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제목 [뉴스포럼 4호] Notable Research
작성자 관리자 작성일 2018-11-23 14:12:32 조회수 47
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유전자 편집 기술을 탑재한 신개념 항생물질 – 항균드론 (Antibacterial drone)
Conversion of staphylococcal pathogenicity islands to CRISPR-carrying antibacterial agents that cure infections in mice
최규태 (충남의대)

지난 10월 10일에 개최되었던 2018 대한진단유전학회 추계 심포지엄 ‘유전검사-ESLI(Ethical, Legal and Social Implications): 검사실 인증과 규제’에는 많은 회원들이 참석하여 최신 유전검사 및 유전검사 분야의 발전을 위한 정책, 법, 제도 등에 대해 다양한 정보와 의견을 나누는 시간을 가졌습니다. 특히 첫 세션에서는 한양대학교 화학과 배상수 교수님께서 ‘유전자가위 기술을 활용한 유전자 편집 기술의 최근 동향’이라는 주제로 유전자 가위의 간략한 역사와 디자인 원리, 실험 방법 및 분석 등에 대해 강의해 주셔서, 회원들이 유전자 편집 기술에 대해 쉽게 이해하고 한층 더 관심을 갖는 계기가 되었습니다.[1,2] 강의 내용에 따르면, 유전자 가위는 Zinc Finger Nucleases (ZFNs)에서 처음 시작하여 TAL Effector Nucleases (TALENs)를 거쳐 최근에는 CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)-Cas 시스템까지 개발되었다고 합니다. 특히 CRISPR-Cas 시스템을 이용한 유전자 가위는 이전 기술에 비해 쉽게 사용할 수 있으며, 매우 정교한 유전자 편집이 가능하다고 합니다. 그런데 얼마 전 이 유전자 가위를 감염 치료에 활용하여 성공했다는 흥미로운 논문이 있어 그 내용에 대해 간략하게 소개하고자 합니다.

지난 9월 nature biotechnology에 미국과 인도 연구자들이, 항균드론(antibacterial drones, ABDs)을 만들어 감염된 쥐를 치료했다는 내용의 논문을 발표했습니다.[3] 연구자들은 ABDs를 만들기 위해 staphylococcal pathogenicity islands(SaPIs)를 사용했는데, SaPIs는 staphylococcal chromosomal DNA에 삽입되어있는 약 15kb의 유전 인자로써 tst 와 다른 toxic superantigen들을 운반하는 역할을 한다고 알려져 있습니다.[4] SaPIs를 이용하여 ABDs를 제작하는 방법을 간단히 살펴보면, 전형적인 SaPI2에 항생제 저항 유전자를 붙이고 몇 가지 독성 인자들을 제거하는 등 간단한 편집 과정을 거친 후, standard allelic replacement technology 를 사용하여 CRISPR-Cas9 또는 CRISPR-dCas9을 삽입합니다. 이때 agr이라는 staphylococcal virulence 조절인자를 타깃으로 하는 spacer를 함께 삽입하는데, 이는 staphylococci의 보존된 영역을 선택함으로써 사실상 모든 Staphylococcus를 타깃으로 삼기 위함입니다. [Fig. 1.] Spacer는 타깃으로 하는 균에 따라 다르게 선택합니다.

 

 

 

 


[Fig. 1] Genetic maps of SaPI2 and its ABD derivatives. orange, toxin genes; light blue, tetracycline resistance (tetM); royal blue, CRISPR module

이렇게 제작한 ABDs의 성능을 검증하기 위해, 연구자들은 in vitro에서 S. aureus, L. monocytogenes 등 다양한 균을 이용하여 실험을 진행하였고, antibacterial activities 및 bacterial function block abilities를 확인하였습니다. [Fig. 2.]

 

 

 

 

 


[Fig. 2] ABD activities in vitro. (a) Killing of S. aureus by ABD2003 and of L. monocytogenes by ABD2004. (b) Inhibition of hemolytic activity by ABD2006.

쥐를 이용한 in vivo 실험에서는, subcutaneous space에 균을 주입 한 후, ABDs가 균을 제거하거나 농양(abscess) 형성을 억제함을 관찰하였습니다. [Fig. 3]

 

 

 

 

 


[Fig. 3] Blockade of SC murine infections by ABDs. (a) The IVIS images for luciferase activity (top three rows) and photographs of the abscesses in the same mice (bottom row). (b) A quantitative analysis of the luciferase signals.

이처럼 CRISPR 운반 ABDs가 plate 실험뿐 아니라 쥐를 이용한 실험에서도 탁월한 성능을 보이는 것을 관찰하였으나, 원하지 않는 host gene이 동시에 packaging 되거나, 다른 SaPIs를 유도하고, virulence/resistance 유전자를 운반하는 plasmid와 재조합을 일으키는 등, 해결해야 할 잠재적 문제가 아직 많이 남아있기에, 연구자들은 앞으로 많은 추가 연구가 필요하다고 말하고 있습니다. 
감염을 치료하는 non-antibiotic, non-phage method라는 점에서 ABDs는 매우 흥미롭고 관심을 가지고 연구해 볼만한 주제라 생각됩니다. 관심 있는 회원들께서는 본 논문 및 연관된 논문들을 찾아 자세히 읽어보실 것을 추천합니다.


[참고문헌] 
[1] Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering. Cell. 157(6):1262-1278 (2014)
[2] Cas-OFFinder: a fast and versatile algorithm that searches for potential off-target sites of Cas9 RNA-guided endonucleases. Bioinformatics. 30(10):1473-1475 (2014)
[3] Conversion of staphylococcal pathogenicity islands to CRISPR-carrying antibacterial agents that cure infections in mice. Nat Biotechnol. 36(10):971-976 (2018)
[4] The gene for toxic shock toxin is carried by a family of mobile pathogenicity islands in Staphylococcus aureus. Mol. Microbiol. 29:527-543 (1998)



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