Population ageing is a universal challenge confronting societies worldwide. The United Nations projects that by 2050, the percentage of people aged 60 and above will nearly double from 12% to 22%, while the population aged 80 and above will triple to reach 426 million. In response, the United Nations declared 2021–2030 the Decade of Healthy Ageing, designating the World Health Organization (WHO) to coordinate global collaboration among governments and civil society.
< CRISPR/Cas9 system >CRISPR와 Cas는 각각 'Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats'와 'CRISPR-associated sequences'의 약자로 박테리아의 면역체계에서 영감을 받은 유전자 편입 기술입니다. 박테리아가 바이러스에 감염되어 획득한 외부 DNA 조각을 기억하여, 다시 같은 바이러스에 감염될 때에 특정 부위를 탐지하고 제거하는 기능입니다.CRISPR 배열은 박테리아가 과거 바이러스에 감염되었을 때 획득한 외부 DNA 조각을 기억하는 기억체와 같은 요소로, 규칙적이고 반복적인 DNA 염기서열을 일컫는 용어입니다. 세균 세포가 파지라고 불리는 세균 특이적 바이러스에 감염되면 대부분 세균은 죽지만, 일부는 살아남아 바이러스의 DNA 일부를 잘라 자신의 유전체에 차곡차곡 삽입합니다. 바로 이 부분이 CRISPR입니다. 세균의 염색체에 존재하는 CRISPR부위는 20-72 bp의 spacer 사이에 짧은 정방향 반복서열이 있고, 이 주변에는 leader와 Cas 유전자 군이 위치해 있는데, 이 유전자는 박테리오파지 DNA를 분해하는 등의 기능을 담당하는 Cas 단백질을 생산합니다.CRISPR/Cas system은 여러 가지 형태로 구분되지만 가장 많이 활용되는 것은 Streptococcus pyogenes에서 유래한 Cas9으로 알려져 있습니다. Cas9 효소는 CRISPR 배열에 저장된 외부 DNA에 대응하는 부위를 탐지하고 해당 부위를 절단하는 유전자 가위로 작용합니다. CRISPR 영역은 RNA로 전사되고 잘게 쪼개진 후 세포 내 Cas9 단백질들과 결합해 RNA-단백질 복합체를 형성합니다. 그리고 같은 바이러스가 다시 그 세균에 침입하게 되면, CRISPR-Cas9 복합체가 바이러스 염기서열을 인식해 결합한 후 절단해 세포를 보호합니다.CRISPR-Cas9 복합체에 기존의 crRNA(크리스퍼RNA) 이외에 tracrRNA가 있습니다. 그리고 이 tracrRNA가 CRISPR 영역이 전사된 후 여러 개의 crRNA로 쪼개지는 데 결정적 역할을 한다는 것을 알아냈습니다. 그리고 crRNA(크리스퍼RNA)와 tracrRNA의 주요 부위를 연결해 sgRNA을 만들 수 있었습니다. sgRNA는 single guide RNA의 약자로 CRISPR 시스템은 특정 DNA 부위를 자르기 위해 sgRNA를 사용합니다. sgRNA는 특정 수정대상인 유전자 서열과 결합하여 Cas9 효소를 해당 부위로 이끕니다. Cas9는 sgRNA에 안내를 받아 특정 DNA 부위를 인식하고 해당 부위를 전달합니다. 이렇게 Cas9-sgRNA 복합체가 sgRNA와 상보적 염기서열을 지닌 표적 DNA를 절단할 수 있습니다.정리하자면 CRISPR/Cas system은 기본적으로 3단계에 걸칩니다. 먼저 적응단계로 파지 DNA가 세균내로 삽입되면 Cas 단백질이 파지 DNA로부터 proto-spacer를 획득하여, CRISPR array안으로 새로운 spacer로서 삽입합니다. 그리고 CRIPR array가 전사된 후에 단일 spacer와 repeat 서열 일부가 포함된 crRNA로 절단된 후, RNP(ribonucleoprotein), Cas 단백질과 복합체를 형성합니다. 그리고 crRNA–Cas RNP 복합체는 protospacer-adjacent motif가 세균내에 존재하게 되면 박테리오 파지의 표적 DNA와 상보적인 염기결합을 이루게 하고, 이 표적 DNA는 핵산분해효소에 의해 분해됨으로써 감염된 경험이 있는 박테리오 파지에 대해 면역성을 갖게 됩니다.CRISPR/Cas9은 실험실에서 동물 배아를 대상으로 유용한 유전자를 삽입하거나 결함이 있는 유전자를 제거하는 데 사용됩니다. 이를 이용하면 진핵세포의 유전체 염기서열을 맞춤 교정할 수 있을 것이라는 전망이 있습니다. 최근까지도 Cas9이 표적 서열 외에 다른 서열에도 작용할 수 있다는 우려로 인해 인간 세포에서는 적용하는데 아직까지는 한계를 가지고 있었지만, 인간배양세포에서 유전체 DNA를 인식해 전달하고 그 위치에 맞춤 변이를 유도할 수 있음이 여러 실험실에서 입증되었습니다.이 시스템의 강점으로는 정확성과 효율성, 다양한 생명체에 대한 적용 가능성, 낮은 비용, 다양한 응용 분야 등이 있습니다. CRISPR/Cas system은 특정 DNA 서열을 정확하게 수정하고 원하는 변경을 쉽게 적용할 수 있기 때문에 효율적으로 빠르게 유전자 편집을 할 수 있습니다. 또한 이 시스템은 세균에서 발견된 것이지만 동물, 식물, 미생물 등 다양한 종에서 적용될 수 있습니다. 또한 다른 유전자 조작 기술과 비교했을 때, 상대적으로 저렴한 비용으로 이용할 수 있기 때문에 여러 분야에서 활용되고 있습니다.CRISPR/Cas system의 활용분야는 실험실을 넘어서 세계적으로 주목받고 있고 현재 진행 중입니다. 유전질환, 혈액암 환자의 치료와 예방에 관여하기도 하고 후천성면역결핍증(HIV) 등의 바이러스성 감염질환과 일부 유전병을 치료하거나 새로운 농작물을 개발하는데 유용하게 활용되고 있습니다. 특히 신약개발과 임상시험에 적용 중입니다. 또한 모델 동물의 유전자 조작을 통한 생물학적 연구로도 이용되어 병충해에 강한 동식물, 장기이식에 적합한 돼지도 개발되었습니다. 또한 환경 보전을 위해 유해한 환경영향에 대한 저항성 유전자를 도입하는 방법으로도 이용됩니다. 이렇게 전세계적으로 다양한 분야에 다방면으로 활용되고 있습니다.Reference-https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5144794&cid=61232&categoryId=61232-https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000991/selectBoardArticle.do?nttId=19163-https://www.bio-rad-antibodies.com/blog/how-crispr-revolutionized-science.html
-실험진행 : 10/31~11/10-실험주제 : Active Transposition of Insertion Sequences in Prokaryotes: Insights from the Response of Deinococcus radiodurans R1 to Oxidative Stress-사용하는 균주 : Deinococcus radiodurans R1; UV, Desiccation 등의 oxidative stress에 대해 저항성을 가지고 있음10/31 화요일< Preparation of media (LA/LB & TGY broth-agar) >-실험과정 : 배지만들기1. 500ml TGY broth를 만들기 위해 1,000ml 병을 준비하기.(넘치지 않게 주의)500ml TGY plate를 만들기 위해 1,000ml 삼각플라스크를 준비하기.(넘치지 않게 주의) (LB, LA도 같은 방법으로 준비한다.)2. TGY broth 병에 Tryptone 5g, Glucose 0.5g, Yeast extract 2.5g을 넣고TGY 배지 삼각플라스크에 Tryptone 5g, Glucose 0.5g, Yeast extract 2.5g, Agar 7.5g을 넣기3. 마지막에 DW 500ml를 각각 넣고 TGY 배지 삼각플라스크에 마그네틱바를 넣기 (Agar를 넣으면 식으면서 굳기 때문에 마그네틱바로 섞어야 한다.)4. 호일을 반 접어 병뚜껑(꽉 닫지 말 것)과 삼각 플라스크에 덮고 십자 모양 만든 뒤 잘 막아 주 기5. 삼각플라스크 안에 있는 가루들을 섞어주고 그동안 autoclave D.W채우기. broth 병과 삼각플라스크를 넣고 전원 켜고 start 누르고 30°C가 되면 닫아주기6. 끝나면 stop을 누르고 78°C쯤 온도가 내려오고 압력이 완전히 0일 때 뚜껑열기 7. TGY broth는 실온에서 식힌 후 사용하기. TGY 배지는 꺼내어 교반기로 식히기 8. 클린벤치에서 petri-dish(배지)를 준비하기. 휴지를 반 접고 호일 버리고 삼각플 라스크 윗부분마이크로리터; λ = 람다) GPT buffer) 를 준비한다.3. 유전체를 뽑고자 하는 균을 overnight-culture(12~16h)시킨 후, EP-tube에 1.5ml씩 담고 2분간 centrifuge 시킨다. 그 후, 상층액을 모두 버린다.4. Lysozyme buffer 200μl를 넣고, pipetting으로 잘 섞어준다.5. 10분간 실내온도로 incubation시킨다. (2~3분마다 가볍게 흔들어줄 것)-Cell lysis : Lysis buffer는 세포막을 깨는 용도6. GB buffer 200μl를 넣고, 5초간 pipetting 해준다.7. 70°C incubator에 준비한 sample을 넣고 10분간 incubation시킨다. (3분마다 가볍게 흔들어줄 것) 이때, D.W를 70°C incubator에 넣어둔다.(elution) 그리고 Collection tube에 GB Column을 미리 끼워 넣고, labeling한다.-DNA Binding8. 에탄올 (96~100%) 200μl를 넣고, 즉시 vortexing으로 10초간 섞어준다.9. EP-tube에 담긴 sample을 준비한 GB Column에 넣는다.10. cap을 닫고 2분 30초간 centrifuge (14,000-16,000 x g) 시킨다. 그 후, 걸러진 액체를 버린다.-Wash : Column과 Bead에 부착된 DNA 떨어뜨리기11. W1 Buffer 400μl를 GB Column에 넣은 후, 2분간 centrifuge (14,000-16,000 x g) 시키고 걸러 진 액체를 버린다.12. (에탄올이 첨가된) Wash Buffer 600μl를 GB Column에 넣는다. 2분간 centrifuge (14,000- 16,000 x g) 시키고 걸러진 액체를 버린다.13. 에탄올 오염을 방지하고자 4분 30초간 centrifuge (14,000-16,000 x g) 시킨다.-DNA Elution14. EP-tube의 뚜껑을 자른 뒤 GB Column을 꽂아 넣는다고 본다. 비율이 1.8보다 낮을 시에는 상당한 양의 유기물질과 페놀 등이 함유되어 있음을 시사하며 이 경우 순수한 샘플이 획득되지 않음을 보여준다. 260/280은 DNA/단백질 비율로 ~1.8이면 오염이 안된 pure한 DNA로 보고 RNA를 보고자 할 경우 ~2.0이면 적합하다고 본다. 비율이 낮을수록 단백질 함량이 높음을 보여준다. 이로써 추출된 DNA의 quality를 알 수 있다.-걸러진 액체를 버릴 때, 에탄올이 덜 날아가서 DNA 추출농도가 잘 안 나온 거 같다.-PCR tube에 방울형태로 5가지 시약을 넣을 때 방울이 잘 안 되고 해서 어려움을 겪었다.-PCR 결과지를 보면 Tm값이 중요한데, 16S rRNA로 Tm이 56.5도일 경우 내가 원하는 서열까지 가는데 1492-27=1465. 1분 45초정도 걸린다. ( 1000bp(1kbp)=1분이다.)11/2 목요일< Agarose gel Electrophoresis >-O.D( opical density, 흡광도)O.D600에서 600은 파장이고 2.0이 가장 활발한 상태를 나타낸다.-H202얼만큼 넣을지 계산-CV=C'V'( C=진한 용액의 농도, C'=묽은 용액의 농도 / V=진학 용액의 용량, V'=묽은 용액의 용량 )ex) Aml X9.77M = 5ml X 200mMA = 0.1023ml = 102.3μl원액농도 9.77이 아닌 5.77이다.-전기영동전기영동은 DNA의 인산기가 음전하를 띠고 있는 성질을 이용한 것으로 전류를 흘려 보내주면 크기가 서로 다른 DNA 조각들이 이동 속도 차이를 보인다. DNA가 전장을 이동하는 속도에 가장 큰 영향을 받는 것은 분자량이다. DNA 무게가 가벼울수록 같은 시간 내에 더 멀리 이동할 수 있다. 그래서 DNA나 단백질이 출발 지점으로부터 얼마나 이동했는지 거리에 따라 이들의 크기를 계산할 수 있다.-실험과정-H2O2 treatment1. 균주를 O/N -> Main-culture 한다.2. Mian-culture OD600 값이 2.0이 될 에 떨어질 수 있기 때문이다.-전기영동을 하기 위해 gel위에 PCR이 섞인 용액을 넣어줄 때, 두번째 칸부터 시작해야한다. 첫번째 칸에는 leather buffer를 주입하는데, 이는 size marker로 일반적인 전기영동에서 사용되는 표준 전기영동 버퍼이다. 이는 DNA,RNA 또는 단백질 등의 시료 크기를 추정하는 데 사용된다. 왜냐하면 size marker는 전체 전기영동 과정 동안 일정한 위치에서 이동하므로, 이를 통해 시료의 크기를 추정할 수 있는 것이다.-겔의 홈에 용액을 주입할 때 잘 들어갔는지 나름의 확인 방법이 있는데, 그 상태에서 겔을 흔들어보면 용액이 잘 들어갔는지 알 수 있다.11/3 금요일< DNA sequencing analysis >EZ BIO CLOUD에서 16s rRNA analysis을 진행한다.Similarity는 Top-hit tazon과 일치하는 비율을 의미하고, Completeness는 sequence중에 읽은 비율이다.< Measurement of CFU >-CFU(Colony Forming Unit) assay1.과산화수소를 처리한 각각의 시료를 10*-4까지 1/10씩 희석하여 준비한다.2.평판 배지에 각 시료를 5 μl씩 일정한 간격으로 spotting 한다.3.배지가 마른 후, 배양기에 넣어 하루 동안 배양한다.4.희석배수에 따른 CFU 값을 계산한다.예를 들어) 10*-6까지 희석한 배지에서 28, 21개의 colony를 확인하였다.-> {(28+21)/2} X 10 X 10*-6 X 5 = 122.5 x 107 = 1.225x x 1091조 : 10*-3 까지 희석한 배지에서 3,890 / 3,590 / 3,993 / 2,240 개의 colony를 확인하였다. -> 1.714 X 1082조 : 10*-4 까지 희석한 배지에서 310 / 290 / 390 / 320 개의 colony를 확인하였다. -> 1.638X1083조 : 10*-5 까지 희석한 배지에서 30 / 29 / 20 / 45 개의 colony overnight-culture(12~16h)시킨 후, EP-tube에 1ml씩 담고 2분간 centrifuge (14,000-16,000 x g) 시킨다. 그 후, 상층액을 모두 버린다.2. FAPD1 buffer를 200ul 추가 후 pipetting을 통해 resuspension한다.3. FAPD2 buffer를 200ul 추가 후 pipetting을 통해 섞어준다. 그 후 실온에서 2~5분간 incubating(단, 실온에서 5분이 절대 넘어가지 않도록 주의한다.)4. FAPD3 buffer를 300ul 추가 후 즉시 5~10번 흔들어준다.(pipetting)5. 13,000rpm/5분간 centrifuge한다. 그 동안 FAPD column을 collection tube에 결합한 다.(labeling)6. 상층액을 column에 완전히 옮기고(650ul정도, 흰색 물질은 절대 옮기지 않는다.) 13,000rpm/2 분정도 centifuge하여 통과액을 버린다.7. W1(WP) 400ul 추가하여 centrifuge한 후 통과액을 버린다.8. wash buffer 700ul 추가하여 centrifuge한 후 통과액을 버린다.9. dry과정으로 13,000rpm/3분 centrifuge한다. 이후 FAPD column을 1.5ml tube로 옮긴다.10. 50~100ul DW를 추가하여 2분간 elution한다.11. centrifuge 후 추출된 plasmid의 농도를 측정한 후 보관한다.-결과DNA 농도 : 18.560.371 A2602.30 260/230(DNA/에탄올)1.99 260/280(DNA/단백질)-고찰-나노드롭을 결과를 보아, 에탄올에 오염되었을 수 있다.-FAPD1 buffer는 -4도에서 보관해야 하는데 RNaseA가 추가되어 있기 때문이다.-FAPD2 buffer는 SDS를 포함하고 있는 계면활성제로 실험과정에서 절대 5분을 넘지 않아야 한다! 왜냐하면 SDS는 세포막을 파괴하고 세포 내의 단백질과 같은 물질을 녹여내는데 사용되는데했다.