유전자의 기능 결정하기 (캠벨생명과학, 11판, p410)
과학자들이 관심 유전자를 확인한 후, 그 유전자의 기능을 어떻게 규명할까? 어떤 유전자의 염기서열은 다른 종의 염기서열과 비교될 수 있다. 만약 어떤 종에서 비슷한 유전자의 기능이 알려졌다면, 그 유전자는 비슷한 기능을 할 것이다. 유전자 발현의 위치와 시점에 대한 데이터는 제시된 기능이 맞음을 확인시켜 줄 수 있다. 더 강한 증거를 얻기 위한 접근 방법은 유전자의 기능을 손상시킨 후 손상된 세포나 생명체의 변화를 관찰하는 것이다.
유전자와 유전체 편집
분자생물학자들은 오랫동안 예측 가능한 방식으로 세포 또는 유기체의 유전물질을 변경하거나 편집하는 기술을 모색해 왔다. 시험관내 돌연변이 유발(in vitro mutagenesis)이라고 불리는 그러한 기술 중 하나에서, 특정 돌연변이가 복제된 유전자에 도입되고 돌연변이된 유전자는 동일한 유전자의 정상적인 세포 복제를 불가능하게 하는(“knock out”) 방식으로 세포로 되돌려진다. 도입된 돌연변이가 유전자 산물의 기능을 변경시키거나 파괴한다면, 돌연변이 세포의 표현형은 결손된 정상 단백질의 기능을 밝히는데 도움을 줄 수 있다. 1980년대 분자 및 유전 기술을 사용하여 연구자는 발달과 성인에서 유전자의 역할을 연구하기 위하여 특정 유전자가 비활성화된 마우스를 만들 수 있다. 카페키(Mario Capecchi), 에반스(Martin Evans), 및 스미시스(Oliver Smithies)는 2007년 이 기술을 개발한 공로로 노벨상을 수상했다.
과거 10년 이상 동안 생물학자들은 유전공학 분야의 주목을 끈, CRISPR-Cas9 시스템이라고 하는 유전자 편집을 위한 강력한 새로운 기술을 개발하였다. Cas9은 아우드나(Jennifer Doudna)와 샤르팡티에(Emmanuelle Charpentier)가 개발한 시스템에서 박테리오파지 감염으로부터 세균을 보호하는 데 도움을 되는 세균 단백질이다. 세균에서 Cas9은 세균 시스템의 CRISPR영역에서 만들어진 “가이드 RNA”와 함께 작용한다.
앞서 설명한 제한효소와 마찬가지로 Cas9은 이중 가닥 DNA 분자를 절단하는 핵산분해효소이다. 그러나 주어진 제한효소가 하나의 특정 DNA 서열만을 인식하는 반면, Cas9 단백질은 지시한 어떤 서열이든 절단할 것이다. Cas9은 결합하여 하나의 유도장치로 사용하는 가이드 RNA 분자의 명령을 실행하고, 가이드 RNA에 상보적인 DNA 서열의 두 가닥을 절단한다. 과학자들은 Cas9 유도 RNA 복합체를 바꾸고자 하는 세포에 도입하므로써 Cas9의 기능을 이용할 수 있었다. 복합체에서 가이드 RNA는 “표적” 유전자에 상보적이도록 설계되었다. Cas9은 표적 DNA의 두 가닥을 절단하고, DNA의 파손된 끝 부분이 DNA 복구 시스템을 작동하도록 유도한다. 그림 19.14의 왼쪽 하단에 보이는 것처럼, 주형으로 사용하기 위한 복구 시스템의 효소에 대한 손상되지 않은 DNA가 없을 때, 복구 효소는 때때로 뉴클레오타이드를 도입하거나 제거하면서 끝부분을 다시 결합하면서 한다. 절단이 유전자의 코딩 부분으로 향하는 경우, 재결합 과정은 종종 유전자가 더 이상 제대로 작동하지 않도록 DNA 서열을 변경한다.
이 기술은 주어진 유전자를 제거(knock out)(불활성화)하여 생물체에서 그 유전자가 하는 역할을 연구하는 매우 효과적인 방법이고, 그것은 이미 세균, 물고, 생쥐, 곤충, 인간 세포 및 다양한 작물을 포함한 많은 생물체에서 사용되어 왔다. 연구진은 CRISPP-Cas9 시스템이 돌연변이가 있는 유전자를 복구할 수 있도록 기술을 수정해왔다. 그들은 CRISPR-Cas9 시스템과 함께 정상적인(기능적) 유전자의 일부를 도입한다. Cas9이 표적 DNA를 절단한 후, 복구효소는 정상 DNA를 주형으로 사용하여 절단지점에서 표적 DNA를 복구할 수 있다. 이 접근법은 유전자 치료에 사용되며, 이 장의 뒷부분에서 논의될 것이다.
CRISPR-Cas9의 또 다른 응용에서, 과학자들은 벌레에서 유전자를 변경함으로써 곤충 매개 질병의 전 지구적인 문제를 해결하려고 시도하고 있다. 예를 들어 질병을 전염시킬 수 없다. 이 접근법에 추가 트위스트는 새로운 대입유전자를 조작하여 야생형 대립유전자보다 상속에 훨씬 더 유리하게 작용한다. 번식하는 동안 조작된 유전자의 편향된 전달이 인구를 통해 새로운 대립유전자를 빠르게 “유도”하기 때문에 이것을 유전자 드라이브(gene drive)라고 한다.
유전자 기능 연구를 위한 다른 방법
선택된 유전자의 발현을 억제시키는 또 다른 방법은 개념 18.3에 서술된 RNA 간섭(RNA interference, RNAi) 현상을 이용한다. 이러한 실험적 접근 방법은 특정 염기서열에 일치하는 이중 가닥 RNA를 합성한 후 세포에 도입하여 mRNA를 파괴하거나 RNA의 번역을 저해하도록 한다. 선형동물이나 초파리 같은 생명체에서 이미 많은 유전자들의 기능을 분석하는데 RNAi가 이용되고 있다. 이 방법은 시스템을 사용하는 것보다 빠르지만 영구적인 유전자 제거(knock out) 또는 변형보다는 유전자 발현의 일시적인 감소로 이어진다.
유전자의 기능을 알기 위하여 인간의 유전자를 제거하는 것은 윤리적인 측면을 고려했을 때 불가하다. 다른 접근 방법은 심장병이나 당뇨병과 같은 특정 질병에 걸렸거나 혹은 표현형을 알 수 있는 사람의 유전체를 광범위하게 수집하여 정상인 집단과 비교분석하는 것이다. 이러한 차이는 하나 이상의 기능장애 유전자와 관련되어 있을 것이라는 것을 추측하게 되는데 이를 자연 발생적 유전자 파괴라고 한다. 이와 같은 대규모 스케일의 전유전체 연관연구(genome-wide association study)는 두 대조군의 모든 유전체의 염기서열을 밝힐 필요는 없고 대신에 유전 표지자(genetic marker)를 이용한다. 유전표지자는 인간 집단의 유전체에서 변이가 많이 있는 DNA 염기 서열이다. 한 유전자에서 그러한 변이는 낫모양혈구빈혈증에서 관찰된 서로 다른 대립유전자를 만드는 기초가 된다. 유전자들의 암호화 서열들과 마찬가지로, 염색체상의 특정 유전자 좌위에서 비암호화 DNA는 개인 간의 작은 뉴클레오타이드 차이를 나타낼 수 있다. 집단 사이에서 암호와 또는 비암호화 DNA에서의 변이를 다형성(polymorphism)이라고 하며, 그리스어로 “많은 형태(many forms)”라는 어원에서 유래되었다.
질병이나 장애를 일으키는 유전자를 추적하는 데 가장 유용한 유전자 표지자들 중에는 인간 집단의 유전체들에 존재하는 단일 염기쌍 변화들이 있다. 어떤 변이가 집단에 1%보다 많이 존재하면 단일 뉴클레오타이드 다형성(single nucleotide polymorphism, SNA, “snip”이라고 발음한다)이라 한다. SNP는 평균적으로 100~300개의 염기서열마다 1개씩 존재하고 단백질 암호화 혹은 비암호화 DNA 모두에서 발견된다. SNP를 발견하기 위해서 다수 개인의 DNA 염기 서열들을 서열화하지 않고도 민감한 마이크로어레이 분석법, RNA-seq, 또는 PCR을 사용하여 발견할 수 있다.
일단 모든 영향을 받는 사람들에서 발견되는 SNP가 밝혀지면, 연구원들은 그 부위에 초점을 맞추고 그것을 서열화한다. 대부분의 경우에는 SNP는 단백질 비암호화 부위에 존재하고 SNP 자체는 병의 원인도 아니다. 대신에 SNP와 유전자 자체가 충분히 거리가 가깝다면 배우자 형성(gamete formation) 시에 표지자와 유전자 간의 교차가 거의 일어나지 않는다. 그러므로 표지자가 해당 유전자의 일부분이 아님에도 거의 항상 그 유전자와 함께 유전된다. 당뇨병, 심장 질환, 여러 암과 연관된 SNP들이 이미 발견되었고 현재는 병과 직접 관련이 있다고 생각되는 유전자 상의 SNP를 찾고 있다.
지금까지 배운 실험적 접근법들은 생물 분자들, 즉 DNA나 단백질들에 과한 연구들에 초점이 맞춰져 있었다. 이와 병행하여, 생물학자들은 다세포 생물체 전체를 복제하는 기술들을 개발해왔다. 이러한 연구의 궁극적인 목표는 모든 종류의 조직으로 분화하는 줄기세포라고 하는 특수한 종류의 세포를 얻는 것이다. 줄기세포 조작이 가능해지면 과학자들은 질병치료 용도로 줄기세포를 변형하기 위해서 DNA-기반 방법들을 이용하게 되었다. 개체 복제와 줄기세포 생산과 관련된 방법은 다음 절에서 다루어질 것이다.
참고자료: 캠벨생명과학, 11판, p410
