CRISPR Cas12 원리 및 크리스퍼 카스9과 카스12의 비교.
유전자 가위인 CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) 기술은 연관 단백질인 Cas 단백질과 함께 활용됩니다.
오늘은 그중에서 Cas12 단백질을 활용한 CRISPR 기술의 독특한 메커니즘과 많이 알려진 Cas9 단백질과의 공통점 및 차이점에 집중하여 소개할 예정입니다.
1. 크리스퍼 카스12 CRISPR Cas12의 원리 (유전자 가위)
우선 크리스퍼 카스12 (CRISPR Cas12) 기술의 원리에 대해 알아보겠습니다.
CRISPR Cas12 시스템은 crispr RNA (crRNA, 위 그림에서는 gRNA라고 표현함)와 표적 핵산 그리고 reporter를 활용합니다.
1) 먼저 CRISPR Cas12a와 gRNA가 복합체를 형성합니다.
2) 형성된 복합체는 crRNA에 상보적으로 결합 가능한 표적 DNA를 인식합니다.
※ Cas12a의 경우 표적 핵산으로 이중 가닥의 DNA와 단일 가닥의 DNA를 모두 인식할 수 있습니다.
이중 가닥의 DNA를 인식하기 위해서는 표적 DNA에 특정 염기서열인 PAM (protospacer-adjacent motif) 염기서열이 있어야 합니다.
3) 다음으로 CRISPR Cas12a의 cis cleavage 활성으로 인식한 표적 핵산이 잘리게 됩니다.
※ 이는 Cas9의 활성과 유사합니다.
4) CRISPR Cas12a는 cis cleavage뿐만 아니라 trans cleavage 활성이 있습니다.
Trans cleavage 활성은 CRISPR Cas12a 주변의 단일 가닥의 DNA를 비특이적으로 자르게 됩니다. 이때 주변에 있는 단일 가닥의 reporter가 잘리게 됩니다.
※ Reporter는 다양하게 설계 가능하지만 일반적으로 한쪽 말단에는 형광 표지 물질을 한쪽 말단에는 quencher 사용합니다.
5) Trans cleavage 활성에 의해 잘린 reporter는 잘리기 전에는 quencher와 형광 표지 물질이 가깝기 때문에 형광을 내지 못하다가 잘린 후에는 두 분자 사이의 거리가 멀어져 형광이 발생하게 됩니다.
2. 크리스퍼 카스9과 카스19 비교
CRISPR Cas12a와 CRISPR Cas9은 모두 유전자 편집에 사용되는 기술이지만 두 시스템은 유사한 점과 차이점을 가지고 있습니다.
1) Cas12a의 경우는 crispr RNA (crRNA)를 사용하여 표적 핵산을 인식하지만, Cas9의 경우 crRNA와 guide RNA를 모두 사용하여 표적 핵산을 인식합니다.
2) 표적 DNA를 인식함에 있어서 Cas12a와 Cas9 모두 PAM 염기서열을 포함하는 이중 가닥의 DNA를 인식합니다.
그러나 Cas12a의 경우 단일 가닥의 DNA를 표적으로 인식할 수 있습니다. 또한, 인식하는 PAM 염기서열이 Cas9과 Cas12a가 차이가 있습니다.
※ PAM 염기서열 -> Cas12a: TTTN, Cas9: NGG
3) Cas9과 Cas12a 모두 인식한 표적 핵산을 절단하는 기능은 유사하지만 Cas12a의 경우 trans cleavage 활성에 의해 주변의 단일 가닥 DNA도 자를 수 있습니다.
3. 글을 마치며
CRISPR Cas 시스템은 혁신적인 기술로 많은 연구 및 진단에 활용되고 있습니다.
다양한 Cas 단백질 중 연구자의 필요와 목표에 따라 적합한 시스템을 선택하고 적용하는 것이 중요합니다.
CRISPR Cas12a의 경우 특히 높은 민감도를 바탕으로 감염성 병원체를 진단하는데 널리 활용되고 있으며 등온 핵산 증폭 기술과 접목한 기술이 많이 개발되었습니다.
이러한 등온 핵산 증폭 기술과의 접목은 기존 기술이 가지는 한계점을 극복할 수 있을 뿐 아니라 Cas12a의 메커니즘을 이용한 신선한 설계를 가능하게 합니다.
이러한 장점과 특징을 가지는 CRISPR Cas12a 기술은 앞으로 더욱 많이 연구되고 활용될 것으로 생각됩니다.