3.5세대 유전자 가위(CRISPR/Cpf1) 논문 분석 1

- 3.5세대 유전자 가위(CRISPR/Cpf1) 발견 과정

요약: 생명과학자들은 최근 3세대를 넘어 보다 정확하고 표적에 특이적인 3.5세대 유전자 가위(CRISPR/Cpf1)를 발견하고 개발했다. 인간세포와 동식물세포의 유전자를 마음대로 교정하는데(Editing) 사용한다. 표적 DNA를 자른 후 세포 내 복구 시스템에 의해 다시 연결되는 과정에서 유전자 교정과 원하는 변이가 일어난다. 이 방식을 활용해 암과 AIDS 등뿐만 아니라 더 나아가 희귀난치병 치료나 작물•가축개량•미래식량(Clean meat) 분야에서 유전자 가위 혁명이 빠르게 확산되고 있다. 특정 유전자 부위를 정확하게 잘라 내 그 기능을 알아내는 데에도 사용되고, 쥐를 대상으로 특정 유전자를 제거/억제하거나(Knock-out) 특정 유전자를 삽입하여(Knock-in) 희귀 병을 가진 쥐를 만들기도 하는데, 종전에는 수 개월~수 년이 걸렸지만 유전자 가위를 이용하면 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있기 때문이다. 이렇듯 인류는 세포 안에 있는 특정 유전자나 염기를 골라서 제거하거나 정상으로 바꿀 수 있는 유전자 가위 기술을 보유했다. 

본 보고서에서는 3.5세대 유전자 가위에 대한 논문 공개 순으로 내용을 살펴보고 분석해 인사이트를 제공하고자 한다. 아울러 논문분석이기 때문에 오류가 있을 수도 있다는 점을 알려드리는 바이다.

글 싣는 순서

1장. Cpf1 발견의 과정 
2장. 펭 장 교수 팀, 새로운 CRISPR/Cpf1의 발견과 인간 세포대상 연구결과(2015) 
3장. CRISPR/Cpf1유전가 가위 전쟁(2016)
3-1. 김진수 교수 팀, 쥐의 표적 돌연변이유도와 털 색이 다른 쥐의 생성
3-2. 서울아산병원 및 울산의대, 녹아웃(Knockout) 마우스의 생성
3-3. 김진수 교수 팀, Cpf1의 정확성 입증 
3-4. 하버드대 케이스 정 박사 팀, Cpf1의 정확성 입증
4장. 네이처 바이오테크놀러지의 Cpf1의 정확도를 다트게임으로 묘사(2016)
5장. Discussion


1장. Cpf1 발견의 과정 

박테리아인 Prevotella와 Francisella 1에서 발견되어 Cpf1이라 부른다. Cpf1이라는 단백질이 처음으로 밝혀진 것은 2013년인데(Schunder et al., 2013), Francisella tularensis라는 인수공통감염 세균에서였다. 이들은 Francisella tularensis subspecies novicida U112 균에서 2개의 CRISPR/Cas 시스템을 발견했는데, 하나는 앞서 I부에서 살펴보았던 Cas9로 Class 2 type 2 CRISPR 시스템이었고, 다른 하나가 바로 Cpf1 시스템이었다. 

물론 처음부터 이 단백질이 Cpf1이라고 명명된 것은 아니었다. 이들은 기존 Cas9과 단백질의 사이즈가 다르다는 것을(1,629 아미노산-aa vs 1,300 아미노산-aa) 알아냈는데, Cas9과 유사한 기능을 할 것으로 예상되는 서열이 발견 되었지만, 처음 발견되는 단백질이라서 그냥 FTN1397, 아미노산 1,300개의 가설적 단백질(hypothetical protein)이라고 불렀다.

1▲<그림 1> 2013년에 Francisella tularensis subspecies novicida U112에서 발견한 1,629 aa(amino acid)의 Cas9과 1,300 aa의 가설적 단백질인 FTN1397. Image: Schunder et al., 2013

그 이후 이를 정리할 필요가 생겼다. 그래서 미국 국립보건원(NIH)의 의료정보 담당인 마카로바(Kira S. Makarova), CRISPR가 박테리오파지에 대한 세균의 면역 시스템임을 멋지게 증명한 바랑고우(Rodolphe Barrangou), 2012년에 다우드나 교수와 Cas9의 유전자 가위를 발견한 카펜디어(Emmanuelle Charpentier), 2005년도에 45개의 CRISPR-관련 단백질을 정리해 논문을 발표한 하프트(Daniel H. Haft), 2008년에 세균이 박테리오파지에 대한 내성을 획득하는 과정에 대한 논문을 발표한 호바스(Philippe Horvath), CRISPR 초기 연구에 지대한 공을 끼친 모지카(Francisco J. M. Mojica) 등 총 20명이 협력해, 크리스퍼 관련 방대한 데이터를 특정한 기준에 따라 나누고 분류해 2015년 9월에 <업데이트된 CRISPR-Cas 시스템의 진화 분류(An updated evolutionary classification of CRISPR–Cas systems)>(Makarova et al., 2015)라는 논문을 발표하기에 이른다. 이때부터 정식으로 Cpf1으로 불리게 된다.

2▲<그림 1> Cas 단백질의 기능 분류(Functional classification of Cas proteins). 이들은 2 Class, 5 Type, 16 subtype으로 구분하였는데, Cpf1은 Class2에 Type V임. Image: Makarova et al., 2015.

그 이후 2015년 11월에 펭 장 교수 팀이 참여해서 <다양한 Class 2 CRISPR-Cas Systems의 기능적 특성 및 발견>(Shmakov et al., 2015)이라는 논문이 발표되어 현재까지 2 Class, 6 Type 까지 분류됐다.

3▲<그림 1C> Class2에 새롭게 분류된 type VI. Image: Shmakov et al., 2015

지금까지 살펴본 Cpf1도 Cas9과 같이 CRISPR/Cas 시스템의 일부분이며, Class2 type V CRISPR/Cas 시스템이다. 그 이후 2015년에 Cpf1의 보다 체계적이고 하부 도매인의 기능 등이 상세히 분석되어 논문이 발표됐는데, 그게 이제부터 살펴볼 MIT의 펭 장 교수 팀의 논문이다.  

 

크기변환_사본-10632695_637493523030856_2757249799481243589_n차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자

아스팩미래기술경영연구소(주) 대표, (전)국가과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 국토교통부 자율주행차 융복합미래포럼 비즈니스분과 위원, 전자정부 민관협력포럼 위원, 국제미래학회 과학기술위원장