 않았다.

각 유전자의 기능을 알아보는 방법으로는 여러 가지가 있는데, 그중에서 특정 유전자의 기능을 차단함으로써 나타나는 현상을 관찰함으로써 해당 유전자의 기능을 연구하는 방법이 가장 빠르고 확실한 방법이다. 이러한 연구를 함에 있어, 우리 연구진이 보유한 유전자 가위 기술은 특정 유전자의 염기서열에 돌연변이를 일으켜 해당 유전자의 기능을 원천적으로 차단할 수 있는 좋은 도구이다. 이에 우리 연구진은 약 20,000여개의 인간 전체 유전자에 대해서, 각각을 잘라서 돌연변이를 일으킬 수 있는 탈렌을 설계하고 만들어 인간 유전체 탈렌 라이브러리를 구축하고자 하였다.” (보도자료에서)