DNA 생명공학 기술은 어떻게 활용될까?(복제,줄기세포 등)

저번 글에서는 유전자 발현 분석과 기능 결정에 대해 알아보았습니다. 이번 글에서는 복제된 생물체, 줄기세포의 이용, DNA 생명공학 기술의 응용에 대해 공부하겠습니다.

1. 복제된 생물체와 줄기세포의 이용

 다세포 생물체 복제에서 이 '복제'(cloning)라는 것은 한 개의 세포를 공여한 부모와 유전적으로 같은 생물체를 하나 이상 만드는 것을 의미합니다. 유전자 클로닝이나 무성생식 세포를 유전적으로 같은 세포로 분열하게 하는 세포 복제(cell cloning)와 헷갈리지 않게 개체 복제(organismal cloning)라고도 부릅니다. 개체 복제가 주목받는 이유는 여러 조직으로 분화 가능한 줄기세포를 만들 수 있다는 기대 때문입니다. 여기서 줄기세포(stem cell)는 스스로 무한정으로 재생되고 하나 이상의 특정 세포로 분화 가능한, 상대적으로 특정화되지 않은 세포를 의미합니다. 줄기세포는 손상된 세포를 재생할 수 있는 잠재력이 있습니다.

-식물 복제: 단일 세포 배양

 초기 기술에 대해 먼저 살펴보겠습니다. 1950년대에 당근의 분화된 세포에서부터 완전한 생명체의 복제에 성공했습니다. 뿌리에서 얻은 분화된 세포를 배양액에 넣으면 정상 성체 식물로 자랄 수 있었다는 것입니다. 부모 식물과 유전적으로도 동일했습니다. 이것을 통해 분화가 DNA 상의 비가역적 변화와 반드시 관련되지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 적어도 식물에서는 성숙한 세포가 역분화해서 성숙한 생명체의 모든 세포를 만들 수 있으며, 이러한 잠재력을 가진 세포를 전능성(totipotent)이 있다고 합니다. 식물 복제는 농업 분야에서 다양하게 활용되기도 합니다.

-동물 복제: 핵 이식

 동물의 분화된 세포는 배양 상태에서는 분열하지 않고 더 이상 새 생명체의 세포로 발생하지 않습니다. 따라서 이 세포가 전능성을 갖는지 확인하기 위해 난자의 핵을 제거하고, 분화된 세포의 핵으로 대체하는 핵 이식(nuclear transplantation) 방법을 사용합니다. 분화된 공여세포가 온전한 유전적 능력이 있다면, 수용체 세포는 생명체의 모든 조직과 기관을 발생시킬 것입니다. 연구자들은 대부분의 동물에서 핵의 능력은 배아 발생, 세포분화의 진행에 따라 더 제한된다는 것을 알아냅니다. 이것은 줄기세포 기술을 이끌 토대가 되었습니다.

포유동물의 생식적 복제

 과학자들은 초기 배아로부터 얻은 핵, 세포를 이용해 포유동물을 복제할 수 있었습니다. 1997년 스코틀랜드 과학자들은 분화된 젖샘 세포의 핵 이식으로 성체 양으로부터 돌리(Dolly)를 복제했습니다. 초기 배아를 대리모에 이식하고, 수백 개의 배아 중 하나가 정상 발생을 완료해 돌리가 태어난 것입니다. 즉 핵 기증자의 유전 복제체입니다. 돌리는 6살 때 폐 감염으로 인한 합병증을 앓고 안락사 받았습니다. 그 이후로 과학자들은 새로운 개체를 얻는 목적으로 여러 포유동물에서 복제를 해냈습니다. 이를 생식적 복제(reproductive cloning)이라고 합니다. 이 실험들을 통해 복제된 같은 종의 동물도 항상 똑같게 보이거나 행동하지 않는다는 것입니다. 또 다른 복제된 개체의 예시로는 탄소(carbon)로 된 복자(copy)용 먹지에서 이름을 딴 씨씨(CC)라는 고양이입니다. 이 고양이는 배아 발생 과정에서의 무작위적 X 염색체 비활성화에 의해 색과 무늬 형태가 어미와 다릅니다.

후성 유전학적 차이로 인한 복제 동물의 유전자 조절 결함

 핵 이식 연구에서는 적은 비율의 복제 배아만 정상적으로 발달, 출생하며, 많은 클론 동물들은 결함을 보입니다. 예를 들면 클론 생쥐는 비만, 폐렴, 조기 사망, 간 이상 등의 경향이 높습니다. 그렇다면 원인은 무엇일까요? 완전 분화된 세포의 핵에서는 낮은 비율의 유전자만 작동하고 나머지 유전자의 발현은 억제되어 있습니다. 히스톤의 아세틸화, DNA의 메틸화 등 후성적 변화(epigenetic change) 때문입니다. 핵 이식 과정 동안, 발생 초기에 유전자의 발현과 억제를 적절히 하려면 공여 동물의 핵에서 일어난 후성적 변화가 대부분 수정란의 핵 상태로 되돌려져야 합니다. 복제 동물의 배아세포의 DNA는 대조군 정상 배아보다 메틸기가 더 많았습니다. 즉, 공여 핵의 재프로그래밍은 복제 과정 동안 일어나는 것보다 더 완전한 염색질 재구성이 필요하다는 것을 보여줍니다. DNA의 메틸화는 유전자의 발현을 조절하기 때문에 공여 핵의 DNA 상에서 잘못 배치된 메틸기는 정상적 배아 발생에 필요한 유전자 발현을 방해할 수 있습니다.

-동물 줄기세포

배아와 성체 줄기세포

 인간 배아 복제의 주목적은 생식이 아닌 인체 질환을 치료하기 위한 줄기세포를 제작하기 위해서입니다. 그리고 이 줄기세포를 이용해 손상된 기관을 고치는 세포를 고급하고자 하는 것입니다. 초기 단계의 동물 배아는 모든 세포로 분화 가능한 줄기세포를 가집니다. 이것은 배반포 시기의 초기 배아로부터 이를 분리해 낼 수 있으며, 배아줄기세포(embryonic stem cell)라고 합니다. 배아줄기세포는 무제한적으로 재생하고, 생식세포를 포함한 수많은 세포로 분화 가능합니다. 이것을 다능성(pluripotent)이 있다고 합니다. 성체도 역시 줄기세포를 가지며, 이것을 성체줄기세포(adult stem cell)라고 합니다. 성체줄기세포는 필요에 따라 재생되지 않는 특정 세포를 교체하며, 특정 조직으로만 분화 가능합니다. 과학자들은 성체의 뇌가 특정 종류의 신경세포를 지속적으로 만드는 줄기세포를 포함하고 있다는 것을 발견했습니다. 성체 동물은 적은 줄기세포 수가 있지만 이 조직들에서 세포를 분리하는 방법을 밝히는 중이라고 합니다.

역분화 줄기세포

과학자들은 분화된 세포를 레트로바이러스를 이용해 만능성을 가진 배아줄기세포로 형질전환하는 데 성공했습니다. 역프로그램된 세포는 유도 만능 줄기세포(induced pluripotent stem cell, iPS cell)라고 합니다. 유도 만능 줄기세포는 대부분의 배아줄기세포의 기능을 수행할 수는 있으나 세포 기능에서는 조금 다릅니다. 인간 iPS 세포는 질병으로 고통받는 환자들의 세포를 iPS 세포가 되도록 재프로그램할 수 있습니다. 그리고 환자의 세포를 iPS 세포로 재프로그램하고 기능을 잃은 조직을 대체하는 데 사용될 수도 있습니다.

2. DNA 기반 생명공학 기술의 응용

-의학적 응용

DNA 기술은 유전 질환의 원인인 유전자의 돌연변이를 증명할 수 있습니다. 따라서 질병을 진단, 처방, 예방까지 할 수 있습니다. 우선 감염 질환의 진단에는 PCR과 표지된 핵산 탐침이 유용합니다. 예를 들면 HIV의 RNA 유전체 염기서열이 알려져 있으므로, RT-PCR를 이용해서 혈액, 조직 시료 등에 소량으로 있는 HIV RNA를 증폭, 검출 가능합니다. 또한 PCR과 클론화된 질환 유전자에 부합하는 프라이머들을 이용해 유전적 질환을 진단할 수 있습니다. 유전자를 증폭해 염기서열을 분석하면 낫모양적혈구빈혈증, 혈우병 등의 질환 환자인 경우 증상이 나타나기 전에도 알 수 있습니다. 또한 SNP도 유전체 연관성 연구를 통해 찾을 수 있습니다. SNP가 있으면 심장병이나 알츠하이머, 여러 암 발병과도 관련 있습니다. 유전정보 프로파일(genetic profile)은 SNP 등의 유전적 표지자들의 모음으로, 개인의 유전정보 프로파일에 근거해 질병의 위험성, 처방 정도가 결정될 수 있을 것입니다.

-인간 유전자 치료 및 여러 분야에의 활용

유전자 치료(gene therapy)는 치료 목적으로 유전자를 환자에 도입하는 것으로, 단일 유전자 결함에 의한 질병 치료에 도움이 됩니다. 결함 유전자에 상응하는 정상 대립유전자는 질병에 영향 받은 조직의 체세포 내로 도입될 수 있습니다. 체세포의 유전자 치료가 영구적이려면 정상 대립유전자를 받은 세포가 환자의 일생 동안 분열되어야 합니다. DNA 기술은 치료 용도가 있는 호르몬 단백질과 다른 단백질의 세포 배양을 통한 대량 생산에도 이용됩니다. 치료용 단백질의 어느 종류는 형질전환(transgenic) 제약 동물에서 생산되기도 합니다. 앞서 언급된 유전 프로파일을 사용하면 용의자의 혐의 입증에 뚜렷한 증거를 제공할 수 있습니다. 이 분석은 친자 감별 논쟁이나 범죄 피해 흔적 확인에도 유용합니다. 유전적으로 조작된 미생물체는 환경에서 광물질 추출, 독성 폐기물 분해에도 사용 가능합니다. 농업 생산, 식품 질 개선 위해 형질전환 식물과 동물을 개발하기도 합니다. 물론 재조합 DNA 기술의 발달로 생길 수 있는 위험성에 대해서는 많은 논의가 필요합니다. 이렇듯 이번 글에서는 생물체와 줄기세포의 복제, 그리고 DNA 기반 생명공학 기술의 응용에 대해 알아보았습니다. 다음 글에서는 유전체의 진화에 대해 알아보겠습니다.