Prime Editing 원리은 DNA를 완전히 끊지 않고, Cas 단백질과 역전사효소를 결합한 편집기를 이용해 원하는 염기 변화를 기록하듯 삽입하는 기술입니다.
기존 CRISPR-Cas9 방식이 DNA 이중가닥 절단 뒤 세포의 복구 반응을 이용했다면, 프라임 편집은 더 작은 절단과 RNA 설계 정보를 이용해 비교적 정밀하게 유전 정보를 고칩니다.
Prime Editing 작동 순 #
1. 표적 인식 및 단일 가닥 절단 (Target Recognition & Nicking)
pegRNA가 교정할 DNA 표적 서열을 찾아가 결합하면, 닉케이스(nCas9)가 DNA 복합체의 두 가닥 중 비표적 가닥(Non-target strand) 하나만을 정밀하게 절단(Nick)합니다.
이로 인해 끊어진 DNA 가닥의 3′ 말단(3′-hydroxyl end)이 외부로 노출되며 단일 가닥 플랩(Flap) 구조가 형성됩니다.
2. 프라이머 결합 및 역전사 수행 (Primer Binding & Reverse Transcription)
노출된 DNA 3′ 말단 가닥이 pegRNA의 꼬리 쪽에 위치한 프라이머 결합 부위(PBS)와 상보적으로 결합(Annealing)합니다.
3. 결합이 완료되면 복합체에 융합되어 있던 역전사효소(RT)가 작동을 시작하여, pegRNA의 역전사 템플릿 서열을 바탕으로 교정하고자 하는 새로운 유전 정보(원하는 돌연변이 서열)가 포함된 DNA 가닥을 연장 합성합니다.
4. 플랩 교체 및 처리 (Flap Competition & Processing)
역전사가 완료되면, DNA 서열상 기존의 원래 유전 정보가 담긴 ‘5’ 플랩 가닥’과 새로 합성된 교정 유전 정보가 담긴 ‘3’ 플랩 가닥’이 서로 자리를 차지하기 위해 경쟁하게 됩니다.
이때 세포 내에 존재하는 플랩 엔도뉴클레아제(예: FEN1) 등의 내재적 효소가 유동적인 구조를 가진 기존의 5′ 플랩 가닥을 잘라내어 제거하고, 새로 합성된 교정 가닥(3′ 플랩)이 정상적으로 자리를 잡아 결합합니다.
5. DNA 결합 및 최종 고정 (Ligation & Repair)
느슨하게 끊어져 있던 DNA 틈새(Nick)가 세포 내 리가아제(Ligase) 효소에 의해 완전히 연결됩니다.
이후 세포가 분열하거나 자체 DNA 복구 시스템(Mismatch Repair)을 가동하면서, 새로 교정된 가닥을 주형(Template) 삼아 반대편 가닥의 염기서열도 상보적으로 완전히 바꾸게 됩니다.
이로써 이중 가닥 전체에 치명적인 손상(DSB)을 전혀 주지 않고 안전하게 영구적인 교정이 마무리됩니다.
Prime Editing의 핵심 원리 #
기존의 CRISPR-Cas9 기술은 DNA 두 가닥을 완전히 동시 절단(DSB)한 뒤, 세포의 무작위적인 복구 메커니즘(NHEJ)에 의존하므로 원치 않는 돌연변이(인델, Indel)가 발생할 위험이 큽니다.
반면, 프라임 에디팅은 유전체를 직접 ‘복구’하는 대신 ‘원하는 서열을 그 자리에 직접 덧쓰는(Search-and-Replace)’ 방식을 취하며, 이를 위해 다음과 같은 특수 복합체를 사용하는 특징이 있습니다.
변형된 nCas9 #
DNA 두 가닥 중 오직 한 가닥만 자르도록 아미노산 서열을 변형한 Cas9(H840A 변이체)을 사용합니다.
따라서 양쪽 가닥이 동시에 끊어지는 DSB가 원천적으로 발생하지 않습니다.
역전사효소 융합 단백질과 프라임 에디팅 가이드 RNA(pegRNA): #
nCas9 단백질 끝에 역전사효소가 물리적으로 결합해 있습니다.
이 효소는 RNA 가이드를 읽어 DNA 가닥을 직접 합성하는 역할을 합니다.
표적 서열을 찾아가는 가이드 기능 외에, DNA와 결합을 시작하는 프라이머 결합 부위(PBS, Primer Binding Site) 및 교정할 유전 정보가 저장된 역전사 템플릿(RT template)을 꼬리 부분에 모두 포함하고 있는 핵심 분자입니다.
