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게놈 편집은 유전체 단계에서 유전자를 정확하고 방향성 있게 수식하는 일종의 고효율의 생물 기술이다. 간단하고 효율이 높은CRISPR/Cas9 편집 시스템의 등장은 생명과학에 있어서 새로운 기술 혁명을 가져왔다. CRISPR/Cas9는 일반적으로 목표 유전체 DNA염기를 첨가하거나 제거하여 유전자 기능의 손실을 가져오게 된다. 최근 중국과학원 유전 및 발육 생물학 연구소의 고채하(高彩霞)연구팀은 CRISPR/Cas9시스템을 이용하여 mRNA번역을 고효율적으로 조절하는 방법을 개발하였다. 이 방법은 단백질 번역 효율을 높임으로써 목표 유전자의 코딩 단백질의 발현 수준 증가시킨다. 단백질을 코딩하는 유전자의 발현 산물은 전사와 전사 후 RNA가공을 거치고, 단백질 해독과 단백질 해독 후 가공을 거치고, 단백질 분해 등 다양한 단계의 조절을 받게 된다. 진핵세포의 mRNA는 5 rsquo;비번역구역 (5 rsquo;UTR), 코딩단백질의 ORF 및 3 rsquo;UTR로 구성되어 있다. 연구를 통해서 5 rsquo;UTR에는 번역 능력을 갖는 ORF 즉 상위 (upstream)의 ORF-uORF-라고 불리는 부분을 갖고 있다. 이와 대응하여, 5 rsquo;UTR의 뒷부분에는 주된(primary) ORF-pORF-가 있다. uORF는 보통 아래 부분의 pORF의 번역을 억제하는 일을 담당한다. 생물정보학 분석을 통해 uORF가 동식물에 광범위하게 존재한다는 것이 밝혀졌다. 인간, 마우스, 아기장대 (Arabidopsis), 벼, 옥수수에는 30%를 넘는 mRNA에 uORF를 갖고 있다고 판단되는데, 그런데 여전히 고효율로 정확하게 uORF에 대해 기능과 유전자 조작을 할 수 있는 연구 도구가 없었다. 고채하연구팀은 CRISPR/Cas9를 이용하여 uORF의 편집을 진행하여, 현저하게 목표 유전자의 번역 효율을 높일 수 있다는 것을 발견하였다. CRISPR/Cas9를 이용하여 아기장대와 상추에 존재하는 4개 uORF 번역개시 부분과 주변 서열을 편집하여 해당하는 유전자의 uORF를 많이 만들어낼 수 있었다.이러한 uORF돌연변이체 목표 유전자의 pORF mRNA번역 수준도 어느 정도 향상시켰다. 그 가운데서 비타민 C합성 경로 가운데서 중요한 역할을 담당하느 효소 유전자인 GGP(GDP-L-galactose phosphorylase)앞분의 uORF의 조절을 통해, 상추 잎에서의 비타민 C의 함량을 150% 향상시켰다. CRISPR/Cas9를 사용하여 uORF번역 개시 부위를 편집하여 두 가지 결과를 얻었다. (1)완전히 파괴된 uORF의 번역 개시 능력은 uORF의 성능의 결손을 가져왔다. (2)uORF의 번역의 개시를 알리는 코돈 (codon)을 바꾸거나 (예를 들어 ATG를 바꾸어서 비교적 약한 GTG로 바꾸면) 주변 서열을 바꾸게 되면, uORF가 pORF에 대한 억제 효율에 미묘한 변화가 일어나게 되었다. 해당 연구는 유전체 편집을 통해 uORF을 변화시켜서 mRNA의 번역을 조절하여 단백질 발현 수준을 조절함으로써 식물 분자생물학 연구 및 유전적 발육 방면에서 응용할 수 있게 될 것이다. 이 외에도 이러한 접근 방법은 새로운 유전자 편집 기술이 계속 개발되고 있는 것과 발맞추어 적용할 수 있는 범위가 점점 넓어지고 조작도 쉬어질 전망이다. uORF가 동식물 유전자에 널리 존재하기 때문에 이러한 방법은 널리 응용될 수 있을 것이다. 관련 연구는 8월 6일 발표된 (Nature-Biotechnology) 저널에 실렸다. 고채하(高彩霞)연구팀은 장화위(张华伟),박사과정 학생 사소민(司小敏)、희양위(姬祥为)등이 제일공동 저자로 참여하였다. 해당 연구는 국가자연과학기금 위원회 기초과학 센터, 중국과학원으로부터 지원 받았다. |
