CRISPR/Cas 정의와 역사, 종류 : CRISPR(Clustered Regular Interspaced Palindromic Repeats)/Cas9는 생물의학 연구에 큰 격변을 일으킨 유전자 편집 기술입니다. CRISPR/Cas9은 이전 세대의 유전자 편집 기술에 비해 빠르고 저렴합니다. 이는 세포 및 동물 모델의 신속한 생성, 유전자 치료제 개발, 세포 게놈의 라이브 이미징을 포함하여 다양한 응용을 가능하게 만들었습니다.
CRISPR/Cas 정의
CRISPR은 “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”의 약어이고 Cas는 CRISPR-associated 의 약자 입니다. 이 약자가 주는 의미가 CRISPR가 어떻게 생겼는지 잘 나타냅니다.
CRISPR : Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats
- Clustered (집중된): 바이러스나 다른 외부 유전자에 대한 면역 반응이 여러 개의 유사한 단위로 묶여 있습니다.
- Regularly Interspaced (규칙적으로 배치된): 이는 각각의 spacer(바이러스 유전자와 유사한 부분)가 규칙적인 간격으로 나열되어 있다는 것을 의미합니다.
- Short Palindromic Repeats (짧은 회문 반복): Spacer들 사이에 있는 반복적인 부분의 서열이 회문 구조임을 나타냅니다.
Cas : CRISPR-associated
- Cas9, Cas12, Cas13 등 다양한 Cas 단백질이 존재합니다. 이들 이들 단백질은 상이한 유전자 편집 기능을 수행하며, 특히 Cas9는 가장 널리 사용되고 연구되는 유전자 편집 도구입니다.
CRISPR/Cas 역사
CRISPR 서열은 1987년 일본의 나카다 교수팀에 의해 발견되었습니다.
나카다 교수팀은 CRISPR 서열을 대장균 박테리아의 DNA 서열에서 처음 발견하였으며 Ishino 등에 의해 기술되었습니다.
그 당시 연구하기 어려운 이러한 DNA 단편의 서열을 분석하는 데 몇 달이 걸렸지만 발견자들은 그 기원이나 박테리아 세포에서의 중요성을 이해하지 못했습니다.
이 분야의 초기 연구에서는 CRISPR 시스템의 생물학적 기능이 아직 밝혀지지 않았습니다.
CRISPR 유전자좌의 생물학적 기능을 이해하는 데 있어 획기적인 발전은 1995년 Haloferax mediterranei의 고세균 게놈에서 유사한 구조를 발견한 스페인 알리칸테 대학교의 Francisco Mojica의 발견으로 이루어졌습니다.
이들은 특이한 유전자좌가 외부 DNA 조각을 포함하고 실제로 면역 체계의 일부라는 가설을 세웠습니다.
CRISPR 시스템의 작용 메커니즘에 대한 첫 번째 연구는 2007년 덴마크 회사 Danisco에서 박테리아 Streptococcus thermophilus의 요구르트 배양을 연구한 두 명의 프랑스 식품 과학자 Rodolphe Barrangou와 Philippe Horvath에 의해 진행되었습니다.
1980년대부터 수집된 회사의 풍부한 박테리아 균주 컬렉션 덕분에 과학자들은 박테리오파지의 바이러스 공격에 대응하여 CRISPR 유전자좌에서 박테리아가 스페이서를 획득하는 역사적 과정을 추적할 수 있었습니다.
이 연구에서 S. thermophilus에 새로운 스페이서를 추가하면 해당 유형의 박테리오파지에 대한 획득 면역이 발생하는 것이 확인 되었습니다
그리고 인류는 이것을 유전자 편집에 이용하게 됩니다.
유전공학자들이 이것을 이용할 때는 원핵생물에서 유래한 바이러스 서열을 이용하는 것이 아니라, 원하는 타깃의 서열을 이용합니다.
이 타깃 서열을 guide RNA 이라고 하며 이는 crRNA와 tracrRNA로 구분 할 수 있습니다.
gRNA가 Cas 단백질과 붙어서 활성 형태가 되면 원하는 타깃 서열에 달라 붙거나 자를 수 있게 됩니다.
| Component | Function |
| crRNA | active complex를 형성하는 tracrRNA(일반적으로 헤어핀 루프 형태)에 결합하는 영역과 함께 타깃할 DNA 영역을 찾는 guide RNA가 포함되어 있습니다. |
| tracrRNA | crRNA와 붙어서 active complex를 형성합니다, |
| sgRNA | single guide RNA는 tracrRNA와 적어도 하나의 crRNA로 구성된 결합된 RNA입니다. |
CRISPR/Cas 종류
CRISPR 시스템은 CRISPR 시스템의 복잡성을 기준으로 2 개의 클래스로 분류 합니다
아래 그림의 Cas 단백질의 복잡성을 확인해보세요
Class 1 CRISPR Systems:
- 이 클래스에 속하는 시스템은 복잡하며 다양한 Cas 단백질을 사용합니다.
Class 2 CRISPR Systems:
- 이 클래스는 상대적으로 간단하며 하나의 Cas 단백질을 사용하는 시스템
그리고 Cas 단백질의 구조와 기능을 기반으로 Type 분류를 합니다.
각 Class에 속하는 시스템들이 특정 Type에 속하게 됩니다
Redman M, King A, Watson C, King D. What is CRISPR/Cas9? Arch Dis Child Educ Pract Ed. 2016 Aug;101(4):213-5. doi: 10.1136/archdischild-2016-310459. Epub 2016 Apr 8. PMID: 27059283; PMCID: PMC4975809.
What is CRISPR/Cas9? – PubMed (nih.gov)
Gostimskaya I. CRISPR-Cas9: A History of Its Discovery and Ethical Considerations of Its Use in Genome Editing. Biochemistry (Mosc). 2022 Aug;87(8):777-788. doi: 10.1134/S0006297922080090. PMID: 36171658; PMCID: PMC9377665.
CRISPR-Cas9: A History of Its Discovery and Ethical Considerations of Its Use in Genome Editing – PubMed (nih.gov)