MOET-assisted CRISPR/Cas9-mediated MSTN genome editing in caprine embryos by electroporation and embryo transfer

축산업의 세계에서 목표는 오랫동안 수백만 명의 생계와 식량을 제공하는 가축을 개량하는 것이었습니다. 수십 년 동안 농부와 과학자들은 더 나은 형질을 가진 동물이 자연적으로 나타나기를 기다리는 선택적 교배에 의존하거나, 우수한 성과를 낸 개체의 자손을 증식시키기 위해 번식 기술을 사용해 왔습니다. 그러나 이 과정은 느리며 이미 무리 내에 존재하는 유전적 변이에 의해 제한됩니다. 게놈 편집(genome editing)으로 알려진 더 새로운 도구는 동물의 유전 암호를 정밀하게 수정할 수 있는 방법을 제공하며, 이는 전통적인 방식보다 훨씬 빠르게 바람직한 형질을 도입할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 근육 성장의 자연적인 제동 장치 역할을 하는 특정 유전자가 이 기술의 주요 표적이 되었습니다. 이 제동 장치를 느슨하게 하거나 제거하면 동물의 근육이 발달하는데, 이는 육류 생산 측면에서 매우 가치 있는 형질입니다. 과제는 섬세한 배아를 해치지 않으면서 생애 가장 초기 단계에 편집 도구를 전달하는 것이며, 이 작업은 정밀함과 부드러움 사이의 균형을 요구합니다.

인도 중앙 염소 연구소(Central Institute for Research on Goats)의 연구팀은 두 가지 확립된 기술을 결와함으로써 이 과제를 해결하는 데 중요한 진전을 이루었습니다. 바로 많은 배아를 한꺼번에 수집하는 방법과 침습적인 수술 없이 유전 도구를 전달하는 방법입니다. 연구진은 염소의 근육 크기를 제한하는 자연적 조절자인 마이오스타틴(myostatin) 유전자에 집중했습니다. 그들의 목표는 DNA의 특정 지점을 자르는 가위 역할을 하는 분자 도구를 사용하여, 수정 직후의 염소 배아에서 이 유전자를 일시적으로 비활성화할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 이를 위해 연구진은 전기 천공법(electroporation)이라는 기술을 사용했는데, 이는 짧고 통제된 전기 펄스를 사용하여 세포막에 작고 일시적인 구멍을 열어 편집 도구가 내부로 미끄러져 들어갈 수 있게 하는 방식입니다. 이 접근 방식은 많은 배아를 다룰 때 어렵고 시간이 많이 걸리는 개별 주입 과정을 피할 수 있게 해줍니다.

연구는 여러 개의 난자를 동시에 생성하도록 호르몬 처리를 받은 여덟 마리의 암염소로부터 시작되었습니다. 연구진은 최소 침습적 수술 절차를 통해 이 동물들로부터 78개의 수정란, 즉 추정 수정란(presumptive zygotes)을 수집했습니다. 이 작은 배아들은 단백질과 마이오스타틴 유전자를 찾아내도록 설계된 가이드 분자로 구성된 용액에 담겼습니다. 이 그룹은 도구가 세포 내부로 들어올 수 있도록 돕기 위해 각각 3밀리초씩 지속되는 세 번의 짧은 전기 펄스를 받았습니다. 전기 처리 후, 배아들은 성장하기 위해 따뜻하고 통제된 환경으로 돌아갔습니다. 놀랍게도 78개의 배아 모두 배양 과정에서 모르룰라(morula, 상실배) 단계까지 발달했으며, 그중 두 개는 더 발전된 단계인 블라스트시스트(blastocyst, 포배)가 되었습니다.

편집이 실제로 작동했는지 확인하기 위해 과학자들은 네 개의 모르룰라 단계 배아를 조사했습니다. 그들은 이 세포들에서 유전 물질을 추출하여 마이오스타틴 유전자가 잘리고 오류와 함께 복구되었는지, 즉 유전자가 비활성화되었는지를 살펴보았습니다. 분석 결과, 네 개 중 세 개의 배아, 즉 75%가 의도한 유전적 변화를 보유하고 있는 것으로 나타났습니다. 이는 전기적 방법이 편집 도구를 성공적으로 전달했으며, 도구가 발달하는 세포 내부에서 제대로 기능했음을 확인해 주었습니다. 연구진은 다음의 결정적인 단계, 즉 편집된 배아가 어미 염소의 몸속에서 태아로 자랄 수 있는지 확인하는 단계로 넘어갔습니다. 연구진은 4세포 단계에 도달한 네 개의 배아를 선택하여 임신 준비가 되도록 동기화된 한 마리의 암염소에게 이식했습니다.

이식은 성공적이었습니다. 수용체 염소는 임신하였고, 초음파 검사를 통해 심장이 뛰는 건강한 태아의 존재가 확인되었습니다. 불행히도 어미 염소는 임신 기간 57일째에 폐렴으로 사망하여 임신이 만삭에 이르기 전 종료되었습니다. 그러나 연구진은 자궁에서 두 개의 온전한 태아를 회수할 수 있었습니다. 두 태아 모두 형태와 크기가 정상적이었으며 눈에 띄는 발달 문제는 보이지 않았는데, 이는 편집 과정이 그들의 성장을 해치지 않았음을 시사합니다. 연구진은 이 두 태아의 귀에서 유전 물질을 테스트하여 마이오스타틴 유전자가 편집되었는지 확인했습니다. 결과는 한 마리의 태아(수컷)는 유전적 변형을 보유하고 있었으나, 다른 한 마리(암컷)는 그렇지 않았음을 보여주었습니다. 이 결과는 동일한 처리를 받은 배아라 할지라도 편집이 일부에는 일어나고 다른 쪽에는 일어나지 않을 수 있다는, 이러한 유형의 과학에서 알려진 변이를 강조합니다.

이 연구는 기증자로부터 여러 배아를 수집하는 것과 비침습적인 전기 전달 방식을 결 함께 하여 염소의 게놈을 편집하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 이 연구는 배아가 전기 펄스를 견뎌낼 수 있고, 실험실에서 계속 발달할 수 있으며, 수용체에 성공적으로 착상하여 태아로 성장할 수 있음을 입증합니다. 비록 모든 사례에서 편집이 성공한 것은 아니었지만, 편집이 실험실에서 배양된 초기 배아와 어미의 몸속에서 발달한 태아 모두에서 감지되었다는 사실은 이 접근 방식이 실행 가능하다는 것을 보여줍니다. 연구진은 귀중한 기증자로부터 배아를 회수하고, 게놈 편집을 적용하며, 그 배아를 대리모에게 이식하는 과정을 연결하는 워크플로우를 구축했습니다. 이 통합된 플랫폼은 전통적인 육종만으로도 가능한 것보다 더 효율적인 방식으로 가축의 형질을 개선할 수 있는, 근육 성장이 강화된 염소를 만들기 위한 미래 노력의 토대를 제공합니다.