특정 사이트 Recombinase (SSR) 기술의 원리

안녕하세요, 제 이름은 Frank Buchholz입니다. 저는 여기 Max PL 분자 세포 생물학 및 유전학 연구소의 그룹 리더입니다. 저희의 연구가 계속해서 수행되고 있습니다.

본 연구는 두 가지 측면으로 구성됩니다. 하나는 RNA I 스크리닝에 관한 것이며, 다른 하나는 고급 게놈 공학을 위한 부위 특이적 재조합효소 개발에 관한 것입니다.

제 배경을 말씀드리자면, 저는 생물학자이자 분자생물학자이며 생물학 전반을 공부했습니다. 그 후 하이델베르크의 유럽분자생물학연구소(EMBL)에서 박사 학위를 취득했고, 샌프란시스코 UCSF의 Mike Bishop 교수님 연구실에서 백혈병 동물 모델을 연구하며 박사 후 연구원 과정을 마쳤습니다. 이곳 드레스덴의 막스 플랑크 연구소는 발달 생물학자와 세포 생물학자라는 적어도 두 가지 서로 다른 측면을 결합하고자 노력하고 있으며, 기본적으로 세포가 어떻게 조직을 형성하는지를 이해하려는 것이 핵심 주제라고 생각합니다.

그것이 기본적으로 이곳 Ston 연구소의 전반적인 목표입니다. 따라서 저희는 기본적으로 두 가지 분야에 집중하고 있습니다. 한 분야는 RNAi 스크리닝을 통해 생물학적 과정에서 이전에 특성이 규명되지 않은 유전자들의 새로운 기능을 확인하는 것입니다.

다른 하나는 부위 특이적 재조합 효소를 사용하여 게놈의 정교한 엔지니어링을 가능하게 하는 기술을 개발하려는 게놈 공학에 관한 것입니다. 부위 특이적 재조합 효소는 80년대에 발견되었는데, 예를 들어 우리가 사용하는 Cre 재조합 효소는 80년대 초반에 발견되었습니다. 이는 실제로 박테리오파지 단백질입니다. 즉, 기본적으로 박테리아를 감염시키는 바이러스인 박테리오파지에서 유래한 것입니다.

따라서 현재 사용되는 방식과는 매우 다르지만, 이러한 효소들이 다른 생물체에서도 활용 가능한 매우 흥미로운 기능들을 수행할 수 있다는 점이 빠르게 인식되었습니다. 부위 특이적 재조합효소(site-specific recombinase)는 DNA에 결합하는 단백질로, DNA의 특정 서열에 특이적으로 결합합니다. 이러한 표적 서열에 결합하면 DNA를 절단하고 해당 부위들을 재배치하여 기본적으로 결찰(ligation) 과정까지 수행할 수 있습니다. 다시 말해, 이러한 부위 특이적 재조합을 통해 DNA 서열을 재배치할 수 있으며, 이는 마치 가위와 풀처럼 DNA 서열을 이전에는 결합되지 않았던 방식으로 조립할 수 있게 해줍니다.

앞서 말씀드린 바와 같이, 원래 박테리아나 박테리오파지에서 발견된 이러한 부위 특이적 재조합 효소(Site-specific recombinase)가 다른 생물체에서도 작동하는지 테스트하였으며, 흥미롭게도 다른 생물체에서도 동일한 기능을 수행하는 것으로 나타났습니다.

따라서 예를 들어 생물체 내에 공학적으로 도입한 부위 특이적 재조합 효소 표적 부위가 있다면, 이 효소들이 그 기능을 수행하게 됩니다. 특히 오늘 설명해 드릴 작업의 출발점으로 사용한 flp 재조합 효소나 cre 재조합 효소처럼 보조 인자가 필요 없는 부위 특이적 재조합 효소들의 활용도가 매우 높습니다. 이들은 보조 인자 없이 작동합니다.

그리고 예를 들어 이를 동물이나 동물의 세포 내에서 발현시키면, 이 효소들이 해당 유기체 내에서 인식하는 서열을 찾아내어 그 자리에서 바로 자르고 붙여 특정 서열을 절제할 수 있습니다. 따라서 이 효소가 매우 성공적으로 사용된 사례가 바로 마우스의 소위 조건부 돌연변이 유발(conditional mutagenesis) 연구입니다. 예를 들어, 흥미로운 유전자라고 알려진 특정 유전자가 있고, 이 유전자의 기능이 무엇인지 알고 싶다고 가정해 보겠습니다.

매우 유명한 실험 중 하나는 소위 넉아웃 마우스(knockout mouse)를 제작하는 것입니다. 최근에 보셨겠지만, 이 기술은 기본적으로 마우스에서 유전자를 결손시키는 방법으로 올해 실제로 노벨상을 받기도 했습니다. 하지만 때로는 동물에서 특정 유전자를 넉아웃했을 때, 해당 유전자가 필수 유전자여서 마우스가 배아 발생 단계에서 매우 일찍 사망하는 것을 발견하게 됩니다.

이 결과는 해당 유전자가 매우 중요하다는 것을 알려주지만, 실제 기능이 무엇인지에 대해서는 정확히 알려주지 않습니다. 따라서 오늘날 가장 널리 쓰이는 방법 중 하나는 이른바 조건부 녹아웃(conditional knockout)을 수행하는 것입니다. 이 방법은 관심 유전자의 양옆에 부위 특이적 재조합 효소(site-specific recombinase)를 위한 표적 부위를 배치하는 방식입니다.

이는 해당 마우스에서 유전자가 야생형 마우스와 동일하게 발현된다는 것을 의미합니다. 하지만 이제 이 마우스를 예를 들어 조직 특이적 프로모터 하에서 CRE 재조합 효소를 발현하는 마우스와 교배하면, 재조합 효소가 발현되는 위치에 따라 미리 정의한 특정 세포에서만 표적 유전자를 제거할 수 있습니다. 그리고 이러한 실험을 통해, 이러한 재조합 과정이 전신 생물체에서 서열을 제거하는 데 매우 효율적일 수 있다는 점 또한 알 수 있습니다.

그리고 이는 우리가 미리 정의한 부위를 절단하는 재조합효소를 개발하려는 아이디어의 전제 조건이었습니다. 이는 지금까지 부위 특이적 재조합효소를 더욱 발전시키는 데 있어 주요한 제한 사항 중 하나였는데, 사용하고자 하는 세포나 생물체의 게놈에 인식 표적 부위를 직접 엔지니어링하여 삽입해야 했기 때문입니다. 그래서 우리는 이 장벽을 깨뜨릴 수 있을지 고민했습니다.

기본적으로 분자 진화를 이용하는 것입니다. 제가 알기로 현재 부위 특이적 재조합 효소는 치료 목적으로 사용되지 않고 있습니다. 앞서 말씀드린 것처럼, 이는 주로 자연계에 존재하는 어떤 재조합 효소에 의해서도 인식될 만한 표적 부위가 인간에게 없기 때문입니다.

따라서 이를 치료 환경에서 사용할 수 있도록 먼저 변경해야 합니다. 현재 우리는 이것이 가능할지 여부를 확인하는 아주 초기 단계에 있습니다. 따라서 우리가 이러한 효소들을 치료 목적으로 실제로 개발할 수 있을지, 그리고 그것이 가능할지는 시간이 지나야 알 수 있을 것입니다.