[요약] 특정 염기서열을 인지하여 DNA를 절단하는 기능을 하는 제한효소로, 인간 세포와 동식물 세포의 유전자를 교정하는 역할을 하는 도구 DNA 절단 기능은 핵산분해효소도 가지고 있지만, 유전자가위는 특정 부위를 인식할 수 있기 때문에 차이가 있다. 유전자 교정은 인공 제한효소가 미리 특정한 조작이 되어 유전체에서 특정한 DNA 구간을 인식한 후 절단하고, 이를 보수하는 과정에서 원하는 유전자를 빼거나 넣으며 짜깁기하게 된다. 유전자가위는 특정 염기서열을 인지할 수 있고 해당 부위 DNA를 절단하는 인공 제한효소(restriction endonuclease)로, 인간과 동식물 세포의 유전자를 교정(genome editing)하는데 사용된다. 세대별 유전자가위 종류에는 1세대 유전자가위 징크핑거 뉴클라아제(ZFN), 2세대 탈렌(TALENs), 3세대 크리스퍼/카스(CRISPR/Cas9) 등이 있다. 1세대 유전자가위 징크핑거 뉴클라아제는 징크핑거(아연집게 단백질)와 3~4개의 뉴클레아제(핵산분해효소)가 결합한 것이다. 징크핑거는 아연(Zn)이 결합하여 손가락(finger) 모양이 된 단백질 구조로, 1985년에 아프리카 발톱개구리의 유전자 연구를 하면서 발견되었다. 특정 DNA 염기서열을 인식하여 결합이 가능한 징크핑거 단백질을 1990년대 중반에 6개를 엮었고, 이것을 세균들이 단백질 절단에 사용하는 제한효소 'Fokl'과 결합함으로써 DNA 인식능력과 절단능력을 결합한 1세대 유전자가위가 탄생하였다. 2000년대 초반부터는 징크핑거 뉴클라아제(ZFN)가 유전자 교정기술로 이용되기 시작하여 후천성면역결핍증(AIDS)·혈우병·알츠하이머병 등의 유전적 치료에 도움이 되고 있다. 2세대 유전자가위 탈렌은 비용이 많이 들고, 많은 오류 발생과 설계와 제작 과정이 복잡한 징크핑거 뉴클레아제의 문제점 개선을 위하여 식물성 병원체로 이루어진 잔토모나스(Xanthmonas)를 이용해 개발하였다. 탈렌을 구성하고 있는 아미노산 서열은 절단하려는 DNA의 염기서열과 일치되기 때문에 탈렌의 아미노산 서열을 변경하게 되면 결합 대상인 DNA의 염기서열도 바뀔 수 있어 서로 단백질을 맞춤으로써 변형이 보다 수월하다. 탈렌은 징크핑거 뉴클레아제 처럼 DNA를 절단하는 효소로 Fokl을 사용하는데, 2개의 결합체가 유전자 측면으로 접근한 뒤 이중나선을 절단함으로써 세포가 복구할 수 없게 만든다. 2009년 개발 이후 2011년 말부터 활용하기 시작한 탈렌 기술을 적용해 C형간염과 고콜레스테롤혈증 등과 같은 질병 모델을 만들었다. 3세대인 크리스퍼 유전자가위(CRISPR)는 2012년 말에 개발되었고, 교정하려는 DNA를 찾아내는 RNA(리보 핵산)와 DNA를 잘라내는 제한효소인 Cas9를 결합하여 만든 것이다. RNA가 안내 역할을 하며 교정을 목표인 DNA 염기서열을 찾아내면 DNA의 특정 부위를 Cas9가 잘라내게 된다. 이전 세대와 다르게 복잡한 단백질 구조가 없고 DNA 절단이 더욱 잘된다. 그러나 오작동에 대한 어떠한 보호 장치가 없기 때문에 목표했던 부분이 아닌 다른 부분을 자를 수 있으며 돌연변이가 생성될 수 있다는 치명적 위험이 존재한다. 그러나 이전에 유전자 하나를 잘라내고 새로 바꾸는 데 수개월에서 수년씩 걸렸던 작업이 크리스퍼의 개발로서 수일로 단축되었고, 동시에 유전자 작업이 다중으로 가능하게 되는 등 유전자 교정의 발전이 획기적으로 이루어졌다. 개발 후에는 각종 동식물의 형질 개량과 질병 치료, 해충 퇴치, 인간 배아의 유전체 교정 실험 등 여러 방면의 연구에 활용하고 있지만, 더불어 생태계 파괴나 윤리적 문제가 발생할 우려도 있다. 유전자가위는 다양한 유전 질환(에이즈, 혈우병 등)을 치료하고, 농작물의 품질 개량이 용이한 장점으로 인해 유전자 변형 식물(GMO)의 대안으로 주목받기도 하지만, 인간에게 있어 유전자 조작이라는 윤리적인 문제를 벗어날 수는 없다. 아무리 유전자가위가 정교하다고 해도 예측할 수 없는 부작용이 야기될 수 있다는 과학적 논란 역시 안고 가야 할 문제다.