In vivo gene disruption and homology-directed repair in muscles and muscle stem cells using CRISPR/Cas9
본 연구는 AAV 전달 리포터 시스템을 활용하여 CRISPR/Cas9 매개 상동 재조합 수선이 발달 시기에 따라 출생 후 심근, 골격근 및 이들의 줄기세포에서 서로 다른 비율로 발생함을 입증하며, 궁극적으로 mdx 마우스의 디스트로핀 변이를 성공적으로 구제할 수 있음을 보여준다.
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모든 살아있는 세포 내부에서 DNA는 유기체를 구축하고 유지하기 위한 지침을 담고 있는 마스터 설계도 역할을 합니다. 때때로 이 지침에 오류가 스며들어 근육이 작동하는 방식이나 심장이 뛰는 방식에 영향을 미치는 질병을 유발하기도 합니다. 과학자들은 분자 가위와 같이 작동하는 CRISPR/Cas9이라는 강력한 도구를 개발했습니다. 이 도구는 DNA의 특정 지점을 찾아내어 깔끔하게 절단할 수 있습니다. 일단 절단이 이루어지면, 세포의 자연적인 복구 기제가 작동하여 끊어진 부분을 고칩니다. 세포가 이 복구를 처리하는 데에는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 한 가지 방법은 빠르지만 지저히 하여, 종종 DNA를 약간 손상시키거나 변형시켜 결함이 있는 유전자를 비활성화할 수 있습니다. 다른 한 하나는 정밀하고 신중합니다. 이 방법은 제공된 템플릿을 사용하여 끊어진 자리에 올바른 서열을 복사함으로써, 오류를 올바른 지침으로 효과적으로 다시 씁니다. '상동 재조합 복구(homology-directed repair)'라고 알려진 이 두 번째 방법은 원래의 건강한 코드를 복원할 수 있기 때문에 유전 질환을 치료하는 데 있어 성배와 같습니다. 그러나 오랫동안 과학자들은 이 정밀한 복구가 일부 조직에서는 잘 작동하지만, 우리의 팔다리를 움직이는 조직인 골격근에서는 일어나지 않는다고 믿어 왔습니다.
연구팀은 이 믿음이 사실인지 테스트하고, 쥐의 생애 주기가 정밀한 복구를 수행하는 근육의 능력에 어떤 영향을 미치는지 이해하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 특수한 바이러스를 사용했는데, 이는 살아있는 쥐의 몸속으로 유전자 편집 도구를 운반하는 전달 차량 역할을 합니다. 세포 내부에서 정확히 어떤 일이 일어나는지 보기 위해, 그들은 원래 초록색으로 빛나는 유전자가 잘리고, 오직 정밀한 복구 방법이 작동할 때만 파란색으로 빛나는 유전자로 교체되도록 설계된 시스템을 구축했습니다. 이를 통해 연구진은 단순히 유전자가 깨진 세포와 완벽하게 교정된 세포를 구분하여 실시간으로 편집의 성공 여부를 추적할 수 있었습니다. 그들은 동물의 연령에 따라 결과가 달라지는지 확인하기 위해 생후 신생아부터 청소년기까지 다양한 연령대의 쥐의 심장과 골격근을 조사했습니다.
결과에 따르면, 이러한 정밀한 복구를 수행하는 능력은 고정된 특성이 아니라 조직의 유형과 동물의 발달 단계에 따라 크게 달라집니다. 신생아 쥐의 심장에서는 정밀한 복구가 높은 효율로 일어났습니다. 반면, 이와 동일한 신생아의 골격근은 이 작업에 훨씬 덜 성공적이었습니다. 그러나 쥐가 성장함에 따라 상황은 역전되었습니다. 청소년기 쥐의 경우, 근육 조직의 재생과 성장을 돕는 작은 저장소인 근육 줄기 세포들이 정밀한 복구를 기꺼이 수행했으며, 성숙한 근섬유 또한 그러했습니다. 연구진은 이보다 나이가 든 쥐의 심장 조직이 신생아에 비해 정밀한 복구 효율이 낮아졌음을 발견했습니다. 이는 동물이 발달함에 따라 성공적인 유전자 교정의 창(window)이 이동하며, 서로 다른 조직이 서로 다른 시기에 더 많이 혹은 덜 수용적이 된다는 것을 밝혀냈습니다.
이 접근 방식이 실제 질병을 고칠 수 있다는 것을 증명하기 위해, 연구팀은 특정 유전적 결함으로 인해 발생하는 형태의 근이영양증을 가진 쥐에 이 방법을 적용했습니다. 이 질환은 필수적인 근육 단백질의 생성을 방해하는 돌연변이에 의해 발생합니다. 편집 도구와 올바른 템플릿을 전달함으로써, 연구진은 근육 세포가 정밀한 복구 방법을 사용하도록 성공적으로 유도했습니다. 그들은 세포들이 결함이 있는 단백질을 만드는 것에서 건강한 야생형(wild-type) 단백질을 만드는 것으로 전환되는 것을 관찰했습니다. 이는 유전 코드를 정밀하게 다시 쓰는 것이 단순한 이론적 가능성이 아니라 살아있는 동물에서의 기능적 현실임을 입증했습니다. 이 연구는 유전자 복구의 규칙이 조직과 연령에 따라 다르지만, 적절한 시기와 조건이 충족된다면 근육 및 심장 조직의 유전적 오류를 교정할 수 있는 잠재력이 실재함을 확인시켜 줍니다. 이러한 발견은 정밀한 유전자 교정에 의존하는 치료법을 개발하는 데 있어 더 명확한 경로를 제시하며, 신체의 자체적인 복구 기제를 유도하여 근육 질환의 근본 원인을 해결할 수 있음을 보여줍니다.
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