어떤 동물에서 특정 유전자 하나만 쏙 빼버릴 수 있을까? 그것도 일부 세포가 아니라 그 생물을 구성하는 모든 세포에서 말이다. 만약 그럴 수 있다면 그 동물에서 빼버린 유전자가 어떤 기능을 하는지 알 수 있을 것이다. 특정 유전자가 없는 동물을 정상 동물과 비교하면 그 차이가 나타날 테니 말이다.
유전자 하나를 맘대로 빼내는 기술을 개발한 생물학자들이 올해 노벨 생리의학상을 받았다. 바로 미국의 마리오 카페키(70·유타대), 올리버 스미시스(82·노스캐롤라이나대) 교수와 영국의 마틴 에번스(66·카디프대) 교수가 그 주인공이다. 카페기, 스미시스 교수는 ‘유전자 적중’(Gene targeting) 기술을 이용해 ‘유전자 적중 생쥐’를 만들었고, 영국의 에번스 교수는 배아줄기세포로 이 기술을 한 단계 발전시켰다. 이들이 고안한 방법을 살펴보자.
특정 유전자를 없애거나, 다른 유전자로 바꿔치기하는 기술은 오래 전에 개발됐다. 병충해에 강한 작물이나 비싸게 팔리는 단백질을 만드는 식물 같이 유전자를 변형하는 ‘유전공학’이란 단어는 일반인에게도 생소하지 않다. DNA를 다루는 기술로 우리는 원하는 위치에 원하는 유전자를 집어넣기도 하고 빼내기도 한다.
그동안 유전자를 조작하는 기술은 매우 다양하게 발전했다. 그러나 그건 미생물을 대상으로 한 실험이거나 적어도 시험관에서 키울 수 있도록 만든 동물 암세포를 대상으로 했다. 이들은 매우 빨리 번식하기 때문에 즉각 반응을 확인할 수도 있고, 실험도 간단하다. 그러나 이 기술을 동물에 적용하려고 할 때는 문제가 복잡해진다. 누가 1조개가 넘는 동물의 모든 세포에서 특정 유전자를 빼낼 수 있겠는가.
따라서 동물을 대상으로 특정 유전자를 빼내려면 전체 세포 수가 적을 때, 즉 배아 상태일 때 교체하는 수밖에 없다. 유전자를 맘대로 조작하는 유전공학 기술과 배아줄기세포기술을 정교하게 결합해 탄생한 것이 이번 노벨상의 주제인 ‘유전자 적중 쥐’다.
먼저 없애기 원하는 유전자(‘A유전자’라고 하자)와 비슷한 ‘가짜 유전자’가 담긴 DNA 조각을 만든다. 진짜를 가짜로 바꿔치기하기 위해 짧은 DNA 가닥을 만드는 것이다. 그 다음 쥐의 배반포에서 배아줄기세포를 추출해서 여기에 가짜 유전자가 담긴 DNA를 넣고 전기 충격을 가한다. 이렇게 하면 일부 배아줄기세포에 DNA가 들어간다. 그리고 들어간 DNA의 가짜 유전자가 A유전자와 바뀌게 된다.
이젠 배아줄기세포 중에서 A유전자가 없는 세포만을 골라내야 한다. 가짜 유전자 DNA 조각이 모든 세포에 들어가는 것이 아니며, 들어갔다 해도 모든 가짜유전자가 A유전자와 바꿔치기에 성공하는 것은 아니기 때문이다. 이렇게 골라낸 배아줄기세포들은 모두 A유전자가 없는 세포들이다.
골라낸 배아줄기세포들을 미세피펫을 사용해 쥐의 배반포에 주입한다. 그리고 어미 쥐의 자궁에 배반포를 착상시킨다. 배반포는 어미 쥐의 자궁에서 아기 쥐로 자란다. A유전자가 없는 배아줄기세포도 함께 섞여 자라기 때문에 결국 태어난 쥐에는 A유전자가 없는 세포와 정상세포가 섞여있게 된다. 두 종류의 세포로 돼 있기 때문에 이 쥐를 ‘키메라 쥐’라고 부른다.
태어난 키메라 쥐의 수컷이 정자를 만들 수 있을 만큼 자라면 정상 쥐의 암컷과 교배시킨다. 키메라 쥐는 두 종류의 정자를 만든다. A유전자가 있는 정자와 없는 정자다. 정상 쥐의 암컷이 만든 난자와 A유전자가 없는 정자가 만나면 염색체의 절반에 A유전자가 없는 새끼 쥐가 탄생한다. 중학교 시절 배웠던 생물을 상기해 본다면 난자(A)와 정자(a)가 만나 유전자형 Aa인 쥐가 나오는 것이다.
이제 마지막 단계다. 유전자형 Aa인 쥐끼리 교배하면 유전자형 AA, Aa, aa인 쥐가 나온다. 이중 aa가 바로 우리가 원하는 몸 전체의 세포에 A유전자가 조금도 존재하지 않는 쥐다. 이들은 A유전자를 전혀 갖고 있지 않기 때문에 정상 쥐와 비교해 A유전자의 기능을 밝히는 실험에 사용할 수 있다. 게다가 유전자형이 aa인 생쥐끼리 교배시키면 항상 유전자형 aa인 생쥐가 나오기 때문에 두고두고 실험에 쓸 수 있다.
현재까지 약 500개 유전자에 대해 유전자 적중 쥐가 만들어졌다. 이들은 대부분 암, 당뇨병, 치매 같은 질병과 연관된 유전자를 없앤 쥐다. 과학자들은 서로 자기가 만든 유전자 적중 쥐를 교환하며 질병 치료를 위해 활발히 연구하고 있다. 앞으로 어떤 질병을 일으키는데 필수적인 유전자를 발견하면 그 유전자를 제거하는 방법으로 치료하는 시대가 올지도 모른다.
유전자 적중 쥐는 뇌 활동을 밝히는 데도 사용된다. 우리나라 신희섭 단장이 이끄는 학습 및 기억현상연구단은 유전자 적중 쥐로 신경세포의 칼슘 농도를 조절하는 유전자들이 학습과 기억에 어떤 역할을 하는지 연구하고 있다. 연구단은 쥐의 신경세포에서 신호를 전달하는 포스포리파아제C(PLC)를 생산하는 베타1 유전자를 제거하자 그 쥐는 대대로 간질에 걸린다는 사실을 알아냈다. 또 특정 유전자를 제거하자 미로 찾기를 잘 못하게 되거나, 공포감을 더 많이 느끼는 결과도 얻었다. 이처럼 유전자 적중 쥐는 유전자와 뇌 활동에 미치는 영향을 밝히는데도 도움을 준다.
최근 노벨상은 그 업적이 단회성에 그치지 않고 많은 영향을 준 연구결과에 부여되는 경우가 많다. 또 최근에는 개인보다 공동 연구를 통해 괄목할만한 성과를 낸 공동 팀에게 부여되는 예가 많다. 다른 과학자와 활발한 교류를 통해 창의력을 배가시키는 연구가 필요한 이유다. 매년 10월 열리는 가을 잔치에 우리나라 과학자가 호명되는 날을 기대해 본다. (글 : 김정훈 과학칼럼니스트) |
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