중앙대학교 약학대학 연구진이 최근 발견된 항-크리스퍼 단백질의 작용 원리를 세계 최초로 밝혀냈다. 이번 연구는 유전자 편집 기술의 정밀도를 높이고, 미래형 치료 기술로 주목받고 있는 유전자 가위의 발전에 중대한 기여를 할 것으로 기대된다.

이번 성과는 약학대학 박현호 교수 연구팀, 석사과정 김도연 연구원, 박사과정 이소연 연구원, 그리고 박사후연구원 하현지 연구원이 공동으로 이뤄낸 것으로, 박테리아의 획득면역 시스템인 CRISPR-Cas(크리스퍼-카스) 기능을 억제하는 항-크리스퍼(anti-CRISPR,

▲ (왼쪽부터) 김도연 석사과정학생, 이소연 박사과정학생,        Acr) 단백질 ‘AcrIE7’의 작용 방식을 정밀하게 분석했        하현지 박사후연구원, 박현호 교수                                       다.                                                                                      

박테리아와 바이러스는 오랜 진화 과정 속에서 치열한 생존 경쟁을 벌여왔다. 박테리아는 감염된 바이러스를 기억해 유전 정보를 보존하고, 동일하거나 유사한 바이러스가 재침입했을 때 이를 즉시 제거하는 면역 체계를 구축했다. 이를 CRISPR-Cas 시스템, 즉 유전자 가위라고 한다. 반면, 바이러스는 이러한 박테리아의 방어 기전을 무력화하기 위해 항-크리스퍼 단백질을 진화시켜왔다. 항-크리스퍼 단백질은 2013년 처음 보고된 이후, 유사한 기능을 할 것으로 보이는 100종 이상의 단백질이 발견되어 왔다. 이처럼 박테리아와 바이러스 간의 면역-회피 전략은 생명과학 분야에서 매우 흥미롭고 활발하게 연구되는 주제다.

박현호 교수팀은 최근 밝혀진 항-크리스퍼 단백질인 AcrIE7의 삼차원 구조와 이를 표적으로 하는 크리스퍼 복합체의 구조를 분석했다. 이를 통해 AcrIE7이 어떤 방식으로 CRISPR-Cas 시스템을 저해하는지 분자 수준에서 밝혀내는 데 성공했다. 연구에 따르면 AcrIE7은 유전자 가위가 작동하는 과정에서 생성되는 R-loop의 단일 가닥 DNA(ssDNA)에 직접 결합하여, DNA 절단을 담당하는 효소의 작동을 방해함으로써 시스템 전체를 무력화하는 것으로 나타났다. 이 메커니즘은 지금까지 보고된 항-크리스퍼 작용 방식과는 전혀 다른 독특한 경로로, 해당 전략을 밝혀낸 것은 이번이 처음이다.

CRISPR-Cas 기술은 특정 유전자 서열을 정확히 인식하고 절단할 수 있어 유전자 치료 및 질병 치료 기술로 활발히 활용되고 있다. 이번 연구는 유전자 가위 기술을 더욱 정밀하고 안전하게 활용할 수 있는 발판을 마련했다는 점에서 큰 의미가 있다.

이번 성과는 교육부와 한국연구재단이 주관하는 BK21 FOUR 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 생명과학 분야의 권위 있는 국제 학술지 PNAS (Impact Factor 11.1)에 ‘AcrIE7은 R-loop 단일 DNA 가닥에 직접 결합하여 크리스퍼-카스 시스템을 저해한다(AcrIE7 inhibits the CRISPR-Cas system by directly binding to the R-loop single-stranded DNA)’라는 제목으로 게재됐다.

박현호 교수는 “유전자 가위 기술은 미래의 정밀 치료 분야를 선도할 핵심 기술로 주목받고 있지만, 예기치 않은 DNA 절단이나 낮은 효율 등 해결해야 할 문제가 남아 있다”며, “AcrIE7의 작용 기전 규명을 통해 유전자 편집 기술을 보다 안전하고 정밀하게 제어할 수 있는 가능성을 열었다”고 밝혔다.

사진설명. AcrIE7의 발견과 항-크리스퍼 기능·기전 규명 이미지