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[2007 노벨생리의학상, 유전자 표적/적중(gene targeting) 및 DNA 재조합(recombination) 기술의 발견, 배아줄기세포(embryonic stem cells)와 상동재조합(homologous recombination)으로 500 여 이상의 인간의 질병을 가진 생쥐 탄생, 이러한 질병을 가진 생쥐를 바탕으로 인간의 건강과 질병을 연구하는데 기여, 이미 1986년부터 유전자 적중된 생쥐(Knockout mice) 활용, 배아 발생 및 성장, 성인 생리학, 노화 및 질병을 일으키는 여러 가지 유전자들의 역할을 규명하는데 기여(Mario R. Capecchi, Martin J. Evans and Oliver Smithies for their discoveries of "principles for introducing specific gene modifications in mice by the use of embryonic stem cells"(15/Oct/2007)]
노벨 수상자를 선정하는 스웨덴 카롤린스카 연구소(The Nobel Assembly at Karolinska Institutet) 1)는 2007년의 노벨생리의학상 수장자로 미국의 마리오 R 카페키(70, Mario R. Capecchi) 유타대학(University of Utah) 인간유전학•생물학 교수, 올리버 스미시스(82,Oliver Smithies) 노스캐롤라이나대학(University of North Carolina at Chapel Hill 병리학 교수, 그리고 영국의 마틴 J 에번스(66,Martin J. Evans) 카디프대학(Cardiff University) 포유류 유전학 교수, 그리고 가 올해의 노벨 생리•의학상 공동수상자로 선정됐다고 발표했다. 2) 수상 이유는 "배아줄기세포를 이용해 쥐의 특정 유전자 조작(변형)을 가능케 하는 원리(principles for introducing specific gene modifications in mice by the use of embryonic stem cells)"를 발견한 공로이다.
[목차]
1. 요약, 유전자 표적/적중(gene targeting) ->유전자 적중 생쥐(knockout mice) 탄생
2. 상동재조합에 의한 유전자 조작/변형(Modification of genes by homologous recombination)
3. 생쥐 생식세포/배아 주를 만드는 핵심 키인 배아줄기세포(Embryonic stem cells - vehicles to the mouse germ line)
4. 두 가지 아이디어를 융합 - ES 세포에서의 상동재조합(Two ideas come together - homologous recombination in ES cells)
5. 유전자 적중 생쥐의 탄생-유전공학의 새로운 시대 열어(Birth of the knockout mouse - the beginning of a new era in genetics)
6. 유전자 표적/적중은 건강과 질병 연구에 활용(Gene targeting is used to study health and disease)
7. 3사람의 수상자
8. 그림으로 보는 ES 세포에서의 상동재조합
9. 용어의 정리
10. 불쌍한 쥐들을 위하여
1. 요약, 유전자 표적/적중(gene targeting) ->유전자 적중 생쥐(knockout mice) 탄생
2007년의 노벨생리의학상은 포유동물(mammals)의 배아줄기세포(embryonic stem cells)와 DNA 재조합(recombination)에 관한 일련의 획기적인 발견(ground-breaking discoveries) 공로를 인정해 수상자로 선정했다. 이들은 인간의 질병 연구를 위해 쥐의 특정 유전자를 이식하거나 변형시키는 유전자 표적/적중(gene targeting) 기술을 이용, 질병과 유전자의 관계를 연구하기 위한 유전자 적중 생쥐(knockout mouse)를 만들어 내는데 성공한 공로를 인정 받았다. 유전자 적중은 단일 유전자를 불활성화(inactivate)하는데 사용되는데, 이렇게 불활성화된 유전자 적중(knockout) 실험은 배아 발생 및 성장, 성인 생리학, 노화 및 질병을 일으키는 여러가지 유전자들의 역할을 규명하는데(elucidated) 필수적이다.
오늘날까지 포유류, 특히 인간의 유전자인 33,300 개 중 30%인 10,000 여개 이상의 쥐의 유전자가 완전 적중되었다. 따라서 앞으로 수년 안에 국제적인 연구에 힘입어 주의 전체 유전자가 완전 적중될 것(knockout mice)으로 보인다. 유전자를 불활성 시키면 발현이 안되어 그 유전자가 인간의 어떤 병을 유발시키는지를 알아 보기 위함이다.
또한 유전자 표적/적중은 쥐의 게놈 유전자 중 어떤 유전자도 원하는 대로 유전자 조작(DNA modification)을 할 수 있다. 이 유전자 조작을 통해 과학자들은 인간의 건강과 질병을 일으키는 개별 유전자들의 역할을 밝힐 수 있다. 이러한 유전자 적중을 이용한 유전자 조작을 통해 이미 인간이 갖고 있는 3,199가지의 질병 중 500개의 질병을 가진 500마리 이상의 모델 쥐를 탄생시켰는데, 심장혈관질환(cardiovascular), 퇴행성 뇌질환(neuro-degenerative diseases), 당뇨병(diabetes) 및 암 등이다.
2. 상동재조합에 의한 유전자 조작/변형(Modification of genes by homologous recombination)
우리 인간 몸의 성장과 기능에 대한 정보는 평생동안 유전자를 통해 전달된다. 우리 인간의 유전자는 아버지 어머니로부터 받은 24 쌍의 염색체로 패키징되어 있다. 그러므로 이러한 24 쌍의 염색체 간의 유전자 염기서열의 교환은 종족간의 다양한 유전자 변형(genetic variation)을 일으키는데 이는 소위 상동재조합(homologous recombination)이라 불리는 하나의 과정을 통해 일어난다. 이 과정은 진화를 통해 일어나고 있으며 이미 1958년 노벨생리학상을 수상한 Joshua Lederberg(1925~)에 의해 박테리아에서도 일어나고 있음이 증명되었는데, Lederberg는 "유전자 재조합 및 박테리아 유전자 물질의 조직에 발견(for his discoveries concerning genetic recombination and the organization of the genetic material of bacteria)"으로 그 당시 노벨생리의학상을 수상했다. 3)
마리오 R 카페키와 올리버 스미시스 교수는 이와 같은 상동재조합이 포유류의 세포에서 어떤 특정 유전자를 조작/변형시키는데 사용될 수 있을 것으로 확신하고 이 작업을 수행해왔다.
카페키 교수는 상동재조합이 주입된 유전자(introduced DNA)와 포유류 세포 안에 있는 염색체 사이에 일어나고 있음을 박혀냈다. 그는 망가진 유전자들이 주입된 유전자와 함께 상동재조합으로 치료된다는 것을 보여주었다.
스미시스 교수는 주로 돌연변이(mutated genes)된 인간의 유전자들을 치료하는데 몰두했다. 그는 유전된 혈관 질병(inherited blood diseases)들이 골수 줄기 세포(bone marrow stem cells)를 이용해 돌연변이를 일으키는 유전자를 복원 시킴으로써 치료될 수 있다고 확신하고, 실제로 실험을 시도하여, 내인성 유전자(endogenous genes)들이 그들의 발현 활동과는 관계없이 표적/적중 시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 이같은 사실은 모든 유전자들은 상동재조합으로 수정/변형(modification )될 수 있음을 시사하는 것이었다.
3. 생쥐 생식세포/배아 주를 만드는 핵심 키인 배아줄기세포(Embryonic stem cells - vehicles to the mouse germ line)
하지만 카페키 교수와 스미시스 교수가 연구한 세포 유형들은 실제로 유전자가 적중/표적된 동물을 만들 수 없었다. 따라서 또 다른 유형의 세포가 필요했는데 그게 바로 동물을 만들 수 있는 배아세포였다. 이 배아세포가 있어야 부모로부터 받은 유전자를 변형시킬 수 있는 것이었다.
이를 가능케 한 장본인이 바로 마틴 J 에번스 교수이다. 에번스 교수는 쥐의 배아 암세포(mouse embryonal carcinoma (EC) cells)를 집중 연구했는데, 이 쥐의 배아 암세포는 쥐의 종양(tumors)으로부터 나온 것이지만 어떤 종류의 세포로도 분화 성장시킬 수 있는 것이었다. 그는 이 EC 세포들이 쥐의 생식 주(mouse germ line)에 유전자 물질(genetic material)을 주입할 수 있는 핵심 키(게이트웨이)가 될 것을 확신했다. 그러나 초기 실험은 모두 실패했다. 그 이유는 EC 세포들은 암세포 이므로 비정상적인 염색체를 갖고 있어, 정상적인 생식 세포를 만들 수 없는 것이었다. 다양한 시도 끝에 에번스는 정상적인 세포들이 초기 쥐의 배아(early mouse embryos)에서 직접 배양될 수 있다는 사실을 발견했다. 이 세포들이 바로 차후에 알려진 배아줄기세포들이었다(embryonic stem (ES) cells).
자, 그 다음 단계는 이 ES 세포들이 실제로 생식 주를 만드는데 기여하고 있는지를 밝히는 것이었다. 첫번째 쥐에서 배아(Embryos) 또는 배반포기(blastocyst)를 추출해 두번째 쥐에서 추출한 ES 세포에 주입했다. 그 다음 양쪽 쥐에서 융합된 모자이크 배아(mosaic embryos)들을 세번째 대리모 쥐에 이식했다. 그러자 모자이크 세포에 의한 네번째 쥐들이 탄생한 것이었는데, 이들 새끼들에서 ES의 유전자들이 발현된 것이었다. 그리고 이들 유전자들은 바로 멘델의 법칙(Mendel’s laws) 4)에 따라 그대로 유전된 것이었다.
여기까지 이르자 에번스는 유전학적으로 ES 세포들을 변형하기 시작했다. 그 결과 에번스는 ES 세포들을 이용하여 새로운 유전자 물질을 갖고 태어난 쥐들을 탄생시킬 수 있었다.
4. 두 가지 아이디어를 융합 - ES 세포에서의 상동재조합(Two ideas come together - homologous recombination in ES cells)
이러한 연구 결과 1986년까지 과학자들은 모든 종류의 종들을 이용하여 최초로 주입된 유전자 표적/적중 ES 세포들을 만들기 시작했다. 카페키 교수와 스미시스 교수는 유전자들이 배양된 세포(cultured cells) 안에서 상동재조합에 의해 표적/적중 될 수 있음을 밝혀냈다. 에번스 교수는 이를 위해 쥐 생식 주를 만드는 핵심 키인 ES 세포를 제공했다. 따라서 이 두 가지의 아이디어를 융합하면 배아줄기세포를 이용한 상동재조합으로 유전자 조작된 쥐를 만들 수 있는 것이었다.
이를 위해 카페키 교수와 스미시스 교수는 쉽게 정체를 알아볼 수 있는 하나의 유전자인 hprt를 선택했다. 이 유전자는 Lesch-Nyhan 5) 신드롬이라 불리는 인간의 희귀병에 관여하는 유전자이다. 카페키 교수는 한발 더 나아가 유전자 표적/적중 방법을 더욱 연구하여 양성-음성(positive-negative selection) 선택이라는 새로운 방법을 발견했는데 이는 바로 오늘날 유전자 재조합 및 변형에 커다란 기여를 한 것이었다.
5. 유전자 적중 생쥐의 탄생-유전공학의 새로운 시대 열어(Birth of the knockout mouse - the beginning of a new era in genetics)
최초의 ES 세포에서의 상동재조합으로 유전자 적중된 쥐(gene-targeted mice)가 탄생한 것은 1989년이었다. 그 다음부터 유전자 적중 생쥐의 탄생수가 기하급수적으로 늘어났다. 그 이후로 유전자 표적/적중은 다양한 기술로 발전되었다. 그 결과 지금은 어느 특정 시간에만 활성화되는 돌연변이 유전자의 주입, 어느 특정 세포나 장기에 표적 유전자의 주입, 그 것도 발생 성장 기간이나 성인 동물에까지 주입할 수 있다.
6. 유전자 표적/적중은 건강과 질병 연구에 활용(Gene targeting is used to study health and disease)
거의 대부분의 포유류 생리학의 양상은 유전자 표적/적중으로 밝혀질 수 있다. 이 기술을 이용한 연구 활동들이 다양하다. 그 결과들을 여기에서 다 밝히는 것은 워낙 많아 불가능하다. 다만 여기에서는 노벨생리의학상을 수상한 이유와 요약만을 제공할 뿐이다.
유전자 표적/적중은 포유류의 태아 성장(mammalian fetal development)에 관여하는 수백가지 유전자의 역할을 기해하는데 많은 도움을 주고 있다. 카페키 교수의 연구는 포유류 장기 성장과 몸의 성장과 구조에 관여하는 유전자들의 역할을 밝혀 냈다. 따라서 연구 결과는 태어나면서 기능이 잘못된, 선천성 기형이 나타나는 원인 등 여러가지 질병의 원인을 알 수 있다.
에번스는 유전자 적중을 이용해 인간의 질병을 알아내기 위해 다양한 쥐 모델을 탄생시켰다. 특히 낭포성 섬유증(cystic fibrosis)을 위해 다양한 모델의 쥐를 탄생기켰으며 이 쥐 모델을 이용해 질병의 메커니즘 및 유전자 치료법(gene therapy)의 효과를 연구하는데 기여했다.
스미시스도 유전자 표적/적중 기술을 이용해 유전 질환으로 분류되는 낭포성 섬유증과 지중해 빈열(blood disease thalassemia), 고혈압(hypertension), 동맥경화증(atherosclerosis) 연구용 쥐를 만들어 낸 공로를 인정 받았다.
요약하면, 에번스 교수는 1981년 쥐의 수정란에서 초기 배아줄기세포를 추출해냄으로써 줄기세포치료와 유전자치료를 연구하는 발판을 닦았다. 카페키와 스미시스는 특정 유전자를 파괴하거나 주입하는 유전자 적중(gene targeting)을 통해 이런 질병 상태가 호전 또는 악화되는 것을 파악하여 유전자 이상에 의한 난치성 질환의 원인을 규명하는 데 기여했다. 연구소는 "유전자 적중은 향후 유전자의 기능에 대한 이해에 큰 영향을 미쳤으며 향후 인류에 큰 이득을 가져 다 줄 것"이라고 평가했다.
7. 3사람의 수상자
이탈리아 태생인 카페키는 1967년 하버드대학에서 생물물리학으로 박사학위를 취득한 이래 유타대학의 인간유전학ㆍ생물학 교수로 재직중이다. 영국 출신으로 1951년 옥스퍼드대학에서 생화학 박사학위를 받은 스미시스는 노스캐롤라이나대학의 병리학 교수로 일하고 있다. 셋 가운데 가장 젊은 에번스는 영국 카디프대학의 포유류 유전학과 교수로 생명과학대학 학장을 겸임하고 있다.
[그림 : ◇카페키◇스미시스◇에번스(왼쪽부터)]
노벨 생리.의학상 수상자는 알프레드 노벨의 유언에 따라 카롤린스카 연구소의 노벨위원회가 선정하며 상금은 1천만 크로네(130만 달러, 100만 유로)로 금메달과 상장이 주어지며, 상금은 3 사람에게 나누어 지급된다.
8. 그림으로 보는 ES 세포에서의 상동재조합
현재 특정 유전자를 파괴한 쥐(knock-out mice)와 특정 유전자를 주입한 쥐(knock-in mice)를 만들어 질환을 일으키는 것으로 의심되는 유전자를 밝혀내는 동물실험이 일반화되어 있다. 이를 통해 선천성 기형, 암, 당뇨병 및 자가면역질환 등 난치성 질환을 치료하는 연구가 획기적으로 발전하는 계기가 마련됐다. 이에 따라 특정 질환을 갖고 있는 500여종의 유전형질 변환 쥐가 의학실험에 쓰이고 있다.
다음 그림의 제목은 "생쥐에서의 유전자 표적/적중을 위한 방법"으로 노벨상위원회가 제공하는 것이며 6) 번역은 차원용 소장이 담당했다.
9. 용어의 정리
* 유전자 표적/적중(Gene targeting) - 특정 유전자를 파괴하거나 주입하여, 질병 상태가 호전 또는 악화되는 것을 파악하여 유전자 이상에 의한 난치성 질환의 원인을 규명함. 유전자 적중은 향후 유전자의 기능에 대한 이해에 큰 영향을 미쳤으며 향후 인류에 큰 이득을 가져 다 줄 것임.
* knockout은 특정 유전자를 파괴하는 것으로, 주입된 유전자와 상동 유전자를 사용하여 그 유전자의 기능을 알아보는 데에 사용하는 기술이다. 알아보려고 하는 표적 유전자의 결손(비발현, 불활성화)을 유발하는 DNA를 외부에서 주입 시킨 후 상동재조합을 일으키면 표적된 정상 유전자에 큰 결손과 동시에 완전 불활성화를 유도할 수 있는데 이를 knockout이라고 한다. 이러한 기술은 형질전환기술로 어떤 유전자가 완전히 제거된 복잡한 생물체를 만드는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 유전자 적중된 생쥐(knockout mouse), 즉 특정한 유전자가 영구적으로 불활성화된 생쥐를 만드는 것이다. 발생에 관여하는 유전자들을 Knockout 시킨 생쥐로 연구한 결과, 이들 유전자가 포유동물의 발생과정에서 정확히 어떤 기능을 하는지를 밝히는데 상당한 진전을 가져온 역할을 한다.
* knock-in or knockin 은 그 반대로 어떤 특정 유전자의 발현을 위해 주입하는 것으로, 이렇게 유전자가 주입된 쥐를 knock-in mice라 한다.
* knockdown은 간섭 RNAi와 같은 것을 이용해서 발현하는 mRNA를 퇴화시켜(degradation) 유전자 발현 양을 줄이는 것을 말한다.
*상동재조합(Homologous recombination) - 유전자를 불활성화하거나 생체에서 유전자의 역할을 규명하는 기술. 상동재조합의 과정은 다른 세포형태보다 배아줄기세포에서 더 편리하다. 표적 유전자와 유사하거나 동일한(상동인) DNA 가닥과 주입된 유전자를 주입하여 얻는다. 배아줄기세포에 주입하면 상동 DNA는 표적 유전자 서열의 유사함을 인식하고 주입된 유전자를 교체한다. 주입된 유전자는 다른 서열을 가지고 있고 그 표적된 유전자의 기능은 방해 받는다. 이 때 유전자가 적중(knock-out)되었다고 한다. 이 배아줄기세포를 배반포에 주입하고 다시 배반포를 대리모인 암컷 쥐에 넣어서 유전자가 적중된 쥐 개체를 만들 수 있다. 유전형질조작 쥐와 다른 동물을 만드는 방법이다. 이 실험은 어떤 유전자가 살아 있는 동물에서 어떤 역할을 하고 상호영향을 주는 지 이해하는데 필수적이다.
* Transformation과 Transfection - 제일 큰 차이는 host cell이다. transformation 같은 경우는 박테리아 셀 내에 외래 DNA를 주입하는 것이고 transfection은 동물 세포에 주입하는 것을 말한다. 동물세포에는 transformation 이 아닌 transfection이란 용어를 사용하는 이유는 동물세포에서의 transformation은 세포를 continuous cell line로 변형시킨다는 의미를 이미 가지고 있기 때문이며, 처음에 동물세포에 이뤄진 외래 DNA주입 실험이 phage DNA를 벡터로 사용해 이뤄졌기 때문에 바이러스 infection에서 어미를 따서 transfection 이란 용어를 사용하게 되었다
* 줄기세포(Stem Cell) - 특화 되지 않은 세포로 무한정 분화(분열)될 수 있어 인체 내의 특화세포로 성장할 수 있다(An unspecialized cell that has the ability to divide for indefinite periods of time, and can also give rise to specialized cell types in the body). 줄기세포는 210종류의 모든 인체 장기로 자랄 수 있는 근원세포로 이를 만능 세포(Pluripotent cell)라고도 한다. 무한히 분열하고 증식하며, 어떤 종류의 세포로도 분화할 수 있는 두 가지 능력을 갖췄다. 어디서 얻느냐에 따라 배아 및 성체(adult) 줄기세포로 구분한다.
* 배아 줄기 세포(Embryonic stem cell) - 배아에서 추출한 줄기 세포로 인체 내의 모든 세포로 분화할 수 있는 만능 세포이다(Stem cells taken from the embryo that have the potential to make most cell types in the body).
* 성인(체) 줄기 세포(Adult stem cell) - 성체 조직인 골수, 피부, 근육 등에서 추출한 줄기 세포로 이 또한 특화 되지 않은 세포이다. 하지만 배아 줄기 세포와는 달리 한정된 특화 세포로만 성장할 수 있다(Stem cells taken from adult tissue (i.e. bone marrow, skin, muscle etc.). Adult stem cells are undifferentiated cells found in a specialized tissue. They have the ability to make a limited range of specialised cell types).
* 재생 의학(Regenerative medicine) - 줄기 세포들은 병에 걸리거나 손상된 조직들을 대체할 수 있다. 예를 들면 파킨슨병(중풍)의 현재 치료 방법은 없다. 따라서 줄기 세포가 손상된 신경세포를 대체할 수 있을 것으로 기대된다(It is hoped that stem cells will be able to replace/replenish tissue that has been diseased or damaged. For example, in Parkinson’s disease for which there is no effective current treatment, it is hoped that stem cells will be able to replenish the damaged nerve cells).
* 차별화(특화, Differentiation) - 특별한 임무를 수행하기 위해 차별화 된 세포들의 프로세스(The process by which cells become specialized to perform particular tasks).
* 자기 재생(Self-renewal) - 하나의 줄기 세포가 무한정으로 분화(분열)하거나 스스로 자기 복제하는 것(The ability of a stem cell to divide and produce copies of itself, for an indefinite period of time).
* 만능(Pluripotent) - 하나의 줄기 세포가 인체 내의 다양한 세포로 성장할 수 있는 능력(The ability of a stem cell to give rise to the many different cell types of the body).
* 배반포기(胚盤胞期, blastocysts) : 수정란이 분화되어 하나였던 난자(oocyte)는 2개→4개→8개→16개 등으로 분열한다. 난자의 세포가 늘어나는 것이다. 128개 정도까지 난자 세포가 늘어나는 단계를 배반포기(胚盤胞期)라고 한다. 인간의 경우4~5일 발달한 단계로, 안쪽에 장차 각종 장기로 자랄 내부 세포 덩어리가 있다. 이 세포 덩어리를 떼내어 성장시키면 줄기세포가 된다. 현재 과학자들이 추출하는 방식은 배반포기에서 추출하는 것이다. 그 이유는 배반포기까지가 시험관에서 키울 수 있는 한계라는 게 연구자들의 말이다. 인공적으로 자궁과 같은 환경을 만들어 주기 어렵기 때문이다.
* 배아(胚芽, embryo) : 수정란이 된 뒤 14일까지 수백 개의 세포로 분열되는 상태이다. 이 세포를 떼내면 줄기세포가 되지만 인공적으로 자궁과 같은 환경을 만들어 주기 어려워 이 완성된 줄기세포를 추출하는 것은 현재의 기술로 불가능하다.
10. 불쌍한 쥐들을 위하여
수많은 쥐들이 인간을 위해 탄생하고 죽어간다. 이러한 쥐들을 위해 2002년부터 국제적인 World Rat Day 7)를 정해 쥐들을 위한 잔치를 벌이자는 운동이 일었다. 사실 쥐들은 인간을 위해 아주 영리한 동물이다. 인간의 유전자와 80%가 같기 때문에 8) 1차 임상시험은 모두 쥐가 책임진다. 그 다음 2차 임상시험은 인간의 유전자와 98.8%가 같은 9) 원숭이/침팬지가 책임진다. 2008년의 국제 쥐의 날은 4월 4일이지만 나라 마다 마음대로 정할 수 있다. 한국은 제가 알기로는 10월의 어느 날이다. 다음 사이트에서 다양한 쥐를 축하해주는 이미지들을 다운 받을 수 있다. 10) | 