효과적인 게놈 편집을 가능하게 하는 소형 '유전자 가위'

CRISPR-Cas는 연구 및 의학 분야에서 생물체의 유전자를 편집, 삽입, 삭제 또는 조절하는 데 널리 사용됩니다. TnpB는 이 잘 알려진 "유전자 가위"의 조상이지만 훨씬 더 작아서 세포로 운반하기가 더 쉽습니다. 단백질 엔지니어링과 AI 알고리즘을 사용하여 UZH 연구자들은 이제 TnpB 기능을 향상시켜 DNA 편집을 보다 효율적이고 다재다능하게 만들어 미래에 고콜레스테롤에 대한 유전적 결함을 치료할 수 있는 길을 열었습니다.

단백질과 RNA 성분으로 구성된 CRISPR-Cas 시스템은 원래 박테리아가 침입하는 바이러스를 막기 위한 자연적 방어 메커니즘으로 개발되었습니다. 지난 10년 동안 이른바 "유전자 가위"를 재설계하면서 과학과 의학 분야의 유전 공학이 혁명을 일으켰습니다. 이 도구는 DNA의 특정 위치를 찾고 정확한 방식으로 유전 정보를 편집하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 예를 들어, DNA의 질병을 유발하는 돌연변이는 건강한 상태로 되돌릴 수 있습니다.

훨씬 더 작은 게놈 편집 도구

최근에 Cas 단백질이 훨씬 작은 단백질에서 진화했으며, TnpB가 Cas12의 전구체라는 사실이 발견되었습니다. Cas 단백질의 크기가 커서 신체의 올바른 세포에 전달하려고 할 때 어려움이 발생하기 때문에 최근 연구에서는 더 작은 진화적 전구체를 게놈 편집 도구로 사용하려고 했습니다. 이러한 작은 대안의 문제점은 덜 효율적으로 작동한다는 것입니다. 이 장애물은 현재 취리히 대학교(UZH) 약리학 및 독성학 연구소의 Gerald Schwank가 이끄는 연구팀과 ETH 취리히의 동료들이 함께 해결했습니다. Schwank는 "작지만 강력한 단백질 TnpB를 엔지니어링함으로써 DNA 수정 효율이 4.4배 증가하는 변종을 설계할 수 있었습니다. 이는 유전자 편집 도구로서 더 효과적입니다."라고 말합니다.

TnpB 단백질은 다양한 박테리아와 고균에서 발견됩니다. 연구자들이 연구한 TnpB는 박테리아 Deinococcus radiodurans 에서 유래합니다. 이 미생물은 추위, 탈수, 진공 및 산에서 살아남으며 인간에게 알려진 가장 방사선에 강한 유기체 중 하나입니다. 컴팩트한 TnpB 단백질은 이전에 인간 세포에서 게놈 편집에 효과가 있는 것으로 나타났지만 DNA 결합 시 인식 요구 사항으로 인해 효율성이 낮고 타겟팅 능력이 제한적입니다.

더 나은 결합 능력과 더 광범위한 DNA 표적 시퀀스

따라서 연구자들은 TnpB를 최적화하여 원래 단백질보다 포유류 세포의 DNA를 더 효율적으로 편집하도록 했습니다. "비결은 도구를 두 가지 방법으로 수정하는 것이었습니다. 첫째, 게놈 DNA가 있는 핵으로 더 효율적으로 이동하고, 둘째, 대체 게놈 시퀀스도 표적으로 삼는 것입니다." 제럴드 슈완크 연구실의 박사 과정 학생이자 이 연구의 첫 번째 저자인 킴 마르콰트가 말했습니다.

연구자들은 표적 부위의 DNA 시퀀스에서 어떤 특징이 게놈 편집 효율성을 결정하는지 확인하기 위해 10,211개의 다른 표적 부위에서 TnpB를 테스트했습니다. UZH의 교수이기도 한 Michael Krauthammer의 팀과 협력하여 그들은 주어진 표적 부위에서 TnpB 편집 효율성을 예측할 수 있는 새로운 인공 지능 모델을 개발했습니다. "저희 모델은 TnpB가 다양한 시나리오에서 얼마나 잘 작동하는지 예측할 수 있어 성공적인 유전자 편집 실험을 더 쉽고 빠르게 설계할 수 있습니다. 이러한 예측을 사용하여 마우스 간에서 최대 75.3%, 마우스 뇌에서 65.9%의 효율성을 달성했습니다."라고 Marquart는 덧붙였습니다.

고콜레스테롤에 대한 유전적 결함에 대한 유전자 편집 치료법

"동물 실험의 경우, 임상적으로 실행 가능한 아데노 관련 바이러스 벡터를 사용하여 도구를 마우스 세포로 효율적으로 운반할 수 있었습니다. 작은 크기 덕분에 TnpB 유전자 편집 시스템은 단일 바이러스 입자에 패키징할 수 있습니다." Marquart가 말했습니다. 반면, CRISPR-Cas9 구성 요소는 여러 바이러스 입자에 패키징해야 하므로 더 높은 벡터 용량을 적용해야 합니다.

현재 프로젝트에서 연구자들은 TnpB 도구를 사용하여 가족성 고콜레스테롤혈증 환자를 치료할 수 있는지 연구했습니다. 이 유전적 질환은 평생 심각하게 높은 콜레스테롤 수치를 유발하여 전 세계적으로 약 3,100만 명의 사람들에게 영향을 미칩니다. 이 질환은 조기에 발병하는 죽상경화성 심혈관 질환의 위험을 증가시킵니다. "우리는 콜레스테롤 수치를 조절하는 유전자를 편집하여 치료된 생쥐의 콜레스테롤을 거의 80%까지 줄일 수 있었습니다. 목표는 고콜레스테롤혈증으로 고통받는 환자를 치료하기 위해 인간에서도 유사한 유전자 편집 전략을 개발하는 것입니다."라고 Gerald Schwank는 말합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240923110731.htm