'절단' 없는 편집: 새로운 유전자 편집 도구의 분자 메커니즘 공개

도쿄대학의 슈토 유타로, 나카가와 료야, 누레키 오사무가 주도한 공동 연구는 ‘프라임 에디터’라고 불리는 새로운 유전자 편집 도구의 다양한 프로세스의 공간 구조를 결정했습니다. 이러한 구조를 기반으로 한 기능 분석을 통해 어떻게 “프라임 편집기”가 이중 나선의 두 가닥을 모두 “절단”하지 않고도 RNA에서 DNA를 합성하여 역전사를 달성할 수 있는지 밝혀졌습니다. 이러한 분자 메커니즘을 명확히 하는 것은 유전자 치료 치료에 충분히 정확한 유전자 편집 도구를 설계하는 데 크게 기여합니다. 연구 결과는 저널에 게재되었습니다. 자연.

2020년 노벨 화학상은 살아있는 유기체의 “청사진”인 DNA를 편집하는 획기적이면서도 간단한 방법을 개발한 제니퍼 다우드나(Jennifer Doudna)와 에마뉘엘 샤르펜티에(Emmanuelle Charpentier)에게 수여되었습니다. 그들의 발견은 연구에 새로운 길을 열었지만 방법의 정확성과 DNA의 두 가닥을 “절단”하는 것에 대한 안전성 문제로 인해 유전자 치료 치료에 대한 사용이 제한되었습니다. 따라서 이러한 단점이 없는 도구를 개발하기 위한 연구가 진행되어 왔다.

프라임 편집 시스템은 그러한 도구 중 하나이며 두 가지 구성 요소로 구성된 분자 복합체입니다. 그 중 하나는 최초의 CRISPR-Cas 유전자 편집 기술에 사용된 SpCas9 단백질과 RNA를 DNA로 전사하는 효소인 역전사 효소를 결합한 프라임 에디터입니다. 두 번째 구성 요소는 DNA 내의 표적 서열을 식별하고 원하는 편집을 인코딩하는 변형된 가이드 RNA인 프라임 편집 가이드 RNA(pegRNA)입니다. 이 컴플렉스에서 프라임 에디터는 “워드 프로세서”처럼 작동하여 게놈 정보를 정확하게 대체합니다. 이 도구는 이미 식물, 제브라피시, 생쥐와 같은 유기체의 살아있는 세포에서 성공적으로 구현되었습니다. 그러나 이 분자 복합체가 편집 과정의 각 단계를 정확히 어떻게 실행하는지는 명확하지 않습니다. 주로 공간 구조에 대한 정보가 부족하기 때문입니다.

논문 제1저자인 Shuto는 “우리는 Cas9 단백질과 역전사효소의 부자연스러운 결합이 어떻게 함께 작용하는지 궁금해졌다”고 말했다.

연구팀은 원자 수준에 가까운 관찰을 가능하게 하는 이미징 기술인 극저온 전자현미경을 사용했습니다. 이 방법에서는 전자빔에 의한 잠재적인 손상으로부터 샘플을 보호하기 위해 샘플을 유리 얼음에 넣어야 했으며, 이로 인해 몇 가지 추가적인 문제가 발생했습니다.

Shuto는 “우리는 실험 조건에서 프라임 에디터 컴플렉스가 불안정하다는 것을 발견했습니다.”라고 설명했습니다. “그래서 복합체가 안정적으로 유지될 수 있는 조건을 최적화하는 것은 매우 어려웠습니다. 오랫동안 우리는 Cas9의 구조만 결정할 수 있었습니다.”

마침내 이러한 어려움을 극복하고 연구자들은 표적 DNA의 역전사 과정에서 여러 상태의 프라임 에디터 복합체의 3차원 구조를 결정하는 데 성공했습니다. 이 구조는 역전사효소가 이중나선의 단일 가닥이 분리되는 DNA 절단과 관련된 Cas9 단백질의 “일부”를 따라 형성된 RNA-DNA 복합체에 결합되어 있음을 보여주었습니다. 역전사를 수행하는 동안 역전사효소는 Cas9 단백질과 관련된 위치를 유지했습니다. 구조적 및 생화학적 분석은 또한 역전사효소가 원하지 않는 추가 삽입을 초래할 수 있음을 나타냅니다.

이러한 발견은 기초 연구와 응용 연구 모두에 새로운 길을 열었습니다. 그래서 Shuto는 다음 단계를 제시합니다.

“이 연구에서 우리의 구조 결정 전략은 다른 Cas9 단백질과 역전사 효소로 구성된 프라임 에디터에도 적용될 수 있습니다. 우리는 새로 얻은 구조 정보를 활용하여 개선된 프라임 에디터의 개발로 이어지기를 원합니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/05/240529144235.htm