유전자 편집은 다양한 종류의 생물체에서 게놈 DNA에 대해 정밀한 수정을 가능하게 하여 분자생물학을 획기적으로 변화시켰다. 유전자 편집 기술은 특정 DNA 서열을 추가, 제거, 또는 변형할 수 있게 하며, 유전자 녹아웃, 치료 목적의 유전자 교정, 표적 유전 형질의 설계 등 다양한 응용 분야를 포함한다. 이러한 기술은 주로 두 가지 DNA 복구 기전에 의존한다. 즉, 정밀한 게놈 변화를 가능하게 하는 상동성 유도 복구(homology-directed repair, HDR)와, 종종 결실이나 프레임시프트 오류와 같은 돌연변이를 초래하는 비상동 말단 결합(non-homologous end joining, NHEJ)이 그것이다. 다양한 유전자 편집 플랫폼 가운데 CRISPR-Cas 시스템은 단순성, 저비용, 효율성에 기인하여 가장 널리 사용되는 체계로 부상해 왔다. 본 총설에서는 CRISPR-Cas 시스템에 특히 중점을 두면서 유전자 편집 기술의 발전 과정을 제시하고, 유전학, 생명공학, 농업, 의학에서의 확장되는 응용을 다룬다. 또한, 새롭게 부상하는 경향을 개괄하는 고도화된 유전자 편집 접근법에 대해서도 논의한다.

정상적인 감수분열기 이중가닥 절단(double-strand break, DSB) 수복 과정에서 대부분의 DSB는 엄격하게 조절된 5' 말단 절단(5' end resection)을 거치며, 그 결과 3' 단일가닥(single-stranded, ss) DNA 꼬리가 생성된다. 이러한 꼬리는 Rad51과 Dmc1 필라멘트로 조립되어 상동성 탐색과 가닥 교환을 촉진함으로써 재조합을 가능하게 한다. 그러나 대부분의 교차(crossover) 및 비교차(noncrossover) 과정과 관련하여, DSB에서 ssDNA의 3' 말단에서 국소적 DNA 합성이 발생하는지, 그리고 재조합 부위에서 DNA 중합효소가 관여하는지는 DNA 수준에서 명확하지 않았다. 이에 우리는 재조합 사건의 물리적 분석, 티미딘 유사체의 시간적 주입, 초해상도 현미경 영상화를 통해 Saccharomyces cerevisiae에서 재조합-연동 DNA 합성(meiotic recombination-coupled DNA synthesis, MRDS)을 조사하였다. 그 결과 DNA 중합효소 δ(DNA polymerase δ, Pol δ)가 end-primed 합성(end-primed synthesis) 활성에 의해 초기 D-loop를 연장하는 데 필요함을 확인하였다. 특히 Pol δ에 의해 매개되는 MRDS는 이중 홀리데이 접합(double Holliday junction) 및 비교차 형성 모두에 대해 침윤(invasion) 이후 단계들을 촉진한다. 우리는 MRDS가 end-primed 합성을 통해 displacement-loop/single-end 침윤 연장을 위해 요구되며, 선도 가닥(leading strand)과 상보 가닥(complementary strand) 사이의 정확한 염기 짝맞춤을 보장한다는 점을 추정하였다. 본 연구는 MRDS에서 Pol δ의 결정적 역할을 강조하며, 침윤 이후 단계에서 재조합의 강건한 조절 양상을 보여준다.