‘크리스퍼 유전자가위’ 이용 인간배아 발달 조절 유전자 역할 밝혀

- IBS 유전체 교정 연구단 김진수 교수팀 또 유전자가위의 표적이탈효과 분석

IBS 유전체 교정 연구단인 김진수 서울대 교수와 김대식 박사(서울대 화학부 연수연구원)는 유전자가위의 표적이탈효과를 분석하는 연구로 공동 참여해 영국 프랜시스 크릭 연구소 (The Francis Crick Institute) 케이시 니아칸 (Kathy K. Niakan) 교수 연구팀이 크리스퍼 유전자 가위를 이용해 인간배아의 발달 과정에서 OCT4 유전자의 기능을 밝혔다. 

OCT4 (POU5F1)는 배아의 발달 과정을 조절하는 전사인자로 알려져 있으며, 배아줄기세포가 만능성(Pluripotent)을 유지하는데 중요한 역할을 한다. 크리스퍼 유전자가위(CRISPR-Cas9)는 미생물의 면역체계에서 유래한 DNA 절단효소로서 작은 가이드 RNA와 Cas9 단백질로 구성된다. 가이드 RNA와 상보적인 염기서열을 인식해 Cas9 단백질에 의해 DNA가 절단된다.

이번 연구는 기초과학 연구원 유전체 교정연구단에서 2014년 처음 사용했던 방법인 Cas9 RNP 방법(Cas9 단백질과 sgRNA를 생체 외에서 만든 후 세포 내로 전달)을 이용했다. 인간배아에 유전자가위를 도입해OCT4 유전자를 제거하는 일은 영국 프랜시스 크릭 연구소에서 진행됐다. 

특히 이번 연구에서 한국 연구진은 영국 프랜시스 크릭 연구소에서 제작한 크리스퍼 유전자 가위의 표적이탈효과를 분석하는 일을 절단유전체 시퀀싱 (Digenome-seq) 방법을 이용해 수행했다. 그 결과 실험에 사용한 크리스퍼 유전자 가위의 표적이탈효과가 없음을 증명한 것이다. 

연구결과는 국제적인 학술지 네이처(Nature, if 38.138) 온라인에 논문명 <Genome editing reveals a role for OCT4 in human embryogenesis>로 한국시간 9월 21일 목요일 새벽 2시에 공개됐다.

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▲CRISPR-Cas9는 인간 배아의 발생 가능성을 보여준다. (출처: 네이처)

 이번 연구는 영국 프랜시스 크릭 연구소 연구팀이 주도하고 서울 대학교 김진수 교수 연구팀, 케임브리지 대학, 옥스포드 대학, 웰컴 트러스트 생거 연구소, 본 홀 클리닉의 과학자들과 협력해 진행됐다. 프랜시스 크릭 연구소 연구팀은 인간 수정 및 발생 관리청 (Human Fertilisation and Embryology Authority, HFEA)와 케임브리지 중앙 연구 윤리위원회 (Cambridge Central Research Ethics Committee)의 가이드라인에 따라 적법한 절차를 통해 안전하게 수행됐다고 밝혔다. 

연구에 사용된 배아는 불임치료 후 남은 잔여배아를 환자로부터 기증 받아 진행됐다. 또한, 인간 배아 연구 전 인간 배아줄기 세포를 이용해 활성이 좋은 유전자 가위를 찾고 쥐의 배아를 이용해 미세주입법(microinjection)을 위한 최적의 조건을 선정한 후 인간 배아 실험을 진행했다. 

이번 연구는 배아의 초기 발달 과정을 이해하기 위해 진행됐다. 크리스퍼 유전자 가위를 주입한 19개의 배아를 분석했을 때 17개의 배아가 하나 이상의 할구(blastomere)에서 OCT4 유전자의 변형이 일어났다. 

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▲CRISPR / Cas9 게놈 편집 기술과 인간 배아 발달 단계를 설명하는 인포 그래픽. (출처: 프랜시스 크릭 연구소).

또한, 연구 결과 OCT4 유전자의 기능이 인간의 배아와 쥐의 배아에서 서로 다른 특징이 있음을 밝혔다. OCT4가 제거된 인간의 배아는 배아가 배반포 (blastocyst) 까지 발달되지 않았다. 하지만 OCT4가 제거된 쥐의 배아는 배아가 배반포 (blastocyst) 까지 잘 발달이 되지만 유지되지 않는 것을 볼 수 있었다. 이러한 연구는 OCT4 유전자가 쥐의 배아에 비해 인간의 배아 의 초기 발달에 중요한 역할을 하고 있음을 시사하며, 같은 유전자라도 종에 따라 서로 다른 메커니즘이 존재한다는 것을 보여준다. 

김진수 교수는 페이스북 계정을 통해 “난임, 불임 원인 규명에 도움이 될 수 있는 연구지만 국내에서는 불법이다”라며, “우리가 개발한 Cas9 RNP 방법을 사용했고 Digenome seq으로 표적이탈효과를 분석했다. 미탈리포프 연구팀 (Mitalipov lab)과의 공동연구에서도 이 두 방법을 사용했다”라고 의미심장한 글을 남겼다.

[김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]