MIT 공학자들, 유전자 발현 정밀 제어 위한 '다이얼' 개발¶
원제목: MIT Engineers Create “Dial” To Control Gene Expression - Technology Networks
핵심 요약
- MIT 연구진이 유전자 발현 수준을 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 'DIAL' 시스템을 개발했음.
- 이 시스템은 유전자 회로 내에서 프로모터와 유전자 사이의 거리를 조절하거나 특정 효소를 사용해 발현 수준을 편집할 수 있음.
- DIAL은 세포 재프로그래밍 및 질병 치료를 위한 유전자 치료제 개발에 획기적인 발전을 가져올 가능성이 있음.
상세 내용¶
최근 MIT 공학자들이 세포 내 단백질 생성 수준을 정밀하게 제어할 수 있는 혁신적인 유전자 회로 도구인 'DIAL(Dial-in Gene Expression)'을 개발했다고 발표했습니다. 수십 년 동안 과학자들은 줄기세포를 특정 세포로 재프로그래밍하거나 질병 치료에 필요한 단백질을 생성하는 등 다양한 응용 분야를 위해 합성 유전자 회로를 개발해왔습니다. 이러한 유전자 회로는 일반적으로 비병원성 바이러스와 같은 운반체를 통해 세포에 전달되지만, 합성된 유전자가 암호화하는 단백질을 정확히 원하는 양만큼 생성하도록 보장하는 것은 어려운 과제였습니다.
MIT 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 제어 메커니즘을 설계하여, 어떤 유전자 회로든 원하는 단백질 수준, 즉 '설정점(set point)'을 확립할 수 있게 했습니다. 더욱 주목할 만한 점은, 이 시스템을 통해 유전자 회로가 세포에 전달된 후에도 설정점을 편집할 수 있다는 것입니다. 케이티 갤러웨이 MIT 화학공학 부교수는 이 도구가 매우 안정적이고 다기능적이며 모듈식으로 설계되어 다양한 종류의 유전자를 제어하는 데 활용될 수 있다고 설명했습니다.
연구팀은 이 전략을 사용하여 세포가 목표 단백질을 일관된 수준으로 생성하도록 유도할 수 있음을 입증했습니다. 예를 들어, 한 응용 사례에서는 생쥐 배아 섬유아세포를 운동 신경 세포로 전환하기 위해 해당 전환을 촉진하는 유전자를 높은 수준으로 전달하는 실험을 성공적으로 수행했습니다. 이 연구의 주저자는 MIT 대학원생 스네하 카바리아이며, Nature Biotechnology 저널에 게재되었습니다.
합성 유전자 회로는 관심 유전자뿐만 아니라 전사 인자 및 기타 조절자가 결합하여 합성 유전자의 발현을 켜는 프로모터 영역도 포함하도록 설계됩니다. 그러나 모든 세포가 원하는 유전자를 균일한 수준으로 발현하도록 만드는 것은 항상 가능한 것은 아닙니다. 그 이유 중 하나는 일부 세포는 회로를 단일 복사본만 섭취하는 반면, 다른 세포는 훨씬 더 많이 섭취할 수 있기 때문입니다. 또한, 세포 자체의 자연적인 변이로 인해 단백질 생산량이 달라질 수 있습니다.
이로 인해 세포 재프로그래밍이 까다로워졌는데, 예를 들어 피부 세포 집단의 모든 세포가 새로운 세포 정체성, 즉 신경 세포 또는 유도 만능 줄기세포로 성공적으로 전환하기에 충분한 양의 필수 전사 인자를 생산하도록 보장하기 어렵기 때문입니다. 새로운 논문에서 연구원들은 합성 유전자와 그 프로모터 사이의 거리를 변경함으로써 유전자 발현 수준을 제어하는 방법을 고안했습니다. 그들은 프로모터 영역과 유전자 사이에 더 긴 DNA '스페이서'가 있을 때 유전자가 낮은 수준으로 발현된다는 것을 발견했습니다. 이 추가적인 거리는 프로모터에 결합된 전사 인자가 유전자 전사를 효과적으로 켜는 것을 덜 가능하게 만든다는 것을 보여주었습니다. 그런 다음, 편집 가능한 설정점을 만들기 위해 연구원들은 스페이서 내에 Cre 재조합 효소에 의해 절제될 수 있는 부위를 통합했습니다. 스페이서의 일부가 잘려나가면서 전사 인자가 관심 유전자에 더 가까워지도록 도와 유전자 발현을 높였습니다. 연구팀은 여러 절제 부위를 가진 스페이서를 생성할 수 있었으며, 각 부위는 다른 재조합 효소에 의해 표적화되었습니다. 이를 통해 '높음', '중간', '낮음', '꺼짐'과 같은 유전자 발현 설정점을 설정할 수 있는 DIAL이라는 시스템을 만들 수 있었습니다. 유전자와 프로모터를 포함하는 DNA 조각이 세포에 전달된 후, 재조합 효소를 세포에 첨가하여 언제든지 설정점을 편집할 수 있습니다. 연구팀은 생쥐와 인간 세포에서 서로 다른 형광 단백질 및 기능 유전자의 전달을 통해 시스템을 시연했으며, 균일한 결과를 얻을 수 있음을 보여주었습니다.
편집자 노트¶
MIT 연구진이 개발한 'DIAL' 시스템은 유전자 발현 조절에 있어 매우 중요한 진보를 보여줍니다. 기존의 유전자 치료나 세포 재프로그래밍 연구에서 가장 큰 난제 중 하나는 세포마다 유전자가 발현되는 정도를 균일하게 유지하기 어렵다는 점이었습니다. 이로 인해 치료 효과가 일정하지 않거나 예상치 못한 결과가 발생하기도 했습니다. DIAL은 프로모터와 유전자 사이의 거리 조절이라는 기발한 아이디어와, 특정 효소를 이용해 이 거리를 동적으로 변경할 수 있다는 점에서 혁신적입니다. 이는 마치 우리 몸 안에서 유전자 발현이라는 복잡한 과정을 '다이얼'처럼 돌려 원하는 수준으로 정밀하게 맞출 수 있게 되었다는 의미입니다.
이번 연구 결과는 단순히 학문적인 성과를 넘어, 우리 삶에 직접적인 영향을 미칠 잠재력을 가지고 있습니다. 예를 들어, 유전 질환 치료에 있어 특정 단백질의 결핍이나 과잉을 정확히 교정하는 것이 중요합니다. DIAL 시스템은 이러한 단백질의 생성량을 원하는 수준으로 정밀하게 조절함으로써, 기존 치료법으로는 어려웠던 정교한 유전 질환 치료의 길을 열어줄 수 있습니다. 또한, 줄기세포를 다양한 종류의 성체 세포로 전환하는 과정에서 각 세포 타입에 맞는 최적의 발현 수준을 유지하는 것이 필수적인데, DIAL은 이러한 세포 재프로그래밍 과정의 효율성과 안정성을 크게 높일 수 있을 것으로 기대됩니다. 향후 이 기술이 발전한다면, 개인 맞춤형 정밀 의학의 실현 가능성이 더욱 높아질 것입니다.