2020년 노벨 화학상 수상자인 샤르팡티에 교수(왼쪽)와 다우드나 교수(오른쪽) 유전자 가위 기술을 개발한 공로로 스웨덴 우메오대의 에마뉘엘 샤르팡티에 교수와 미국 UC버클리의 제니퍼 다우드나 교수가 2020년 노벨 화학상을 받았다. 유전자 가위 기술은 세균이 바이러스를 물리치기 위한 생물학적 과정을 이용하여 특정 유전자의 발현을 억제하거나 유전자 서열을 바꾸는 데 이용 가능하며, 더 나아가 치료할 수 없다고 알려진 사람의 유전질환에 대한 치료의 가능성을 열었다.
인류는 생물이 가지고 있는 유전적 특성을 우리에게 유용한 방향으로 이용해왔다. 가장 오래된 방식이 품종 개량이라고 하는 방법이다. 예를 들어 우리의 주식인 쌀은 야생 벼 품종으로부터 품종 개량을 거쳐 좀 더 맛이 좋고 알곡이 많이 열리도록 개량되었다. 벼와 같은 곡류 외에도 야채, 과일과 가축 등도 오랜 품종 개량을 거쳐왔다. 생명과학은 지난 세기 동안 DNA의 구조 발견, 핵산의 염기서열 결정, 단백질의 아미노산 서열 결정, 유전자 발현 과정의 규명 등 비약적인 발전을 거듭해 왔다. 이 과정에서 얻은 생명과학 지식은 인류가 직접 생물의 유전자를 조작하여 이용할 수 있게 해주었다. 유전자 재조합 기술을 비롯해 많은 방법이 개발되었지만, 그중 매우 간단하고 빠르게 유전자 서열을 편집하는 방법이 유전자 가위 기술이다.
RNA와 CAS9 단백질 복합체로 DNA 유전자 편집
유전자 가위 기술은 세균이 바이러스로부터 자신을 지키는 방법을 활용한 것이다. 세균은 자신이 과거 감염된 바이러스의 핵산 서열을 저장해 놓았다가 똑같은 서열을 가진 바이러스가 들어오면 그 바이러스의 핵산을 잘라내 바이러스를 물리친다. 유전자 가위 기술을 ‘CRISPR 가위’ 기술이라고도 하는데 이 단어는 세균 세포에 침투했지만, 세균을 죽이지 못한 바이러스 서열의 일부가 CRISPR라고 하는 독특한 반복 서열 사이에 끼어 보관되어 있다는 데서 유래했다. 바이러스는 기생체로서 숙주세포 내부로 자신의 핵산을 집어넣어 숙주세포의 자원을 이용해 자신의 핵산과 단백질을 합성한 후 결국 숙주세포를 희생시켜 증식한다. 세균은 CRISPR 서열 사이에 보관시켜 놓았던 서열을 RNA로 전사한 후 CAS9이라고 하는 핵산가수분해효소와 결합해 복합체를 형성한다. 이 RNA와 단백질의 복합체는 자신이 가진 RNA 서열과 상보적인 바이러스 서열을 만나면 복합체의 CAS9 핵산가수분해효소가 그 바이러스의 서열을 절단해 분해한다. 샤르팡티에 교수와 다우드나 교수는 RNA와 CAS9 복합체만 있으면 우리가 원하는 부위의 DNA를 자를 수 있다는 것을 실험적으로 보였다. 다시 말해, 이 RNA와 단백질 복합체에서 RNA 서열을 우리가 자르길 원하는 DNA 서열과 상보적인 서열로 만들면 해당 서열을 선택적으로 잘라낼 수 있다는 것을 증명했다.
유전자 서열을 원하는 방향으로 바꿀 수 있어
유전자 가위 기술은 매우 널리 활용될 수 있다. 가장 흔하게는 특정 유전자를 불활성화시킬 수 있다. 곰팡이가 일으키는 흰가루병은 밀에 재앙적인 손해를 끼친다. 하지만, 사람이 재배하는 다수의 밀 품종은 이 질병에 대한 자연적인 방어체계를 가짐에도 불구하고 이를 억제하는 유전자 때문에 이 질병에 취약하다. 그래서 지금까지 이 질병을 막는 유일한 방법은 살진균제(곰팡이를 죽이는 약)를 엄청나게 살포하는 것이다. 그런데 최근 유전자 가위 기술을 이용해 자연적인 방어체계를 억제하는 유전자를 불활성화시켜 스스로 흰가루병을 물리칠 수 있는 밀 품종을 만들었다. 이 기술을 조금만 정교하게 적용하면 특정 유전자를 불활성화하는 데 그치지 않고, 그 유전자의 서열을 우리가 원하는 방향으로 바꾸는 데도 이용할 수 있다. CAS9 핵산가수분해효소가 특정 유전자를 자르면 살아있는 세포는 잘려나간 부위를 수선하려고 한다. 이때 우리가 원하는 서열을 집어넣으면 그 서열에 맞춰 잘린 부위의 서열을 바꿀 수 있다. 즉, 유전자 가위 기술을 이용하면 매우 손쉽게 유전자 서열을 편집할 수 있다. 이 기술은 머지않은 미래에 사람의 유전자 서열에 이상이 생겨 발병하는 유전질환을 치료하는 데에도 이용할 수 있다. 유전자 가위 기술은 생명과학 연구뿐만 아니라 상업적 의학적으로 무궁무진한 활용 가치를 지니고 있다.
√ 기억해주세요
정종우
이화여대
과학교육과 교수 샤르팡티에 교수와 다우드나 교수는 RNA와 CAS9 복합체만 있으면 우리가 원하는 부위의 DNA를 자를 수 있다는 것을 실험적으로 보였다. 다시 말해 이 RNA와 단백질 복합체에서 RNA 서열을 우리가 자르길 원하는 DNA 서열과 상보적인 서열로 만들면 해당 서열을 선택적으로 잘라낼 수 있다는 것을 증명했다.