사진설명. 왼쪽부터 김도연 석사과정학생, 이소연 박사과정학생, 하현지 박사후연구원, 박현호 교수

약학대학 연구진이 최근 발견된 항-크리스퍼 단백질의 작용 원리를 세계 최초로 밝혀냈다. 이번 연구는 유전자 편집 기술의 정밀도를 높이고, 미래형 치료 기술로 주목받고 있는 유전자 가위의 발전에 중대한 기여를 할 것으로 기대된다.

이번 성과는 약학대학 박현호 교수 연구팀, 석사과정 김도연 연구원, 박사과정 이소연 연구원, 그리고 박사후연구원 하현지 연구원이 공동으로 이뤄낸 것으로, 박테리아의 획득면역 시스템인 CRISPR-Cas(크리스퍼-카스) 기능을 억제하는 항-크리스퍼(anti-CRISPR, Acr) 단백질 ‘AcrIE7’의 작용 방식을 정밀하게 분석했다.

박테리아와 바이러스는 오랜 진화 과정 속에서 치열한 생존 경쟁을 벌여왔다. 박테리아는 감염된 바이러스를 기억해 유전 정보를 보존하고, 동일하거나 유사한 바이러스가 재침입했을 때 이를 즉시 제거하는 면역 체계를 구축했다. 이를 CRISPR-Cas 시스템, 즉 유전자 가위라고 한다. 반면, 바이러스는 이러한 박테리아의 방어 기전을 무력화하기 위해 항-크리스퍼 단백질을 진화시켜왔다. 항-크리스퍼 단백질은 2013년 처음 보고된 이후, 유사한 기능을 할 것으로 보이는 100종 이상의 단백질이 발견되어 왔다. 이처럼 박테리아와 바이러스 간의 면역-회피 전략은 생명과학 분야에서 매우 흥미롭고 활발하게 연구되는 주제다.

사진설명. AcrIE7의 발견과 항-크리스퍼 기능·기전 규명 이미지

박현호 교수팀은 최근 밝혀진 항-크리스퍼 단백질인 AcrIE7의 삼차원 구조와 이를 표적으로 하는 크리스퍼 복합체의 구조를 분석했다. 이를 통해 AcrIE7이 어떤 방식으로 CRISPR-Cas 시스템을 저해하는지 분자 수준에서 밝혀내는 데 성공했다. 연구에 따르면 AcrIE7은 유전자 가위가 작동하는 과정에서 생성되는 R-loop의 단일 가닥 DNA(ssDNA)에 직접 결합하여, DNA 절단을 담당하는 효소의 작동을 방해함으로써 시스템 전체를 무력화하는 것으로 나타났다. 이 메커니즘은 지금까지 보고된 항-크리스퍼 작용 방식과는 전혀 다른 독특한 경로로, 해당 전략을 밝혀낸 것은 이번이 처음이다.

CRISPR-Cas 기술은 특정 유전자 서열을 정확히 인식하고 절단할 수 있어 유전자 치료 및 질병 치료 기술로 활발히 활용되고 있다. 이번 연구는 유전자 가위 기술을 더욱 정밀하고 안전하게 활용할 수 있는 발판을 마련했다는 점에서 큰 의미가 있다.

이번 성과는 교육부와 한국연구재단이 주관하는 BK21 FOUR 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 생명과학 분야의 권위 있는 국제 학술지 PNAS (Impact Factor 11.1)에 ‘AcrIE7은 R-loop 단일 DNA 가닥에 직접 결합하여 크리스퍼-카스 시스템을 저해한다(AcrIE7 inhibits the CRISPR-Cas system by directly binding to the R-loop single-stranded DNA)’라는 제목으로 게재됐다.

박현호 교수는 “유전자 가위 기술은 미래의 정밀 치료 분야를 선도할 핵심 기술로 주목받고 있지만, 예기치 않은 DNA 절단이나 낮은 효율 등 해결해야 할 문제가 남아 있다”며, “AcrIE7의 작용 기전 규명을 통해 유전자 편집 기술을 보다 안전하고 정밀하게 제어할 수 있는 가능성을 열었다”고 밝혔다.