바이러스에서 발견된 고대의 RNA 유도 시스템, 유전자 편집 기술 확장 가능성 열어

Feng Zhang이 이끄는 MIT McGovern Institute와 Broad Institute의 연구진은 TIGR-Tas(Tandem Interspaced Guide RNA)라고 명명한 단백질 계열을 발견했으며, 이 연구는 2월 27일 저널 Science에 온라인으로 게재되었습니다. 연구팀은 20,000종이 넘는 서로 다른 Tas 단백질을 발견했는데, 대부분은 세균에 감염하는 바이러스에서 발견되었습니다. 이와 별도로, 다른 연구팀은 VIPR(Viral Interference Programmable Repeat)라는 또 다른 고대 시스템을 PubMed Central에 게재된 논문에서 소개했으며, 이 시스템이 CRISPR의 핵심을 이루는 RNA 유도 단백질의 조상격이라고 주장합니다.

두 시스템 모두 CRISPR-Cas9와 동일한 기본 원리로 작동합니다. CRISPR-Cas9는 과학자들이 오늘날 가장 널리 쓰이는 유전자 편집 도구로 개조한 세균의 면역 체계입니다. CRISPR-Cas9에서는 짧은 RNA 유도체(guide)가 Cas9 효소를 일치하는 DNA 서열로 안내하고, Cas9가 그 부위를 절단합니다. 이 가이드 RNA는 세균이 일종의 기억 저장소로 자신의 게놈에 보관해 둔 바이러스 DNA 조각으로 만들어지며, 같은 바이러스가 다시 침입했을 때 세균이 이를 인식하고 파괴할 수 있게 해줍니다. TIGR와 VIPR는 Cas9의 변형이 아니라 각각 독자적인 단백질과 RNA 구조를 사용하지만, RNA를 이용해 특정 DNA 부위를 찾아 작용한다는 점에서 비슷한 역할을 수행합니다.

Zhang 연구실은 수억 개의 단백질을 대상으로 Cas9가 RNA 가이드와 결합할 수 있게 하는 구조적 특징을 검색한 뒤, 좀 더 먼 친척뻘 단백질에서부터 다시 검색을 반복해 탐색 범위를 넓히는 방식으로 TIGR를 찾아냈습니다. 결과가 매우 다양했기 때문에 연구팀은 단백질 구조로 훈련된 인공지능의 일종인 단백질 언어 모델을 사용해 이들을 진화적으로 유사한 그룹으로 분류했습니다. 그중 한 그룹이 CRISPR 배열에서 볼 수 있는 것과 같은 반복 서열을 유전자에 지니고 있어 눈에 띄었으며, 이것이 TIGR-Tas 시스템으로 밝혀졌습니다.

각 Tas 단백질은 독립적으로 작동하는 부분, 즉 모듈을 갖고 있습니다. 하나는 RNA 가이드와 결합하고, 일부 단백질에서는 인접한 부위가 DNA를 절단합니다. 이러한 부분들이 모듈식으로 구성되어 있기 때문에, 연구자들은 천연 Tas 단백질에 새로운 기능을 붙여 맞춤형 도구를 만들 수 있을 것으로 보고 있습니다. 연구팀은 여러 Tas 단백질이 인간 세포에서 표적 DNA 서열을 절단하도록 프로그래밍될 수 있음을 보여주었습니다.

TIGR-Tas를 특히 유용하게 만들 수 있는 두 가지 특징이 있습니다. CRISPR 시스템은 PAM(protospacer adjacent motif)이라 불리는 짧은 인접 서열 옆에서만 DNA를 절단할 수 있지만, TIGR 단백질에는 이러한 제약이 없습니다. 연구자들에 따르면 이는 원칙적으로 게놈 내 어떤 부위든 표적으로 삼을 수 있음을 의미합니다. 이 시스템은 또한 한 연구자가 '이중 가이드(dual-guide)' 방식이라고 부른 구조를 사용하는데, DNA 이중나선의 양쪽 가닥 모두와 상호작용하여 표적에 결합합니다. 여기에 더해 Tas 단백질은 평균적으로 Cas9 크기의 약 4분의 1에 불과한데, 이는 단백질이 작을수록 세포 내로 포장해 전달하기가 더 쉽다는 점에서 중요합니다.

VIPR는 Cas9에서 직접 출발하는 대신, RAMPs라 불리는 고대의 CRISPR 관련 단백질 계열이 공유하는 구조적 특징을 검색하는 과정에서 발견되었습니다. 결과로 얻어진 Vipr 단백질은 현대 CRISPR 시스템에서 발견되는 RAMPs보다 더 단순하며, 세균 게놈 자체보다는 박테리오파지와 고세균 바이러스 안에서 주로 발견됩니다. 연구자들은 Vipr의 유전자좌가 CRISPR 유전자좌에 담긴 수많은 유전자에 비해 대체로 단 두 개의 유전자만으로 이루어진 최소한의 구조라는 것을 발견했으며, Vipr를 CRISPR 자체의 RAMP 단백질보다 먼저 갈라져 나온 진화적 가지에 위치시킵니다.

VIPR가 사용하는 RNA 가이드인 vrRNA는 CRISPR 가이드와 같은 방식으로 DNA 표적과 짝을 이루지 않습니다. CRISPR 가이드 RNA는 표적과 염기 하나하나가 연속적으로 짝을 이룹니다. 반면 vrRNA는 고정된 세 글자 모티프와 두 개의 가변 염기가 번갈아 반복되는 패턴을 이용해 표적을 읽으며, 각 결합 부위 사이마다 염기 하나를 건너뜁니다. 연구자들은 이를 '비연속 코드(noncontiguous code)'라고 부릅니다. 연구팀은 이 규칙, 즉 '1-뉴클레오타이드 건너뛰기 규칙(1-nucleotide skip rule)'을 전산 검색, 생화학적 결합 시험, 그리고 세균에서의 리포터 유전자 침묵 실험을 통해 확인했으며, RNA의 핵심 모티프를 교란하면 효과가 사라진다는 것을 발견했습니다.

연구자들은 비활성화된 형태의 Cas9을 이용한 유전자 침묵 방법과 유사하게, VIPR를 이용해 세균의 리포터 유전자를 억제함으로써 그 기능을 시험했으며, 이 Cas9 기반 방법과 달리 VIPR는 한쪽 가닥에만 국한되지 않고 양쪽 DNA 가닥 모두에서 작동한다는 것을 발견했습니다. 자연 상태의 VIPR 연관 RNA 표적이 경쟁 바이러스의 서열과 일치하는 경향이 있었기 때문에, 연구자들은 VIPR의 생물학적 역할이 같은 세균 세포에 감염한 경쟁 바이러스를 방해하는 것을 돕는 데 있다고 제안합니다.

CRISPR-Cas9는 이미 연구 현장에서 사용되고 있으며, 낭포성 섬유증, 혈우병, 겸상적혈구병 등을 대상으로 한 임상시험에도 쓰이고 있습니다. 또한 백신 및 유전자 치료 응용을 위해 아데노바이러스나 단순포진바이러스 같은 대형 바이러스 게놈을 편집하는 데도 사용되어 왔습니다. 하지만 CRISPR 구성요소를 체내로 전달하는 것은 여전히 현실적인 걸림돌로 남아 있으며, 기존의 PAM 서열 제약은 표적으로 삼을 수 있는 DNA 부위를 제한합니다. MIT와 Broad 연구진은 Tas 단백질의 작은 크기를 치료용 전달 측면에서의 잠재적 이점으로, PAM 요건이 없다는 점을 표적 선택의 유연성 측면에서의 잠재적 이점으로 제시하고 있습니다.

두 발견 모두 아직 초기 단계입니다. Zhang 연구실은 TIGR 시스템이 바이러스 내부에서 수행하는 자연적 역할을 여전히 조사하고 있으며, 지금까지 작동하는 Tas 단백질 중 단 하나에 대해서만 분자 구조를 규명했습니다. 연구팀은 이를 시스템의 효율을 높이기 위한 지침으로 활용할 계획입니다. 또한 이들은 TIGR-Tas와 인간 세포 내 RNA 처리 단백질 사이에 존재할 수 있는 연관성이 추가 연구가 필요한 대상이라고 언급합니다. VIPR에 관한 지금까지의 결과는 조작된 대장균에서의 유전자 침묵 등 세균 및 박테리오파지 맥락에서의 기능만을 기술하고 있으며, 인간 유전자 편집 도구로 사용된 사례는 아직 보고되지 않았습니다. 두 시스템 모두 CRISPR-Cas9가 거쳐온 것과 같은 임상시험을 거치지 않았으며, CRISPR 관련 일반 리뷰들은 표적 이탈 효과, 특정 조직으로의 전달, 그 밖의 안전성 및 규제 관련 문제들이 어떤 RNA 유도 도구든 환자에게 도달하기 전에 엄격한 전임상 및 임상 연구를 거쳐야 한다고 경고하고 있습니다.