유전체 편집 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전 유전체 편집 위키백과, 우리 모두의 백과사전. 둘러보기로 가기 검색하러 가기 유전체 편집 ( 영어 : Genome editing ) 또는 조작된 핵산분해효소를 이용한 유전체 편집 ( Genome editing with engineered nuclease ) 은 인공적으로 조작된 핵산분해효소 혹은 유전자 가위를 이용해 유전체로부터 DNA가 삽입, 대체 혹은 결실되는 유전 공학의 일종이다. 핵산분해효소는 유전체 상의 원하는 위치에 특정한 이중가닥절단 ( Double - stranded break, DSB ) 을 일으키게 되고, 그 절단은 세포의 자체적인 기작에 의해 상동재조합 ( Homologous Recombination, HR ) 또는 비상동말단연결 ( Non - homologous end joining, NHEJ ) 의 방식으로 수선된다. 최근 주로 이용되고 있는 조작된 핵산분해효소는 크게 4가지가 있다 : ZFNs ( Zinc Finger Nucleases ), TALENs ( Transcription Activator - Like Effector Nucleases ), the CRISPR / Cas system, 그리고 메가핵산분해효소 ( meganuc
, 상동재조합을 기반으로 하는 유전체 편집은 유전자적중법 ( Gene targeting ) 과 매우 유사한 방식으로 진행된다. 그러나, 재조합의 빈도는 이중가닥절단이 만들어지고 상동재조합 기반의 수선이 일어날 때 1000배가량 높아진다. 왜냐하면, 보다 효율적이고 positive, negative 선별과정을 필요로하지 않기 때문이다. [ 8 ] 이러한 것들을 바탕으로 할 때, 유전체 내 특정 위치에 이중가닥절단을 만들면, 세포의 자체적 수선기작을 활용해 원하는 변이를 얻어낼 수 있다. 유전체 편집을 위해 최근 이용되는 핵산분해효소들 조작된 핵산분해효소 [ 편집 ] 메가핵산분해효소 ( maganeclease ) [ 편집 ] 1980년 대 후반 발견된 메가핵산분해효소는 긴 DNA 서열 ( 14 ~ 40 염기쌍 ) 을 인식하고 절단하는 앤도뉴클레아제 효소이다. 가장 잘 알려진 메가핵산분해효소는 LAGLIDADG계열의 단백질로 아미노산 서열을 이용하여 명명하였다. 메가핵산분해효소는 미생물종에서 흔히 발견되는데, 인식서열이 매우 길기 때문에 ( > 14bp ) 특이성이 매우 높다. [ 9
에 대해 2가지 경로가 알려져 있다. 상동재조합 ( Homologous Recombination, HR ) 또는 비상동말단연결 ( Non - homologous end joining, NHEJ ) 이 그것이다. 상동재조합과 비상동말단연결은 모두 DNA 수선 기작이지만, 그것이 일어나는 시기는 다르다. 비상동말단연결은 주로 G1 시기에 일어나며, 상동재조합은 DNA가 복제되는 S기나 G2기에 일어난다. 대부분의 분화된 세포들은 ( 뉴런등 ) 복제를 하지 않기 때문에 상동재조합이 일어나기 어렵다. [ 5 ] 비상동말단연결 ( NHEJ, Non homologous end joining ) [ 편집 ] 비상동말단연결은 마이코박테리아 ( mycobacteria ) 의 이중가닥 절단부에서 50 % 의 확률로 돌연변이를 유발한다고 할 만큼 오류를 유발하는 수선방식이다. [ 6 ] 또한 비상동말단연결의 낮은 정확도는 백혈병에서 변이의 축적과 관련이 있다. [ 7 ] 그러므로, 만일 다양한 샘플에서 원하는 유전자에 이중가닥절단을 만들 수 있다면, NHEJ의 부정확성을 통해 그 위치에 쉽게 변이가 만들어질 수 있다. 비상동말단연
ases ), TALENs ( Transcription Activator - Like Effector Nucleases ), the CRISPR / Cas system, 그리고 메가핵산분해효소 ( meganucleases ). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 일부 생물체에서만 작용하는 한계가 있다. 엄격한 선별 과정을 필요로 하므로, DNA상에 선별을 위한 특이적인 서열을 추가적으로 넣어주어야 한다. 다소 불충분한 부분이 있다. 생쥐 배아줄기세포는 원하는 서열을 담은 DNA 공여체를 넣어주었을 때, 100만개 당 하나의 비율로 원하는 자리에 변이가 생기게 된다. [ 4 ] 초파리에서 P인자 ( P element ) 를 이용하는 경우, 임의적 변이가 일어나고 다른 유전자 변이 패턴에 영향을 줄 수 있다는 한계를 가진다. 그러므로, 조작된 핵산분해효소를 이용한 유전체 편집은 앞서 설명한 것들의 단점을 극복하고 상대적으로 간단하게 이용 가능한 접근법이라고 할 수 있다. 목차 1 이중가닥 절단과 수선 1. 1 비상동말단연결 ( NHEJ, Non homologous end joining ) 1. 2 상동재조합 ( HR, Homologous recombination ) 2 조작된 핵
절단을 위한 서열을 일부 변형하여 특이성을 높여줌으로서 독성을 줄일 수 있다. 또한, Dana Carroll의 연구에 의하면 조작된 핵산분해효소를 이용하는 과정에서 재조합 및 DNA 수선 기술에 대한 전반적인 이해가 높아졌음을 확인할 수 있었다. 미래에는, 2차 타겟을 구별해낼 수 있는 방식이 개발되어 ZFNs를 발현하는 세포로부터 부서진 말단을 인식해내고, 고해상도 염기서열분석을 이용해 그 주변 DNA 서열을 분석해낼 수 있게 될 것으로 전망한다. 유전체 편집은 인위적인 유전자 조작 뿐만 아니라 자연스러운 과정으로서도 일어난다. 바이러스 또는 바이러스의 일부를 이루는 RNA 매개체는 유전암호를 편집할 수 있는 능력이 있는 것으로 알려져 있다. [ 25 ] 하지만, 원하는 변이를 얻을 수 있는 확률은 매우 낮다는 것을 염두에 두어야 한다. 예를 들어, 누군가 세포가 NHEJ에 의한 변이를 만들고자 계획 하였을지라도, 세포는 이중가닥절단을 수선하기 위해 HR을 채택할 수 있는 것이다. 참고 문헌 [ 편집 ] ↑ Esvelt, KM. ; Wang, HH. ( 2013 ). " Genome - scale engineering for systems
수선 1. 1 비상동말단연결 ( NHEJ, Non homologous end joining ) 1. 2 상동재조합 ( HR, Homologous recombination ) 2 조작된 핵산분해효소 2. 1 메가핵산분해효소 ( maganeclease ) 2. 2 징크핑거 핵산분해 효소 ( ZFN, Zinc finger nuclease ) 2. 3 탈렌 ( TALEN, Transcription activator - like effector nuclease ) 2. 4 크리스퍼 유전자 가위 ( CRISPR, Clustered regularly interspaced short palindromic repeats ) 3 적용 4 전망과 한계 5 참고 문헌 이중가닥 절단과 수선 [ 편집 ] 유전체 편집에서 뉴클레아제 ( 핵산분해효소 ) 작용의 핵심은 DNA 이중 가닥 절단 · 수선 메커니즘에 대한 이해가 필요하다. 이중가닥 절단은 DNA 두 가닥 사이의 약한 수소 결합을 분해하는 특정 효소가 작용하여 일어난다. 일반적으로 이중가닥 절단의 수선에 대해 2가지 경로가 알려져 있다. 상동재조합 ( Homologous Recombination, HR ) 또는 비상동말단연결 ( Non - homologous end joining, NHEJ
터는 Xanthomanos 박테리아의 avirulence gene인 avrBs3로부터 처음 발견되었다 [ 17 ]. TAL 이펙터는 33개에서 34개의 반복된 아미노산 서열이 반복된 형태로 이루어져 있으며, 도메인 ( RVD, Repeated variant domain ) 이 약 9개 정도 반복된다. 도메인 하나당 한 개의 뉴클레오타이드를 인지 할 수 있으며, 12 - 13번째 아미노산 서열 에 따라 특이적인 DNA 서열과 결합 할 수 있다 ( HD - > Cytosine, NI - > Adenine, NG - > Thymine, NN - > Guanine ). [ 18 ] 탈이펙터 ( TALE ) 는 표적부위 내의 단일 DNA 가닥을 인식한다. 따라서 탈렌은 두개의 탈이펙터를 이용하며, 이형이량체의 형태로 작동한다. 표적 부위 사이의 거리는 12 - 14 뉴클레오타이드 정도가 적당하다. 탈 이펙터 도메인을 이용하여 유전체 편집기술의 이용할 수 있다. 예를들면, 탈이펙터의 DNA 결합 부분과, 제한효소인 Fok I의 촉매작용부위를 결합하여 만든 탈렌을 이용하면, DNA 이중가닥 절단이 일어난다. 주로 비상동말단연결
- fidelity repair system driven by Ku, ligase D and ligase C. Nat Struct Mol Biol 12 ( 4 ), 304 - 312 ( 2005 ). ↑ Feyruz Virgilia, R., DNA double strand breaks ( DSB ) and non - homologous end joining ( NHEJ ) pathways in human leukemia. Cancer Letters 193 ( 1 ), 1 - 9 ( 2003 ). ↑ Maria, J., Genetic manipulation of genomes with rare - cutting endonucleases " Trends in Genetics 12 ( 6 ), 224 - 228 ( 1996 ). ↑ de Souza, N., Primer : genome editing with engineered nucleases. Nat Meth 9 ( 1 ), 27 - 27 ( 2011 ). ↑ 가 나 다 Smith, J. et al., A combinatorial approach to create artificial homing endonucleases cleaving chosen sequences " Nucleic Acids Research 34 ( 22 ), e149 ( 2006 ). ↑
들면, 탈이펙터의 DNA 결합 부분과, 제한효소인 Fok I의 촉매작용부위를 결합하여 만든 탈렌을 이용하면, DNA 이중가닥 절단이 일어난다. 주로 비상동말단연결을 통해 DNA 수선이 일어나므로, 타겟 위치의 비특이적인 삽입, 결실등이 일어난다. 그러나 탈렌은 징크핑거와 비교하여 DNA 결합 특이성이 더 높고, 오프 - 타겟 효과가 낮으며, DNA 결합 도메인이 더 간단하다. 하지만 탈 이펙터의 크기가 크고, 반복된 서열이 존재하기 때문에 탈렌의 오픈 리딩프레임을 렌티바이러스 시스템을 통해 형질도입하게 되면 템플릿의 전환이 일어나는 한계가 있다. [ 19 ] 이 한계를 극복하기 위해 BuDs와 같은 alternative TALE - like 스캐폴드를 사용한다. [ 20 ] 크리스퍼 유전자 가위 ( CRISPR, Clustered regularly interspaced short palindromic repeats ) [ 편집 ] CRISPR ( Clustered Interspaced Short Palindromic Repeats ) 은 박테리아가 바이러스로부터 보호 할 수 있는 일종의 획득 된 면역력 으로 사용하는 유전 요소이다. 박테리아에 파지나 플리스미드가 들어오게 되면 외부 DNA 조각 (
핵산가수분해효소에 의해 이러한 서열을 처리하고 일치하는 DNA 서열을 절단한다. 절단된 DNA는 수선 기작에 의해 돌연변이를 유발하게 된다. 유전체 편집 기술 비교 특징 장점 한계 징크핑거 핵산분해 효소 FokI 핵산분해 효소의 DNA 절단 도메인과 징크핑거의 DNA 결합 도메인을 융합한 단백질이다. 서열 특이성을 유지하기 위해 4 ~ 6개의 징크핑거 도메인이 필요하다. 각각의 징크핑거 모티프는 DNA 3개의 서열과 짝을 이룬다. 한개의 징크핑거 핵산 분해효소는 단일 가닥 절단을 일으킨다. 서열 특이성이 높다. 면역 반응이 적다. 현재 임상시험에 가장 많이 사용되는 기술이다. 징크핑거 모듈이 한정적이므로 모든 서열을 커버하기 어렵다. 오프 - 타겟 효과에 의한 세포독성을 예측하기 어렵다. 탈렌 FokI 핵산분해 효소의 DNA 절단 도메인과 탈 이팩터의 DNA 결합 도메인을 융합한 단백질이다. 1개의 탈이팩터 도메인은 1개의 DNA 서열을 인지한다. 한개의 탈렌은 단일가닥 절단을 일으킨다. 적은 세포독성을 가진다. 다중의 탈이팩터 도메인은 결합 특이성의 영향을 미치지 않는다. 징크핑거와 유사한 타겟 효율성
유전체 편집(영어: genome editing, gene editing) 또는 조작된 핵산분해효소를 이용한 유전체 편집(genome editing with engineered nuclease, genome engineering)은 인공적으로 조작된 핵산분해효소 혹은 유전자 가위를 이용해 유전체로부터 DNA가 삽입, 대체 혹은 결실되는 유전 공학의 일종이다. 핵산분해효소는 유전체 상의 원하는 위치에 특정한 이중가닥절단(Double-stranded break, DSB)을 일으키게 되고, 그 절단은 세포의 자체적인 기작에 의해 상동재조합(Homologous Recombination, HR) 또는 비상동말단연결(Non-homologous end joining, NHEJ)의 방식으로 수선된다. 최근 주로 이용되고 있는 조작된 핵산분해효소는 크게 4가지가 있다 : ZFNs (Zinc Finger Nucleases), TALENs (Transcription Activator-Like Effector Nucleases), the CRISPR/Cas system, 그리고 메가핵산분해효소 (meganucleases). 일부 생물체에서만 작용하는 한계가 있다. 엄격한 선별 과정을 필요로 하므로, DNA상에 선별을 위한 특이적인 서열을 추가적으로 넣어주어야 한다. 다소 불충분한 부분이 있다. 생쥐 배아줄기세포는 원하는 서열을 담은 DNA 공여체를 넣어주었을 때, 100만개 당 하나의 비율로 원하는 자리에 변이가 생기게 된다. 초파리에서 P인자 (P element)를 이용하는 경우, 임의적 변이가 일어나고 다른 유전자 변이 패턴에 영향을 줄 수 있다는 한계를 가진다.그러므로, 조작된 핵산분해효소를 이용한 유전체 편집은 앞서 설명한 것들의 단점을 극복하고 상대적으로 간단하게 이용 가능한 접근법이라고 할 수 있다.