우리 대학 연구진이 박테리아의 방어막을 뚫고 공격하는 바이러스의 면역회피 시스템과 이를 무력화시키는 박테리아 면역 시스템의 상호작용을 밝혀냈다. 

한국연구재단에 따르면, 우리 대학 약학대학의 박현호 교수와 이소연 박사과정생 연구팀이 박테리아가 자신의 면역체계인 크리스퍼-카스(CRISPR-Cas)를 공격하는 바이러스의 항-크리스퍼(Anti-CRISPR) 유전자 조절과 면역 시스템 회복 관련 메커니즘을 규명하는 데 성공했다.

크리스퍼-카스는 흔히 유전자 가위로 불린다. 박테리아는 자신을 공격하는 바이러스의 유전정보를 기억하고 있다가 유사 유전자를 가진 바이러스가 침투하면 바로 제거하는 방어 시스템을 사용한다. 

바이러스는 크리스퍼-카스를 억제하는 다양한 항-크리스퍼 단백질을 통해 박테리아의 면역체계를 무력화시키는 방식으로 진화했다. 박테리아도 바이러스의 항-크리스퍼 단백질을 무력화하는 방어체계를 갖추고 있을 것으로 추정돼왔지만, 지금껏 관련 기전은 밝혀지지 않았다. 

(그림1) Aca 단백질의 3차 구조 및 전자조절인자로서의 기능 규명

Aca단백질의 3차구조를 규명한 후 유전자 조사를 통해 Aca 유전자가 Acr 유전자와 연관되게 존재를 하는것을 밝힌 후 실제 Aca가 결합하여 Acr발현을 저해할만한 DNA 부분을 찾음. 이 프로모터 DNA와 Aca 단백질간의 실제 특이적 결합을 보았고 이 결합을 통해 Acr단백질 발현을 저해하는 전자인자로 작용한다는 기능을 밝힘. 

박현호 교수 연구팀은 바이러스의 항-크리스퍼 유전자와 밀접한 관계를 보이는 박테리아의 Aca(anti-CRISPR assocate) 단백질에 주목해 항-크리스퍼 단백질과의 상호작용을 연구했다. 그 결과 Aca 단백질이 항-크리스퍼 단백질의 발현을 저해하는 전사인자로 작용한다는 점을 입증했다. Aca 단백질이 항-크리스퍼 유전자의 특정 프로모터에 결합해 항-크리스퍼의 발현을 막아 크리스퍼-카스를 정상 작동시키는 것도 확인했다. 

이번 연구는 Aca 단백질의 3차원 구조를 규명하고, Aca 단백질이 특정 프로모터에 결합해 바이러스의 무기가 되는 단백질 유전자 발현을 어떻게 저해하는지를 분자 레벨에서 규명한 것이다. 차후 인간 유전자 편집 기술에도 응용될 수 있을 것으로 기대를 모은다. 

(그림2) Aca 단백질과 특정 DNA의 결합 메커니즘 규명

Aca 단백질과 결합하는 프로모터 DNA 서열을 밝힌 후 돌연변이 연구, 모델링 연구를 통해 Aca가 어떻게 이 DNA와 결합하는지 분자레벨에서 설명할 수 있었음. 

이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오의료기술개발사업, 기초연구사업(중견연구), BK21+ 글로벌혁신신약학과 등의 지원을 받아 수행됐다. 해당 연구성과는 피인용 지수(Impact Factor) 19.1의 국제학술지 핵산연구(Nucleic Acids Research)에 8월 26일자로 게재된 상태다. 보다 상세한 연구성과의 내용은 ‘Molecular basis of anti-CRISPR operon repression by Aca10’ 논문을 통해 확인 가능하다. 

박현호 교수는 “이번 연구는 바이스의 면역 회피 시스템에 대항하는 박테리아의 또 다른 생존 전략을 규명한 것”이라며 “항-크리스퍼 단백질, Aca 단백질은 실제 크리스퍼-카스 시스템을 조절하는 단백질들이다. 인간 유전자 치료 기술로 주목받는 크리스퍼-카스의 정교한 조절 등에 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.