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"주제탐구보고서"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 연구 배경
1.2. 이론적 배경
1.3. 현재 상황
2. 본론
2.1. 기술적 측면
2.2. 생명과학적 측면
2.3. 윤리적 측면
3. 프라임 에디터(Prime Editor)
3.1. 개념
3.2. 구조
3.3. 장단점
4. 유전자 가위 기술의 발전
4.1. 제1세대 징크핑거(ZFN)
4.2. 제2세대 탈렌(TALEN)
4.3. 제3세대 크리스퍼(CRISPR)
4.4. 제4세대 프라임 에디터(Prime Editor)
5. 프라임 에디터의 응용
5.1. 유전질환 치료
5.2. 신약 개발
5.3. 바이러스 진단
6. 프라임 에디터의 한계 및 과제
6.1. 기술적 한계
6.2. 윤리적 이슈
7. 결론 및 제언
8. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 연구 배경
프라임 에디터(Prime Editor) 기술의 연구 배경은 다음과 같다.
컴퓨터 워드프로세서로 글자를 쓰고 지우는 것처럼 인체 DNA 유전코드를 하나하나 자유자재로 편집할 수 있는 차세대 유전자 교정 기술이 탄생했다. 이 기술을 적용하면 현존하는 유전질환 중 90%를 치료할 수 있을 것으로 기대된다. 이는 신종 코로나 바이러스로 몸살을 앓고 있는 전세계 인류에게 기존 3세대 크리스퍼 가위가 가지고 있는 단점을 보완할 수 있는 프라임 에디터의 출현이 반가운 소식이 될 수 있음을 의미한다. 그러나 기존 3세대 크리스퍼 가위와 무엇이, 어떠한 점이 다른지를 분석하고 어떠한 점을 응용해 현대 의학부문 효과를 도출해낼 수 있는지에 대한 의문이 존재하였다. 따라서 이러한 의문을 해결하기 위해 본 연구를 진행하게 되었다.
1.2. 이론적 배경
유전자 가위란 DNA nuclease 기능을 갖는 단백질 복합체를 이용하여 유전체 특정 부위에 DNA의 삽입, 결손 및 치환을 유도하여 돌연변이를 일으키는 기술이다"이다.
유전자 가위 기술은 제1세대 징크핑거(ZFN, 2002년), 제2세대 탈렌(TALEN, 2010년), 제3세대 크리스퍼(CRISPR, 2012년)로 발전해왔다. 이 중 크리스퍼 유전자 가위 기술은 생명체의 유전정보를 거의 만능으로 교정 및 개선하여 과학과 의료의 미래를 앞당긴 혁신기술로 여겨지고 있으며, 2020년에 노벨화학상에 선정되기도 했다.
크리스퍼는 "Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat"의 약자로, DNA상에 존재하는 18~40개로 구성된 특정 염기서열을 인식하여 DNA 두 가닥을 절단하는 인공 제한효소를 말한다. 크리스퍼와 Cas9 단백질 효소를 함께 사용하는 유전자 편집 기술인 크리스퍼 카스9은 이러한 크리스퍼를 매개로 한다.
또한 역전사효소는 RNA를 주형틀로 삼아 RNA 서열에 상보적인 DNA를 합성해내는 능력을 갖고 있는 효소이다. 이러한 역전사효소는 프라임 에디터 기술에서 중요한 역할을 한다.
1.3. 현재 상황
현재 상황은 유전자 가위 기술이 세계적으로 주목받고 있는 기술이며, 특히 제3세대 크리스퍼(CRISPR) 가위 기술이 "21세기 가장 혁명적인 생물학적 도구"로 여겨지고 있다. 크리스퍼 가위 기술은 전자 변이로 생기는 희귀질환을 치료할 수 있어 많은 사람들에게 희망이 되고 있다. 그러나 현재의 유전체 교정 기술에는 여전히 한계가 있어 이를 보완하기 위해 제4세대 프라임 에디터가 등장하게 되었다. 프라임 에디터는 기존 유전자가위의 대체로 각광받고 있는데, 변형시키려는 위치와의 거리에 관계없이 작용할 수 있고 오프타깃 문제 발생 확률이 낮으며 부산물을 생성하지 않는 등의 장점이 있다. 이처럼 프라임 에디터 기술은 유전자 교정 분야에서 새로운 전환점이 될 것으로 기대되고 있다.
2. 본론
2.1. 기술적 측면
크리스퍼(CRISPR) 같은 유전자 가위 기술은 DNA nuclease 기능을 갖는 단백질 복합체를 이용하여 유전체 특정 부위에 DNA의 삽입, 결손 및 치환을 유도하는 기술이다. 기존 유전자 가위 기술들은 작은 크기의 DNA 결실 혹은 삽입만이 가능하고 염기 치환도 제한적이었지만, 새로 개발된 프라임 에디터는 특정 염기서열을 제거할 뿐만 아니라 그 자리를 다른 염기서열로 대체할 수 있다는 점에서 차별화된다.
프라임 에디터는 Cas9 nickase와 역전사 효소, 그리고 pegRNA(prime editing guide RNA)의 세 가지 핵심 요소로 구성되어 있다. Cas9 nickase가 DNA에 틈을 내면, RNA 가닥이 역전사 효소의 프라이머로 작용하여 새로운 DNA 가닥을 합성한다. 이때 pegRNA는 Cas9-nickase와 역전사 효소를 교정하려는 부위로 안내하는 역할을 한다. pegRNA에는 교정하려는 부위와 동일한 염기 서열이 포함되어 있으며, 그 끝에는 변이를 도입할 새로운 염기 서열이 연결되어 있다.
이처럼 프라임 에디터는 DNA를 직접 절단하는 것이 아니라, 단일 가닥 DNA를 주형으로 새로운 DNA 가닥을 합성하는 방식으로 작동한다. 이를 통해 기존 유전자 가위 기술들이 가지고 있던 단점들을 일부 보완할 수 있다.
첫째, 프라임 에디터는 변형시키려는 위치가 PAM site에서 30핵산 이상 떨어져 있어도 상관없다. CRISPR-Cas9은 PAM site 근처에서만 작용할 수 있지만, 프라임 에디터는 PAM 제한을 받지 않는다.
둘째, 프라임 에디터는 원하는 염기를 정확하게 치환할 수 있다. CRISPR-Cas9은 염기를 완전히 제거하는 데 효과적이지만, 특정 염기로 치환하기는 어려웠다. 반면 프라임 에디터는 원하는 염기 치환이 가능하다.
셋째, 프라임 에디터는 오프타깃 효과와 부산물 생성 가능성이 낮다. CRISPR-Cas9은 표적으로 삼지 않은 부위도 변형시킬 수 있었지만, 프라임 에디터는 오프타깃 문제가 크게 줄어든다. 또한 부산물도 거의 생성되지 않는다.
하지만 프라임 에디터 역시 일정 한계점을 지니고 있다. RNA는 DNA에 비해 손상되기 쉬우며, 긴 길이의 RNA일수록 그 가능성이 더 커진다. 따라서 프라임 에디터는 짧은 염기 서열 수정에 적합하지만, 긴 유전자 전체를 수정하거나 대체하는 데에는 적합하지 않을 수 있다. 또한 유전자와 질병의 관계에 대한 지식이 충분하지 않아, 질병 치료에 적용하기에는 아직 한계가 있다.
2.2. 생명과학적 측면
프라임 에디터는 기존의 유전체 교정 기술과 비교하여 다음과 같은 생명과학적 측면의 장점을 가지고 있다""
첫째, 프라임 에디터는 CRISPR-Cas9과 달리 변형시키려는 위치가 PAM site에서 가까울 필요가 없다"" PAM site란 Cas9 효소가 유전자 가위질을 하기 위해 필요한 염기서열을 의미하는데, 프라임 에디터는 이러한 제한이...
참고 자료
국립산림과학원, 유전자 가위를 이용한 임목 유전자 교정 동향, 국립산림과학원 연구자료 제 831호: 7p
크리스퍼[Clustered regularly interspaced short palindromic repeat], 분자·세포생물학백과, (네이버 지식백과, 21.10.24. 검색)
크리스퍼[clustered regularly interspaced short palindromic repeats], 생화학백과, (네이버 지식백과, 21.10.24. 검색)
역전사효소[reverse transcriptase], 분자·세포생물학백과, (네이버 지식백과, 21.10.24. 검색)
Anzalone AV, Randolfph PB, Davis JR 등 (2019) Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Nature 576: 149–157p, 프라임에디터[prime-editor], 식물학백과(네이버 지식백과, 2021.10.24. 검색)에서 재인용.
‘크리스퍼 유전자 가위’ 빛 활용해 정확도 높인다, 김민수, 동아사이언스, 2020.07.06. (21.10.24. 검색)
노벨상 유전자 가위 기술로 코로나 단 5분에 확인한다, 이영완, 조선일보 사이언스카페, 2020.10.09.(21.10.29. 검색)
사회를 변화시킬 잠재력을 가진 10대 유망 기술-세계경제포럼(WEF), 국립대구과학관 네이버 블로그, 2021.01.16.(21.10.29. 검색)
프라임에디터[prime-editor], 식물학백과(네이버 지식백과, 2021.10.29. 검색)
유전자를 워드프로세서처럼 편집? 프라임 에디터, 이석원, 테크레시피 뉴스, 2019.11.14. (21.10.26. 검색)
프라임에디터[prime-editor], 식물학백과(네이버 지식백과, 2021.10.29. 검색)
유전자가위 연구자 김형범 연세대 교수, 최준석, 주간조선 2679호, 2021.10.18. (21.10.29. 검색)
만능 4세대 유전자 가위 프라임 에디터의 혁신, 조양래, 메디게이트 뉴스, 2019.11.04. (21.10.19. 검색)
유전자편집 기술의 발전에 대응한 인간배아 유전자치료의 규제방향, Regulatory Framework for Gene Therapy on Human Embryos in Response to CRISPR-Cas9, 박대웅, 류화신
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