인간 유전체의 축소판 : 초파리 게놈

인간은 어디에서 왔을까? 아마도 인간이 자아를 갖고 이 지구상에 존재한 이후 줄곧 인간 자신에게 던지는 질문일 것이다. 다윈 이후 진화(evolution)의 개념이 생물학의 주류를 이루면서 이에 대해 수많은 연구의 결과, 오늘날에는 직접 생명의 지도라고 할 수 있는 유전자의 지도를 작성하는 단계에 이르렀다. 그렇다면 다음의 5s RNA nucleotide의 서열 분석으로 작성된 진화의 계통도에서 인간과 초파리는 어느 정도 가까우며, 또 이것이 우리에게 시사하는 바는 무엇일까?

2000년 8월 24일 미국 생명공학회사 '셀레라 지노믹스'사와 버클리대학 연구진은 그 동안 해독한 초파리의 게놈(genome)정보를 과학잡지 사이언스(http://www.sciencemag.org/content)에 발표했다. 이에 대해 언론은 인간유전자의 60%이상이 같은 유전자를 지닌 초파리유전자를 해독함에 따라 인간의 암을 비롯한 유전적 질병의 원인규명 및 치료법에 활용할 수 있을 것이라고 예견했다. 과연 조그만 초파리의 유전자 해독이 인간생명의 비밀을 푸는 열쇠가 될 수 있을까? 이에 대해 먼저 초파리에 대해 간략히 알아본 후, 초파리와 인간의 유사성에 관한 연구와, 초파리 게놈 분석 연구와 분석방법, 초파리 게놈의 생물학적 의학적 의미에 대해 알아보고자 한다.

유전학의 실험재료로 널리 사용되고 있는 초파리는 절지동물(Arthropoda), 곤충강(Insecta)에 속한다. 전세계적으로 약 2000종의 초파리가 알려져 있으며 우리나라에도 150여종이 있다. 그 중에서 노랑초파리(Drosophila melanogaster)가 대표적인 종이다. 초파리는 농가에서 누룩으로 식초를 만들 때 모여드는 성질 때문에 초파리라고 불리우게 되었는데, 과일 썩은 곳에도 잘 모이므로 과일 파리로도 불리며 이런 초파리의 종류 중 주택부근에 가장 많은 종은, 모건(Morgan)이 실험재료로 제일 처음 사용하기도 했던, 노랑 초파리이다. 이것은 몸빛이 노랑색을 띄는 까닭에 불리워진 이름이며, 학명은 드로소필라 멜라노 게스터 메이겐

초파리의 모양(www.fruifly.org)

(Drosophila melanogaster Meigen)이라고 한다. 계절적으로 초파리는 한여름에는 적고 늦은 봄, 이른 가을에 잘 번식한다.

이런 초파리의 유전학연구에 유리한 특징을 살펴보면, 흔히 보는 집파리(Hydei Sturdivant)와는 구별되게 3mm 남짓한 길이로 작고, 성장이 빠르며, 생명주기가 2주정도로 짧아 유전자 정보를 연구하는데 이상적인 조건을 갖추고 있다. 또한 초파리는 경제적인데, 모건은 빈 우유병을 모아 그 안에 초파리를 키우곤 했다고 한다. 이러한 기본적인 특징이외에 초파리는 염색체의 수가 적어서 염색체 지도 작성이 용이하며, 성염색체형이 사람을 포함한 일반적인 동물과 같고, 인위적인 돌연변이의 연구에도 적합하며, 또 진화기구의 연구에 적합하며, 서식처가 다양하여 전세계 어느 곳에나 있다. 이런 특징을 지닌 초파리의 게놈에 대해 알아보면, 한 쌍(X/Y)의 성 결정유전자와 3쌍(2L,2R,3L,3R,4)의 상동 염색체를 가지고 있으며, 1억 8천만 염기서열로 이루어져있고, 이중 유전자가 많이 존재하는 부분인 유크로마틴(euchromatin)부분(1억 2천만 염기서열)과 헤테로크로마틴 (heterochromatin)부분 (6천만염기서열)으로 이루어져있다. 이번 초파리의 게놈분석은 유전자가 많이 분포하는 것으로 알려진 유크로마틴 부분위주로 분석되었다.

이번 연구는 셀레라 제노믹스(Celera Genomics Corporation)의 크레이그 벤터(J. Craig Venter)와 미국 캘리포니아대학 버클리(Univ. of California Berkeley) 산하 하워드휴즈 의학연구소(Howard Hughes Medical Institute)의 제랄드 루빈(Gerald Rubin)이 이끄는 초파리 게놈 프로젝트 그룹(Drosophila Genome Project Group)의 학자들에 의해 이뤄 졌다. 초파리의 유전자 염기 서열 분석 연구는 지난 1991년에 시작되었으며, 지난 1998년 5월에는 초파리 게놈 프로젝트 연구팀이 미국 국립보건원으로부터 추가로 연구비 지원을 받아 이뤄졌다.

초파리 염기 서열 분석 작업은 셀레라 제노믹스가 참가하면서 새로운 전환기를 맞게 되었는데, 셀레라가 보유하고 있던 새로운 분석 기술, 즉 게놈산탄법(whole genome shotgunning)이라 불리는 것을 적용했기 때문에 가능했다. 이 방법에 관한 자세한 내용은 뒤에 설명하기로 하고, 이 방법으로 유전정보해독에 8년이 소요된 예쁜꼬마선충(C. elegans) 보다 더 복잡한 초파리를 같은 기간 안에 완전해독이 마무리 될 수 있었다.

하워드 휴즈 의학연구소의 루빈에 따르면, 이번에 규명된 초파리의 유전자 염기 서열 정보는 사람에게도 매우 유용하게 쓰일 수 있을 수 있을 거라 예견했다. 사람에게 질병을 유발하는 289개 유전자 결함 가운데 약 60%에서 70% 정도에 해당하는 유사 유전자(homologues)가 초파리에서도 발견되는데, 이 유전자들은 사람에게 발생하는 암에 관여하는 것들이라는 공통된 특성을 가진다. 파킨슨병(Parkinson's disease)에 관여하는 유전자의 유사체도 초파리에서 발견되었으며, 대표적인 종양 억제 유전자(tumor suppressor gene)인 p53의 유사체도 초파리에서 발견되었다. 또한 초파리는 인간과 유사하게 알코올과 코카인, 다른 마약에 대해 중독성을 보이며 24시간순환주기를 가지는 것으로 알려져있다.루빈에 따르면, 초파리 유전자 세 개 가운데 하나는 인간의 유전자와 동일하다고 볼 수 있다고 하며 현재 전 세계적으로 초파리를 연구 대상으로 삼고 있는 학자들의 수가 약 5,000 명 정도에 이르고 있는데 이번 연구 성과로 초파리를 대상으로 한 연구가 좀 더 활기를 띠게될 것 같다.

사람과 초파리는 얼마나 유전적으로 비슷할까? 실제 크기나 모양 면에서 언뜻 보자면 사람과 초파리는 너무나 달라 보인다. 그러나 유전학적인 관점에서 보자면 사람과 초파리는 상당히 많은 점에서 유사성을 보이며, 상대적으로 단세포 생물인 대장균이나 효모와 비교할 수 없을 정도의 많은 공유된 유전적 형질은 가진다. 초파리는 인간과 같이 중추 신경계를 가지며 눈, 다리, 심장 등 많은 부분에서 유사성을 보인다. 이런 형태적 유사성은 결국 유전자의 발현에 의해 결정되므로 인간과 공유된 유전적 형질을 가짐을 알 수 있다.

사실 이런 유사성의 기초 위에 수많은 인간유전자 유사체가 초파리에서 발견되고 있으며, 이로 인한 수많은 인간과 관련한 생물학적 의학적 연구가 진행되고 있다. 이러한 예로 초파리를 이용한 '수면장애 연구'와 '코카인 중독 에 관한 연구'를 들 수 있는데, 수면 장애 연구의 경우를 보면 곤충들도 수면을 취하며, 이들의 수면을 생화학적으로 분석함으로써 인간의 수면의 기작이나 수면 장애의 연구에 단서를 제공할 수 있을 것이라는 연구가 발표되었다. 캘리포니아 샌디에고에 위치한 신경과학연구소의 폴 제이 쇼(Paul J. Show)박사에 의하면 초파리에서도 포유류가 수면을 취할 때와 비슷한 행동학적, 분자생물학적인 변화가 관찰된다고 한다. 예를 들면 인간의 경우에서와 마찬가지로 카페인이나 항히스타민 제재에 영향을 받으며, 포유류의 수면과 기상을 조절하는 분자적 요소들의 일부를 공유한다고 한다.

또 다른 경우인 코카인 중독 연구의 경우를 살펴보면, 두 명의 유전학자가 초파리가 코카인(cocaine)에 대해서 나타내는 반응이 다른 동물들이 나타내는 반응과 동일한 방식을 보인다는 사실을 발견했다는 소식인데, 이들 동물에는 물론 사람도 포함된다고 한다. 이 연구는 미국 버지니아대학(Univ. of Virginia)의 유전학자인 제이 허쉬(Jay Hirsh) 박사와 콜린 맥클렁(Colleen McClung)이 수행했으며, 이들은 사람과 초파리가 코카인에 대해서 매우 비슷한 생화학적 경로(biochemical pathway)를 이용 사람에게 일어나는 코카인 중독 현상을 밝히려 하고 있다. 이렇듯 사람과 초파리는 많은 부분에서 유사성을 가지며, 이런 유사성의 기초 위에 현재 많은 유전학적 발생학적 연구들이 현재 진행되고 있으며, 더 많은 연구로 인해 인간에서 더 유용한 더 많은 새로운 사실들이 밝혀질 것이다.

1억 8천만개의 염기 서열을 가진 초파리의 게놈은 대장균이나 효모와는 달리 유전자 정보의 양이 상당히 방대함으로 기존에 게놈분석이 완료된 단세포 생물들을 분석하는 방법으로는 너무 많은 시간과 비용이 필요하다. 따라서 이런 단점을 보완하기 위해 사용된 방법인 셀레라의 '게놈 산탄법'과 '자동염기서열분석기' (automatic DNA sequencer)인데, 이런 방법적인 면은 그대로 인간 게놈 프로젝트(human genome project)에 사용될 수 있으므로 중요하다고 할 수 있다. 이런 방법적 면을 알아보기 앞서 먼저 유전자를 해독하기 위해서는 유전자 지도작성이 필수적이므로 이에 대해 알아보기로 하자.

유전자 지도란 비유하자면 복잡한 퍼즐 조각을 맞추기 위한 밑그림과 같은 것으로 유전자 규명에서 가장 기본적 일은 염색체상 유전자의 위치를 결정하는 일, 즉 지도 그리기 (mapping)이다. 유전자 지도 없이는 유전자의 DNA 염기서열을 정확히 배열하지 못할 것이며, 생물 종 사이의 방대한 유전 정보들을 서로 대응시키는 점에서도 유전자 지도는 필수적인 요소이다. 유전자 지도는 교차가를 기초로 작성한 linkage map에서 출발하여 오늘에는 mRNA로부터 합성된 cDNA와 염색체상의 위치 및 배열에 변이가 일어난 DNA 절편을 이용하여 유전자(exon)의 물리적 지도(Physical map)작성이 가능하게 되었다. 초파리의 유전자 지도는 이런 것들의 포괄적 방법으로 작성되었다고 할 수 있는데, 이는 초파리에 관한 연구가 기존 근 한 세기 동안 연구되면서 고전적 방법에서부터 현대적 방법으로의 분석이 광범위하게 이뤄졌기 때문이다.

그 중에서 셀레라의 유전자 지도 작성방법에서 대해 알아보자면 셀레라는 백클론(BAC clone)을 바탕으로 물리지도인 에스티에스 콘탠트 맵(STS content map)을 기초로 하여 유전자 지도를 작성하였다. 이 방법은 200~500사이의 염기서열로 초파리의 게놈 유전자 서열을 PCR(polymer chain reaction)이란 방법으로 유전자를 증폭한 후 물리지도상에 이렇게 증폭된 유전자의 위치를 인 시츄 하이브리다이제이션 (in situ hybridization)이란 방법을 이용해 초파리의 유전체 상에 특정 유전자의 위치를 결정하는 방법이다. 셀레라는 이 방법에서 특정 유전자를 옮기기 위해 운반체 역할을 하는 벡터 (vector)-특정 유전자를 옮기기 위한 운반체 역할-로 P1, COSMID, BAC (Bacterial Artificial Chromosome)을 이용하였다.

이렇게 유전자 지도를 작성하기 위해서는 DNA 시퀀싱(sequencing)을 해야 하는데 초파리는 앞에서도 언급했듯 게놈산탄법이란 방법으로 분석되었다. 이 게놈산탄법은 비유해서 말하자면 생명의 책 10권을 약 1000글자씩 포함하는 크기로 무작위로 찢은 다음 이를 수 천만장의 쪽지가 전체 책 속에 어디에 위치하는지 전혀 표시하지 않은 채 퍼킨엘머사(PE)가 제작한 자동염기서열 분석기로 읽어내는 방법이다. 좀더 자세히 알아보자면염색체를 DNase나 Sonicator로 무작위로 찢은 다음 이 DNA조각들을 적당한 벡터에 실어 클로닝(cloning)한다. 이렇게 클로닝한 유전자를 PCR(polymer chain reaction)로 증폭한 후 젤(gel)에 모세관(capillary)방식으로 쭉 펼친 다음, 퍼킨엘머사가 제작한 자동염기서열 분석기로 읽어 내려간다. 이렇게 읽은 염기서열 데이터를 컴퓨터에 저장 후 이를 기존에 구축된 DNA database와 이미 염기서열이 분석된 예쁜꼬마선충(C. elegans)나 효모(S. cerevisiae) 등과 초파리 유전자 DNA database를 바탕으로 슈퍼컴퓨터가 비교. 검토 후 유전자 지도의 정확한 위치에 재배열하여 생명의 책을 완성하는 방법이다. 여기서 셀레라의 유전자 발견(gene finding) 프로그램인 진스캔(Genscan)이나, 제니(Genie)에 의해 각각 17,464개의 유전자와 13,189개의 유전자가 추정되었으며, 이 데이터 중 제니에 의해 추정된 숫자인 13,189개의 유전자 수가 실험적으로 밝혀진 유전자들의 수와 더 일치하는 결과를 보여 제니에 의해 추정되어진 초파리유전자 수가 더 정확하리라 셀레라는 예측했다.

이번 연구로 인해 파리에서 포유류까지 생물학적인 과정의 보존, 유지는 초파리의 영향력을 인간의 건강에게까지 연장시킬 수 있게 되었다. 중요하지만 아직 밝혀지지 않은 포유류와 초파리 유전자에 대해 초파리에서의 유전적 연구의 축척은 초파리 자체의 연구에 많은 도움이 되었으며 초파리 유전자의 단백질 합성방식과 과잉 유전자 단백질 합성과정은 유전자들의 작용에 대한 설명으로써 분석되어 질 수 있었다. 똑같은 대사경로를 가지는 다른 유전자들은 비슷한 돌연변이 표현형, 단백질이 합성되는 방식 또는 그것의 표현형을 촉진하거나 억제하는 돌연변이 유전자 등으로 밝혀졌으며, 대사 과정은 유전적인 상위(epistasis) 연구를 기초 토대로 해서 분석되어졌다. 최근에 밝혀진 유전자 초파리 대사과정에서의 포유류와의 상동성은 대응하는 포유류의 대사과정을 통해 설명될 수 있다.

이러한 방식으로 초파리 연구는 암과 관련된 생물학, 세포의 생활사, receptor tyrosine kinase (RTK/RAS) signaling 등 포유류의 대사과정을 설명하는데 큰 영향을 미쳤다. 그러한 의미에서 완전한 게놈 염기 서열은 많은 새로운 유전자를 밝히는데 공헌했다. 파킨슨병을 유발하는 타우(tau)와 파킨(parkin)의 상동성, p53종양억제 유전자, 내분비계의 neoplasia type 1의 다양성을 가진 메닌(menin)유전자, 그리고 많은 질병을 일으키는 유전자들이 게놈 염기서열 연구로 인해 밝혀졌다. 이로 인해 긴 시간에 걸친 연구로 인슐린 상동성을 밝혀냈고, somatostatin, vasopressin, leutotropin, thyroid stimulating hormone, 그리고 다른 많은 유전자들의 조절 작용도 밝혀냈다. 초파리 생물학과 생리학의 많은 점들이 이 연구로 인해 밝혀질 것이며, 세포수준에 숨겨진 의문들, 생리현상, 유지, 몸 전체 기관들의 재생에 대한 의문들에 대해 놀라운 속도로 밝혀질 것이다. 예를 들어, 사람의 신장질환은 유체와 전자 전달계를 포함한 유전자의 결함과 연관이 있으며, 이러한 유전자들의 정향성(ortholog)은 초파리의 신장으로서 작용하는 말피기관의 작용과 생리현상에 대한 연구에 대한 미래를 더욱 밝게 한다. 그리고 척추 동물과 파리연구에 대한 행동, 신경조직의 퇴화, 노화 그리고 중요한 새로운 생물학적 이론과 경로가 나타날 약제에 대한 공동 연구가 일어날 것이다.

또 이런 생물학적인 의미 이외에 초파리 게놈 분석의 결과는 소위 '초파리 포스트 게놈 시대'를 촉진하고 있다. 왜냐하면 초파리의 게놈 분석 자체가 가지는 의미 보다, 이를 분석하고 단백질 수준에서 이해 할 수 있어야 이를 이용 수많은 인간 질병과 관련한 신약 개발과 같은 곳에 응용이 가능하기 때문이다. 이에 따라 현재 이를 바탕으로 대학뿐만 아니라 세계의 다국적 제약회사들이 앞다투어 암이나 비만, 대머리, 당뇨, 파킨슨병과 간은 질병유전자 발굴에 나서고 있으며, 이를 둘러싼 특허권 및 이에 파급되는 여러 경제적 효과를 선점 하기 위해 많은 연구가 이뤄지고 있다. 한 예로 노스캐롤라이나 대학(UNC-CH) 연구팀은 초파리를 통해 사람의 직장암 발생 원인을 알아내려고 하고 있다. 초파리를 통해 직장암의 유전자 및 작용기전에 대한 광범위의 연구가 진행되고 있으며, 또 앞으로 스탠포드 연구진과도 연계해 직장암과 관련된 단백질인 베타 카테닌(beta catenin)의 3차원적인 구조를 알아내려는 연구가 진행 중에 있다. 또 다른 예로 이와 관련한 연구를 수행하는 회사들 중에 우리 나라에도 초파리 유전자발굴에 앞장서는 회사가 있는데, 제넥셀의 김재섭 박사의 경우 초파리를 이용해 사람의 치매 및 간질병 유발 유전자의 기능을 세계최초로 밝혀 특허등록을 완료했다고 한다. 또 제넥셀의 경우 2001년 말까지 총 6만 여종의 유전자 기능상실 및 기능강화 초파리를 확보해 유전자 기능 검색용 카탈로그 역할을 하게 하며, 암, 당뇨, 비만, 파킨슨병, 대머리, 치매 등을 일으키는 유전자 검색용 모델 초파리를 자체 개발하고 있다고 한다. 이 회사의 경우 이를 이용 신약개발에 응용할 생각이며, 또 더 많은 유전자를 발굴 특허를 받을 계획이라고 한다.

이처럼 초파리 게놈 분석연구는 생물학 의학분야에서 뿐만 아니라 경제적 효과 면에서도 많은 영향을 미칠 것이다. 마지막으로 이번 연구로 인해 제레미 리프킨이 그의 저서 <바이오테크 시대>에서 말한 인류에게 도움이 되는 '낙관적 생명공학 시대'에 한층 다가서게 하는 발판이 될 것이라 필자는 기대한다.