조지아 대학 연구팀이 선택적으로 유전자를 표적화하고 암묵화시키는 세균의 면역 시스템을 조작할 방법을 발견한 연구 결과를 학술지 “Molecular Cell” 온라인 판에 보고하였다. 세균은 바이러스나 다른 외부 침입자로부터 자신을 지키기 위해 적응 가능한 면역시스템을 갖고 있는데, 과학자들은 어떻게 이 면역 시스템이 기능하고, 이것을 산업과 의학에 적용할 수 있는지를 알기 위해 연구해왔다. 연구자들은 식품과 연료, 의약품의 안전한 생산을 위해 미생물의 이용 방법을 개선하고 질병을 일으키는 미생물들에 대항하는 것만큼이나 필수적인 생명 과정을 이해하기 위해서도 세균과 다른 미생물들을 연구한다. 연구팀은 이번 연구에서 선택한 유전자의 발현을 감소시키거나 제거하기 위해 세균을 조작할 새로운 방법을 연구했으며, 결과는 생명공학과 생물 의학적 연구에 지대한 영향을 미칠 강력하고 새로운 수단을 드러낸다.
세균의 면역 시스템은 두 가지 성분으로 구성되어 있다. 첫 번째는 RNA(DNA처럼 유전 정보가 담긴 물질)이며 바이러스나 다른 세포 침입자를 표적으로 유도 신호로 작용한다. 두 번째 성분은 침입자의 유전적 물질을 제거하는 단백질 복합체이다. CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeat)-Cas(CRISPR-associated) 방어 경로로 알려진 세균의 면역시스템은 최근에 발견되었으며, RNA를 기반으로 하는 면역시스템이다. 이 방어 시스템을 가진 원핵 생물은 자신의 게놈(genome)안에 있는 CRISPR 영역 내에 짧은 침입자 서열을 포획하고, CRISPR 영역으로부터 산출된 짧은 RNA(crRNA)는 Cas 단백질이 외부 핵산을 인식하고 분해하도록 인도한다.
연구팀은 변형된 유도 신호를 가진 맞춤화된 CRISPR RNA를 이용해, 베타-락탐 항생제에 대한 저항성을 일으키는 단백질의 유전자를 파괴할 수 있었다. 이번 연구에서, 그들은 면역 시스템이 정상적으로 이용하고 있는 RNA의 핵심 기능을 규명했으며, 이 정보를 이용해 새로운 표적을 파괴할 수 있는 조작된 유도 RNA를 가진 시스템을 만들 수 있었다. 연구팀은 Cmr crRNA가 다른 CRISPR-Cas 경로와 연관된 crRNA에서도 존재하는 8개 뉴클레오타이드(nucleotide)의 5’ 서열 표지(tag)를 포함한다는 것을 보였다. 이 표지는 crRNA의 기능에 결정적인 요소이며, 새로운 표적의 분해를 지시하는 crRNA를 조작하기 위해 이용될 수 있다. 연구 결과는 crRNA-Cmr 단백질 경로가 관심 RNA의 분해를 위해 이용될 수 있음을 지시한다. 연구팀은 필수적인 세포 내 과정에서 개개 유전자의 역할을 구별하기 위해 유전자들의 기능을 체계적으로 차단시킬 수 있었다.
특이적 RNA를 침묵화시키는 것은 좀 더 복잡한 응용을 가능하게 할 것이다. 유전자의 발현은 연료를 위해 식물 성분을 분해하거나 인슐린 같은 의약품을 생산하기 위해 이용되는 미생물에서 변형될 수 있다. 발견은 또한 바이러스와 이동성 요소에 대항하는 세균 병기에서 강력한 수단을 제공할 수도 있다. 세균 면역 시스템의 핵심 성분의 규명은 다양한 세포 형태에서 특이적 RNA 분자를 표적으로 하는 새로운 수단의 개발과 더불어, 생물 의학 연구자들로 하여금 유전자 기능을 분석하기 위한 가치 있고 새로운 방법을 제공할 것이다.
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