Programmable RNA targeting with clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) effector Cas7-11 in zebrafish embryos and mammalian cells

당신의 몸이 모든 생명체의 설계도를 담고 있는 거대하고 북적이는 도서관이라고 상상해 보세요. 때때로 당신은 그 책 안에 담긴 지침이 읽히지 않을 때 어떤 일이 일어나는지 알아보기 위해 특정 책을 잠시 숨겨두고 싶을 수도 있습니다. 이것이 바로 **유전자 넉다운(gene knockdown)**의 기본 개념입니다. 즉, 책 자체를 삭제하는 것이 아니라 특정 유전자의 볼륨을 줄이는 것입니다.

오랫동안 과학자들에게는 이를 수행할 도구들이 있었지만, 그것들은 마치 둔탁한 도구와 같았습니다. 어떤 것들은 너무 독성이 강했고(마치 견과류를 깨기 위해 해머를 사용하는 것처럼), 어떤 것들은 특정 동물에게 잘 작동하지 않았습니다(특정 문에만 맞는 열쇠를 사용하려고 시도하는 것처럼). 또한 다른 책들을 실수로 찢어버리는 "오프 타겟(off-target)" 손상을 일으키기도 했습니다.

여기 Cas7-11이 등장합니다. 이 연구에서 연구진이 두 가지 매우 다른 도서관, 즉 제브라피쉬 배아(작고 투명한 물고기 새끼)와 인간 줄기세포(신체의 어떤 부분으로도 변할 수 있는 마스터 세포)에서 테스트한 매우 정밀한 "새로운 사서"입니다.

연구 결과는 다음과 같이 쉽게 설명할 수 있습니다.

1. 기존 도구들의 문제점

이 연구 전에도 과학자들에게는 유전자를 침묵시키는 몇 가지 방법이 있었습니다:

• DNA 편집 (CRISika-Cas9와 같은 방식): 이것은 책 자체에 가위질을 하여 페이지를 잘라내는 것과 같습니다. 이는 영구적입니다. 만약 실수를 한다면, 그 책은 영원히 망가집니다.
• RNA 간섭 (RNAi): 이것은 책에 "읽지 마시오"라는 표지판을 붙이는 것과 같습니다. 인간에게는 잘 작동하지만, 물고기나 개구리에게는 처참하게 실패합니다.
• 모르폴리노 (Morpholinos): 이것들은 화학적 차단제입니다. 물고기에게는 효과적이지만, 독성이 있어 물고기를 아프게 하거나 연구 중인 유전자와 무관한 이유로 기형을 유발할 수 있습니다.
• Cas13 (이전의 RNA 편집 도구): 이것은 날카로운 도구이지만 다소 서툽니다. 목표로 하는 것을 자르려다 근처의 다른 책들까지 함께 잘라버리기도 합니다.

2. 새로운 도구: Cas7-11

연구진은 Cas7-11이 "완벽한 사서"가 될 수 있는지 확인하고자 했습니다. 다른 도구들과 달리, Cas7-11은 RNA(책의 지침을 복사한 것)에서 특정 문장을 찾아내어 그것을 잘라냄으로써 세포가 그것을 읽는 것을 효과적으로 막도록 설계되었습니다. 결정적으로, 이것은 원래의 DNA 책에는 손을 대지 않으며, 다른 문장을 자르지 않도록 매우 주의하도록 설계되었습니다.

3. 어항에서의 테스트 (제브라피쉬 배아)

연구팀은 Cas7-11 "사서"와 그 "탐색 가이드"를 작은 제브라피쉬 배아에 주입했습니다. 그들은 세 가지 다른 "책"을 테스트했습니다:

• "야광" 책 (EGFP): 그들은 녹색으로 빛을 내는 유전자를 가진 물고기에 주입했습니다. Cas7-11을 추가했을 때 빛이 눈에 띄게 흐려졌습니다(정상의 약 32%로 감소). 이는 이 도구가 목표를 찾아내어 침묵시킬 수 있음을 증명했습니다.
• "꼬리" 책 (tbxta): 이 유전자는 물고기에게 꼬리를 어떻게 키울지 알려줍니다. Cas7-11이 이 유전자를 침묵시키자, 물고기는 꼬리 없이 자라거나 아주 짧은 꼬리를 갖게 되었습니다. 이는 해당 유전자를 침묵시켰을 때 나타나는 알려진 효과로, 도구가 제대로 작동했음을 증명합니다.
  • 복구(Rescue) 테스트: 이것이 단순히 독성에 의한 사고가 아님을 증명하기 위해, 연구진은 Cas7-11이 찾을 수 없는 "백업 복사본" 꼬리 유전자를 추가했습니다. 그러자 물고기는 다시 꼬리가 자랐습니다! 이는 Cas7-11이 단순히 물고기를 해친 것이 아니라, 원래의 유전자를 구체적으로 타겟팅했다는 것을 확인시켜 주었습니다.
• "색소" 책 (Tyrosinase): 이 유전자는 물고기를 검게 만듭니다. 이를 침묵시키자 물고기는 창백해졌습니다. 흥미로운 점은? 물고기가 결국 다시 색을 되찾았다는 것입니다. 이는 Cas7-11이 **일시적(transient)**이라는 것을 보여줍니다. 즉, 영구적인 지우개가 아니라 일시적인 일시정지 버튼인 것입니다.

안전 점검: 연구진은 물고기의 전체 라이브러리(RNA 시퀀싱)를 분석했고, 다른 "책"들이 실수로 손상된 사례가 거의 없음을 발견했습니다. 이 도구는 정밀했습니다.

4. 인간 세포 실험실에서의 테스트

다음으로, 연구진은 인간 세포, 특히 인간 배아 줄기세포(심장, 뇌, 또는 피부 세포가 될 수 있는 세포)로 이동했습니다.

• "루시페레이스(Luciferase)" 테스트: 그들은 빛을 내는 단백질(반딧불이와 같은)을 만드는 유전자를 사용했습니다. Cas7-11은 인간 세포에서도 빛을 성공적으로 흐리게 만들었으며, 이는 우리 생물학에서도 작동함을 증명했습니다.
• "정체성" 테스트: 줄기세포는 자신들이 줄기세포로 남도록 지시하는 특수한 "ID 카드"(OCT4 및 SOX2라고 불리는 유전자)를 가지고 있습니다. 연구진이 Cas7-11을 사용하여 이 ID 카드를 침묵시키자, 줄기세포는 더 이상 줄기세포처럼 행동하지 않고 다른 유형의 세포로 변하기 시작했습니다. 이는 이 도구가 복잡한 인간 세포의 행동을 조절할 수 있음을 증명했습니다.
• 부수적 피해 없음: 물고기에서와 마찬가지로, 연구진은 Cas7-11이 "이웃" 유전자들을 실수로 잘라내지 않았는지 확인했습니다. 잘라내지 않았습니다. 그것은 외과 수술처럼 정교했습니다.

5. "방법론"의 난관

연구진은 처음에 작은 난관에 부딪혔습니다. 물고기에서 Cas7-11 단백질을 만들려고 했을 때, 그것은 보이지 않았습니다(물고기가 단백질을 만들기 위한 지침을 "읽을" 수 없었습니다). 그들은 도구를 만드는 법을 물고기의 기계 장치가 이해할 수 있도록 특수한 "번역 촉진제"(개구리 유전자의 일부를 사용함)로 감싸야 했습니다. 일단 그렇게 하자, 모든 것이 완벽하게 작동했습니다.

결론

이 논문은 Cas7-11이 물고기와 인간 세포 모두에서 특정 유전자의 볼륨을 낮출 수 있는 강력하고 안전하며 정밀한 도구임을 보여줍니다.

• 제브라피쉬에서 작동합니다 (발생 연구의 핵심 모델).
• 인간 줄기세포에서 작동합니다 (재생 의학의 핵심).
• 일시적입니다 (영구적인 변화 없이 발달 과정을 연구하기에 좋습니다).
• 안전합니다 (세포를 해치거나 잘못된 것을 자르는 것 같지 않습니다).

저자들은 Cas7-11이 생명의 초기 단계와 줄기세포에서 유전자가 어떻게 작동하는지 연구하기 위해, 영구적인 DNA 편집의 위험이나 기존 방법의 독성 없이 더 깨끗하고 안전한 방법을 제공하는, 과학자들의 도구 상자에 추가된 다재다능한 새로운 도구라고 결론지었습니다.