단백질-단백질 근접성에 기반한 유전체 편집 센서 개발

핵심 개념

단백질-단백질 상호작용 또는 근접성을 이용하여 CRISPR-Cas9 가이드 RNA 복합체 형성을 유도함으로써 유전체 편집을 제어할 수 있는 새로운 전략을 제시한다.

초록

이 연구는 단백질-단백질 상호작용 또는 근접성을 이용하여 CRISPR-Cas9 가이드 RNA 복합체 형성을 유도함으로써 유전체 편집을 제어할 수 있는 새로운 전략인 "P3 편집(Protein-Protein Proximity Editing)"을 소개한다.

연구진은 다음과 같은 주요 내용을 확인하였다:

1. CRISPR 가이드 RNA를 두 개의 RNA 분자(crRNA와 petracrRNA)로 분할하고, 각각에 단백질 결합 RNA 아프타머(MS2, BoxB)를 도입하였다. 이를 통해 특정 단백질-단백질 상호작용이나 근접성에 의해 가이드 RNA 복합체가 형성되도록 하였다.

2. 다양한 단백질 쌍(GCN4-scFv, ALFA-NbALFA, split-GFP)을 이용하여 P3 편집 시스템을 구축하였고, 이를 통해 프라임 편집 및 염기 편집 효율을 높일 수 있음을 확인하였다.

3. 화학적으로 유도된 단백질 이합체화(FKBP-FRB, PYL-ABI)를 이용하여 P3 편집을 조절할 수 있음을 보였다.

4. P3 편집 시스템의 효율과 특이성 간 trade-off를 확인하고, crRNA-MS2/BoxB-petracrRNA 설계 최적화를 통해 이를 개선할 수 있음을 보였다.

5. ADAR 기반 RNA 센서와 P3 편집을 결합하여 특정 RNA 발현에 의해 유전체 편집이 유도되는 시스템을 구축하였다.

이 연구는 단백질-단백질 상호작용을 이용한 유전체 편집 제어 전략을 제시하고, 이를 다양한 편집 기술과 결합하여 활용할 수 있음을 보여준다. 이를 통해 합성생물학 분야에서 유전체 편집을 활용한 복잡한 회로 구축의 가능성을 제시한다.

통계

단백질-단백질 상호작용을 이용한 프라임 편집 효율은 표준 프라임 편집 대비 52% 수준이었다.
화학적으로 유도된 단백질 이합체화(rapamycin, ABA)에 의해 프라임 편집 효율이 각각 3.9배, 2.7배 증가하였다.
P3 편집 시스템의 효율과 특이성 간 trade-off를 확인하였으며, 최적화된 crRNA-MS2/BoxB-petracrRNA 설계를 통해 특이성을 14배 향상시킬 수 있었다.

인용구

"단백질-단백질 상호작용 또는 근접성을 이용하여 CRISPR-Cas9 가이드 RNA 복합체 형성을 유도함으로써 유전체 편집을 제어할 수 있는 새로운 전략을 제시한다."
"화학적으로 유도된 단백질 이합체화(rapamycin, ABA)에 의해 프라임 편집 효율이 각각 3.9배, 2.7배 증가하였다."
"P3 편집 시스템의 효율과 특이성 간 trade-off를 확인하였으며, 최적화된 crRNA-MS2/BoxB-petracrRNA 설계를 통해 특이성을 14배 향상시킬 수 있었다."

핵심 통찰 요약

A molecular proximity sensor based on an engineered, dual-component guide RNA

by Choi,J., Che... 게시일 www.biorxiv.org 08-14-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.08.14.553235v2

더 깊은 질문

질문 1

P3 편집 시스템과 결합하여 유전체 편집을 제어하는 다른 분자 센서로는 RNA 센서를 활용할 수 있습니다. RNA 센서는 특정 RNA 분자의 존재를 감지하고 이를 유전체 편집 이벤트로 변환할 수 있습니다. 이를 위해 ADAR 기반 RNA 센서를 활용하여 특정 RNA 발현을 감지하고, 이를 통해 RNA 편집을 유도하여 유전체 편집을 제어할 수 있습니다. 이러한 방법을 통해 특정 RNA 발현에 반응하여 유전체 편집을 조절하는 시스템을 구축할 수 있습니다.

질문 2

P3 편집 시스템의 효율과 특이성을 향상시키기 위한 방법으로는 다양한 RNA 디자인 및 결합 방법을 고려할 수 있습니다. 먼저, crRNA-MS2와 BoxB-petracrRNA의 상호작용을 개선하기 위해 더 나은 링커 시퀀스를 테스트하여 crRNA와 petracrRNA를 더 적합한 위치에 배치하여 이중 가닥 형성을 촉진할 수 있습니다. 또한, 현재 P3 편집 디자인은 두 개의 RNA 아파머 및 해당 단백질 결합자를 사용합니다. 더 많은 직교 단백질-RNA 쌍을 식별함으로써 (대량 병렬 플랫폼 및/또는 컴퓨터 예측을 활용) 대규모 P3 센서를 동일한 세포 내에 배치하여 다양한 단백질-단백질 상호작용에 대한 P3 센서를 구축할 수 있습니다. 이를 통해 동일한 세포 내에서 다중 P3 센서를 활용한 다중 유전체 편집을 수행할 수 있습니다.

질문 3

P3 편집 시스템을 이용하여 다중 유전체 편집을 수행하기 위해서는 다양한 P3 센서를 동일한 세포에 통합하는 방법이 필요합니다. 이를 위해 다양한 P3 센서를 개발하고, 각각의 P3 센서가 서로 간섭 없이 작동하도록 설계해야 합니다. 또한, 다중 P3 센서를 효과적으로 조절하고 유전체 편집을 조합하기 위해 적절한 시스템을 구축해야 합니다. 이를 통해 다중 유전체 편집을 단일 세포 내에서 효과적으로 수행할 수 있습니다.