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유전체 기능을 알고 싶다! |
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김사열(ghimsa@knu.ac.kr) |
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우리가 살고 있는 지구촌에서 2000년에 일어난 10대 뉴스에 '유전자 의학시대의 개막'은 반드시 끼어 있다. 물론 그 시대의 핵심은 게놈 연구의 분야로부터 시작되었다. 사실 한 생명체 전체의 유전자 정보를 안다는 것은 새로운 세계를 열기에 충분하지만, 그 정보의 의미를 올바르게 해석할 수 없다면 아직 그 정보는 그다지 쓸모가 없는 셈이다. 바로 그 해석되지 않은 정보에 생물학적 의미를 부여한다는 것은 유전체를 이루는 각 유전자들의 정체를 밝히는 것을 이른다. 바로 그것은 각 유전자 기능의 연구로부터 이루어질 수 있다. 그렇지만 일단 생명체의 전체 게놈을 확보하면 이제까지와는 다른 여러 가지 방법으로 유전자에 대한 입체적인 기능의 해명이 가능하고, 기능을 알게 된 유전자를 써서 다양한 응용을 시도할 수 있는 것이다. DNA 칩도 그 한 가지 응용의 좋은 예라고 할 수 있다.
포스트 게놈 시대의 개막 우리가 흔히 말하는 게놈 연구는 유전자의 염기서열 결정을 이른다. 그런데 이 정보는 생명현상을 해명하려는 본격적인 기능연구와 그 응용을 위해서는 단지 기초적 자료일 뿐이다. 만약 게놈연구를 집짓기에 비유한다면, 염기배열의 결정은 기초 지반 공사에 불과한 것이다. 안타깝게도 현재 헤모필루스 인플루엔자에(Haemophilus influenzae)를 포함하여 염기배열의 해명이 완료된 대부분의 게놈 프로젝트는 조직적인 유전체 기능 연구의 분야로 발전되어 이어지지 못하고 있다. 실제적으로 효모(Saccharomyces cerevisiae)와 고초균(Bacillus subtilis)의 경우만 염기배열의 결정이 완료된 후, 현재 국제적인 연구 그룹의 협력 하에서 체계적으로 전체 유전체를 대상으로 하여 기능 연구가 진행되고 있다. 유전체 연구의 그야말로 본 게임에 속하는 미지의 유전자에 대한 체계적인 기능 연구는 물량 공세나 신속함보다는 창의적인 연구능력이 있는 다수 그룹의 협조가 없이는 불가능하기 때문이다. 어쨌든 미지의 유전자에 대한 기능연구 분야는 포스트 게놈 시대의 주역으로 부상하게 되었다.
유전체 기능의 체계적 연구 고초균 게놈의 경우 전체 염기배열의 분석 결과, 4,100개의 유전자가 있음이 1997년에 밝혀졌다. 유럽의 18개 연합 기능연구 그룹은 그 중 850여 개의 기능이 전혀 예상되지 않는 유전자 후보들을 대상으로 기능연구를 체계적으로 수행해 오고 있다. 일본에서도 8개의 연구실에서 자신들이 염기배열을 해석했던 부분에 위치하는 기능 미지의 유전자에 대한 기능 연구를 수행해 오고 있다. 유럽의 경우, 먼저 대상 유전자들을 모두 하나 하나 염색체 상에서 제거해 가는 돌연변이체의 제작을 하고, RNA 분석을 거쳐 해당 발현 단백질의 성질을 여러 연구실에서 서로 다른 종류의 분석을 실시하는 방식으로 기능 해석을 시도하고 있다. 실제적으로 한 돌연변이체 당 전체 300가지 이상의 다른 종류의 기능 분석이 가해지고 있다. 한 가지 놀라운 사실이 기능 연구를 통하여 알려졌다. 그 동안 고초균 연구 분야에서 포자 형성 연구는 거의 완벽하게 연구되었다고 알려졌다. 약 20여 개의 유전자 산물이 서로 얽혀져 신호를 주고받으며 포자형성에 관여한다는 것이었다. 1997년 7월 국제 고초균 학술대회장에서 당시까지 유럽의 연구 그룹이 850 개의 미지 유전자중 326개 돌연변이체를 제작하여 포자 형성과의 관련 여부를 분석해 보았는데, 약 50여 개의 전혀 새로운 유전자에서 포자 형성 관련 신호를 보였다는 것이다. 만약 기능 연구가 완료된다면, 얼마나 복잡한 경로가 포자 형성이라는 한 가지 생명 현상에 보다 입체적으로 얽혀질 것인가를 잘 시사해주는 연구 결과였다. 이제 인간은 게놈 수준의 기능 연구를 통하여 생명 현상에 대한 보다 복잡한 차원의 근접한 합리적 해석들을 쏟아 낼 전망이다.
프로테옴과 프로테오믹스 유전자 기능 연구 분야 중에서 최근 각광을 받는 것은 프로테오믹스(proteomics)이다. 프로테오믹스는 주어진 환경 속에서 게놈에 의하여 발현되는 단백질을 분석하여 그 기능을 알아내는 연구를 의미한다. 프로테옴(Proteome)은 단백질(protein)과 게놈(genome)을 결합하여 만든 용어이다. 게놈이 유전정보인 DNA의 총체를 이른다면 프로테옴은 단백질의 총체를 의미한다 하겠다. 게놈은 개체마다 유일하지만, 프로테옴은 한 개체에도 주어진 조건이나 환경에 따라 수없이 많이 존재한다. 게놈이 생명체 설계도의 해독이라면 프로테옴은 기능단위의 총체적 해독을 이른다 하겠다. 현재 염기배열의 해독 분야를 지칭하는 게놈의 연구는 대체로 미국 연구팀들이 주도하고 있지만, 프로테옴의 연구는 호주, 스위스, 덴마크 등의 연구 그룹이 선도하고 있다. 기존의 알려진 단백질 연구에는 다량의 정제된 시료가 필요하게 되는데, 게놈에 의하여 발현되는 수많은 숫자의 단백질을 동시에 다량 정제하기란 매우 어렵다. 단백질의 구조는 복잡하여 DNA 양의 증폭에 사용되는 PCR과 같은 기술이 단백질 증폭을 위해서는 개발되지 못했다. 결국 적은 양의 단백질을 민감하게 분석하는 기술이 기계화·자동화되어 컴퓨터 시스템과 연결된 편리한 단백질 분석 방법이 개발되게 되었다. 현재 사용되는 프로테오믹스의 연구는 대체로 4과정으로 이루어진다. 먼저 전혀 기능을 알 수 없는 단백질의 시료를 연구 목적에 맞게 준비하여 추출하는 과정이다. 예를 들어, 세포, 조직 혹은 개체를 정상적인 조건과 비교해 보려는 생리적 조건에 인위적으로 노출시키거나, 건강한 것과 질병에 걸린 것을 비교하도록 준비하는 것이다. 두 번째 과정은 준비된 시료가 포함하는 아주 다양한 종류의 단백질을 분리하는 것이다. 즉, 전류의 이동에 따른 단백질의 등전점 형성을 이용하여 pH로 단백질을 1차 분리한 젤(gel)을 따로 미리 준비해 둔 폴리아크릴아마이드 젤(polyacrylamide gel) 상에서 90°돌려 다시 전기영동 하여 2차원적으로 분리하는 것이다. 이어 정상과 비교대상 시료의 어떤 단백질이 증가, 감소, 소실되었는가를 스캐너와 컴퓨터가 자동적으로 분석하여 연구자가 원하는 단백질을 정교하게 잘라준다. 세 번째 과정은 연구자가 관심을 가지고 채취한 미량의 단백질을 분석하는 단계이다. 주로 아미노 말단의 아미노산 배열을 결정하거나, 그 질량을 분석하는 것이다. 후자에는 측정 분자의 단편화를 거의 일으키지 않는 MALDI-TOF (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization)를 가장 많이 사용한다. 단백질에 변성이 일어나는 경우, 시료에 트립신(trypsin)을 처리하여 조각 낸 펩티드의 질량을 재는 mass fingerprinting 방법을 쓰기도 한다. 마지막 과정은 연구자가 분석한 단백질의 정보를 기존에 구축된 단백질 데이터베이스와 연결하여 비교하여 동정하는 것이다. 이런 자동화된 시스템을 거쳐 정체를 알 수 없었던 단백질의 기능을 밝힐 수 있게되면, 다음 단계로의 심도 있는 연구로 이행되거나 관련 분야로의 응용을 시도하게 된다. 프로테옴 분석의 특성은, 정제 과정 없이 분석 대상 시료에 존재하는 모든 단백질을 펼쳐 분석할 수 있을 뿐 아니라, 유전자의 전체적인 발현 정도를 한 눈에 알 수 있게 된다. 또한 주어진 환경이나 부과한 조건에서 부가되는 현상을 발현되는 단백질 수준에서 쉽게 비교 관찰할 수 있다는 점이다. 이 프로테옴 분석 연구를 통하여 다양한 생명현상을 입체적으로 해석할 수 있을 터이고, 진단과 치료제 개발, 동·식물의 품종 개량 등에 두루 기여할 전망이다.
응용의 한 예: DNA 칩 게놈 연구 분야의 발전이 몰고 올 응용기술 적용 분야에 대한 파급 영향은 만만치 않으리라 짐작된다. 현재 속속 밝혀지는 다양한 게놈 정보를 바탕으로 기초적인 생명 현상에 대한 이해가 어느 정도 이뤄지기만 한다면 그 응용은 무궁무진하리라 여겨진다. 인간에 있어서 유전 관련성 각종 난치병에 대한 조기 진단이라든가, 화학제품의 대량 생산에 적합한 미생물을 유전자 조작기술로 양산하는 최소 유전체 공장의 개발 등과 같은 것들은 자주 거론되는 예 중의 단지 2가지 일뿐이다. 전자의 경우 핵심기술중의 한 가지가 바로 DNA 칩(chip)이다. 이미 선진국에서는 상당수가 실용화되어 있으며, 게놈 연구가 끝난 각 생명체의 유전체 전체를 유전자 기능 연구용으로 보급하거나, 암, 에이즈, 대사 관련 질병 등의 진단에 적용되고 있다. DNA 칩은 유리판 위에 엄청나게 많은 종류의 DNA 가닥이나 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide)를 아주 적은 양이면서도 높은 밀도로 붙여놓은 것을 말한다. 그것은 현대의 분자생물학적 지식을 바탕으로 전자 및 기계공학의 기술을 접목하여 탄생할 수 있었다. 1995년 미국의 스탠포드 대학교 생화학과 연구팀이 cDNA 칩을 만든 것이 본격적 출발이었고, 미국의 어피메트릭스(Affymetrix)사에서는 올리고뉴클레오티드 칩을 만들어 이 분야의 빗장을 열어 젖혔다. 대체적으로 전자 유형의 칩은 최소한 500 bp 이상의 유전자 단편을 붙이고, 후자 유형의 칩은 약 15-25개의 염기들로 이루어진 올리고뉴클레오티드를 붙여서 제작한다. 이 DNA 칩의 적용은 기본적으로 니트로셀룰로즈(nitrocellulose) 막 상에서 DNA나 단백질을 붙이거나 반응시키는 기존의 생화학적 기술과 크게 다르지 않지만, 한꺼번에 대량의 시료를 동시 처리하고 분석할 수 있다는 장점이 있다. DNA 칩 제작은 현재까지 3 가지 정도 다른 원리의 방법이 알려져 있다. 먼저 핀 마이크로어레이 칩(pin microarray chip) 혹은 잉크젯 마이크로어레이 칩(inkjet microarray chip)이다. 전자는 스탠포드대학 연구팀이 사용한 방법으로 약 1 평방 센티미터 공간 내에 핀을 사용하여 2,000-3,000개의 효모 유전자를 붙인 것으로서, 유전자 발현 측정용으로 만들어졌다. 후자는 전자의 방법에서 사용한 핀 대신에 컴퓨터 잉크젯(inkjet) 프린터에서 쓰는 것과 동일한 원리의 카트리지(cartridge)를 사용하는 것이다. 각 카트리지 안에 들어 있는 서로 다른 종류의 유전자를 포함하는 DNA 단편을 전기적 힘으로써 고형체 위에 뿌려 제작한다. 둘째 것은 어피메트릭스라는 회사가 만든 올리고뉴클레오티드 칩(oligonucleotide chip)이다. 컴퓨터 칩 제작에 쓰는 사진평판법(photolithography)이라는 기술을 써서 수만 개의 다른 종의 염기 가닥을 하나의 유리판 위에 직접 합성한 것이다. 실제로 1.28 평방 센티미터 크기 안에 65,000개의 15-25개의 염기로 이루어진 서로 다른 올리고뉴클레오티드를 붙여 제작하였다. 이 방식으로 제작된 칩은 유전자의 발현 여부는 물론이고 그 발현 정도까지 검색이 가능하며, 하나의 염기 배열이라도 다른 것은 결합하지 않는 성질을 이용하여 돌연변이체를 쉽게 선별해 낼 수 있다. 마지막 것은 미국의 나노젠(Nanogen)이라는 회사에서 개발한 전자 어레이 칩(electronic array chip)이다. 이 방식은 DNA가 (-) 전하를 띠는 성질을 이용하여 칩의 표면 상 특정 위치에 (+) 전기를 넣어 그 위치에 원하는 유전자를 붙게 만드는 것인데, 현재 10,000개의 DNA를 붙인 칩이 개발되어 있다.
국내의 DNA 칩 연구 현실 이 분야에 대한 국내의 기술 수준은 바이오니아, 마크로젠 등과 같은 바이오 벤처기업에서 기술 지원 체계가 갖추어져 있고, 실제로 몇 건의 개발 사례가 발표된 바 있다. 아마도 최초는 2000년 3월 한양대의 황승용 교수와 SJ 하이테크 등의 공동연구팀에 의한 결핵진단 DNA 칩인 '마이코시그날'의 개발일 것이다. 이 '마이코시그날'을 쓰면 결핵균 중 한국 사람에게서 발병 빈도가 높은 TB 뿐만 아니라, 현재 검사 자체를 하지 않고 있는 면역계 저항성 비결핵균까지도 검출해 낼 수 있다고 한다. 실제로 이제까지 병원에서 20여 가지 결핵균의 진단을 위하여 전체 80-100여 시간이 소요되어 왔으나, 이 DNA 칩을 사용하면 4-5 시간의 실험 한 번으로 항생제 내성검사와 발병 원인까지도 종합적으로 진단해 낼 수 있다니 실로 놀라운 일이 아닐 수 없지 않은가? 그 외에도 과기대 이상엽 교수 연구팀이 유전병인 '윌슨병 DNA칩 진단 키트'를 개발하고, 경북대 김정철 교수 연구팀이 한국인 모근의 기질 세포에서 분리한 3,000여종을 집적한 '3K 유전자칩'을 개발하기도 하였는데, 아마도 우리 나라에서도 조만간 이 DNA칩 응용 분야의 성과 발표가 봇물처럼 쏟아질 전망이다.
게놈 세상의 희망과 우려 속속 밝혀지는 다양한 생물의 게놈 염기배열 결정의 연구 결과는 확실히 게놈 시대를 열기에 충분하지만, 염기배열은 그것이 아무리 게놈 수준의 정보라 하더라도 그 이상도 그 이하도 아닌 셈이다. 게놈을 구성하는 각 유전자의 기능이 밝혀지지 않으면 찾아 낸 보석을 줄로 꿰지 못한 채 소유하는 것에 비유할 수 있어서 비로소 그 기능의 해명이 이루어져야만 줄에 꿰어 인간의 목에 걸 수 있게 되는 것이다. 게놈 수준의 유전자 기능 연구는 생명 현상의 해석에 적지 않은 해답을 가져 올 것이다. 그렇지만, 유전자의 기능 연구는 아주 쉽지 않은 과제여서 상당한 연구 인력과 엄청난 연구 기간이 소요될 것으로 추측된다. 2000년 6월 26일 인간게놈프로젝트 공동연구팀과 셀레라 제노믹스가 인간 유전체 염기서열의 97%를 해독했다고 발표했다. 결국 3년 이내에 전체 인간 게놈의 염기배열이 그 비밀을 드러낼 전망이다. 이 분야의 연구에 대한 낙관주의적 입장은, 궁극적으로 질병의 진단과 치료, 신약 개발에 일대 혁신을 가져오리라는 것이다. 그 뿐 아니라, 유전병의 조기 진단과 유전자 치료가 훨씬 용이하게 이뤄지리라는 전망이다. 최근 선진국에서는 유전자 특허 기준과 관련해 질병진단과 신약개발에 도움을 주는 등 구체적인 기능이 확인되어야 특허를 인정하는 분위기이다. 염기배열 순서의 공개가 모든 국가와 연구자들에게 무료로 주어지더라도 이것을 연구할 수 있는 여건을 갖추지 못한 국가나 연구자들에겐 결국 그림 속의 떡이 될 수밖에 없고, 그 연구 결과에 뒤따르는 빈부의 격차는 더욱 심화될 것으로 예측된다. 모든 첨단 기술에 대하여 인간은 늘 긍정적인 방향만을 모색하거나 시도하지 않았음을 인간의 역사가 잘 대변해 주고 있다. 게놈 연구의 결과와 그 적용에 대해서도 마찬가지의 우려가 제기되고 있다. 예를 들자면, 고용주나 보험회사가 개인의 게놈 자료를 확보하여 유전적으로 예측되는 병에 걸릴 가능성이 있는 사람들에게 불이익을 안겨 주리라는 것이다. 또한 임신전 적절한 형질을 미리 바꾸는 ‘주문 아기 생산’이나 ‘완벽한 인간’을 만들어 보려는 우생학적 유혹이 있으리라는 것이다. 인간의 근원적 존재 문제에 대한 깊은 묵상이 있어야 할 것이다. 게놈이 밝혀진 세상에서도 관련 연구자들의 올바른 가치관만이 그 적용을 통하여 인류 공동체 전체에게 긍정적 기여를 하게 될 것은 분명한 일이다. 동시에 부정적이거나 이기적인 가치를 가진 연구 집단으로부터 부정적 적용에 대한 추구가 있을 것임도 자명한 일이다. 올바른 가치를 가진 연구자들과 첨단 게놈 연구 분야를 이해한 의식 있는 대중으로부터의 견제가 있어야만 할 것이다. ‘개놈 같은 게놈!’이라는 말이 어떤 한 사람으로부터도 뱉어지지 않기를 바란다.
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