[생명과학][생명공학]동물의 유전자 재조합 유전자

주제: 동물의 유전자 재조합 유전자

 

 

재조합의 목적은 인간에게 유익한 물질을 찾는 것이므로 동물의 유전자 재조합은 사람과 가장 밀접한 관련을 갖는다. 즉 인간에게 필요한 식량을 증산하기 위한 축산, 인간의 질병을 치료하기 위한 약품의 생산, 그리고 사람의 유전자 결함에 의하여 일어나는 질병을 고치기 위한 유전자 치료, 사람의 장기이식 수술을 통한 질병의 치유 등은 먼저 동물을 이용하여 연구하여야 하므로 동물의 유전자 재조합은 사람들이 가장 관심을 두는 분야이다.

 

1 사람과 동물과의 연관성

1-1 동물의 유전자 재조합과 애로점

1-2 동물의 단백질과 세균의 단백질

1-3 동물의 유전자 재조합을 통해 사람은 무엇을 하기를 원하는가?

 

2 동물의 유전자 재조합 연구

2-1 세포융합

2-2 핵치환 기술(Nuclear transplantation)

2-3 동물세포에 맞는 유전자 운반체를 개발한다: 바이러스 운반체의 개발

2-3-1 바이러스 운반체

2-3-2 최근 개발된 플라스미드 벡터

2-4 재조합 유전자를 동물의 수정란에 주입한다

 

3 대체동물을 사용한다

3-1 대체동물이란

3-2 대체동물의 유전자 재조합

 

4 형질전환동물

4-1 슈퍼 생쥐의 탄생

4-2 락토페린 형질전환 소

 

1 사람과 동물과의 연관성

사람은 동물 가운데 몸에 등뼈（척추）를 갖는 척추동물문（phylum Vertebrata : 등뼈 동물문）에 속하며 이 가운데에서도 포유동물강（class Mammalia : 젖먹이동물）에 속하고 포유동물 가운데에서는 원숭이목 （order Primates : 영장류）에 속한다. 그러나 인간의 생명은 소중하기 때문에 사람을 직접 연구에 사용할 수 없어 사람과 유사한 동물을 연구에 사용하게 된다. 가령 사람에게 유용한 새로운 치료제가 개발되었을 때 대개 포유동물 가운데 설치류［설치 : 톱날 모양의 이, Rodentia］에 속 하는 쥐, 흰쥐, 기니아 피그, 토끼 등과 사람과 같은 영장류에 속하는 원숭이 등을 이용하여 실험을 하게 된다. 따라서 유전자 재조합 연구도 이 들 실험동물에게 먼저 적용하게 되므로 동물의 유전자 재조합 연구는 인간과 밀접한 관련이 있다.

 

1-1 동물의 유전자 재조합과 애로점

세균과 효모를 이용한 유전자 재조합을 통하여 많은 유전자 조작에 대한 기술과 지식을 축적하였으나 이러한 기술을 동물에 적용하기에는 몇 가지 어려운 점이 있다.

 

첫째 동물의 유전자는 그 크기가 세균이나 효모에 비하여 대단히 크다. 유전자 연구의 재료로 많이 사용하는 동물인 선충（학명 : Caenorhabditis elegans）도 그 유전자의 수가 19000개로 사람의 유전자의 반 정도가 된다. 따라서 이러한 많은 유전자의 한 부분을 파악하여 유전자 재조합 하는 일은 아직 쉬운 일이 아니다.

 

둘째 세균의 유전자 재조합에 의하여 만들어진 단백질이나 생리물질 등은 사람에게 필요한 생리물질과 일치하지 않기 때문에 이를 사용하기에는 아직 해결해야 할 많은 문제들이 있다.

 

셋째 세균과 효모, 그리고 콩과식물에 기생하는 뿌리혹박테리아는 플라스미드를 갖고 있어 유전자 재조합 연구를 하기가 용이하나 동물에는 플라스미드가 없기 때문에 유전자 재조합을 하기 위한 다른 방법을 찾아야만 한다.

 

이러한 애로점 때문에 사람들은 인간과 가까운 성질을 갖는 동물을 사용하여 유전자 재조합 연구를 하게 된 것이다.

 

 

1-2 동물의 단백질과 세균의 단백질

위에서 살펴본 동물과 미생물의 차이점 가운데 세균의 유전자 재조합에 의하여 만들어진 단백질이나 생리물질과 동물에서 만들어지는 단백질과 생리물질 사이에는 차이가 있다.

 

즉 동물의 몸세포에서 만들어지는 단백질의 대부분은 단백질 번역 후, 만들어진 단백질의 변형이 일어난다. 동물의 생체 내에서 생산된 단백질 은 단백질에 당 성분이 연결되거나, 만들어진 단백질 말단이 변형되는 수가 많고, 세균은 DNA로 부터 직접 mRNA가 만들어진 다음 단백질로 번 역되는 반면에 동물의 단백질분자는 DNA의 일부분（엑손） 만이 활성화 mRNA로 전사된 다음 단백질이 번역된다.

 

또한 분자량이 큰 단백질의 경우 S-S 결합이나 단백질 소단위 사이의 결합에 의하여 복잡한 고차구조를 만든다. 그래서 이와 같은 단백질 번역 후의 변형반응은 단백질이 가진 생물 활성이나 생체 내에서의 안정성, 또 한 항원성 등에 큰 영향을 주게 된다. 실제로 적혈구 단백질의 경우, 단백질에 붙는 당의 제거에 의하여 적혈구 단백질 활성이 저하되는 것이 알려져 있다.

 

따라서 번역 후 단백질에 당이 붙는 변형기구를 가지지 않는 대장균을 유전자 재조합하여 적혈구 단백질 등을 생산시켜도 동물의 몸에서 천연적으로 만들어지는 단백질과의 동등한 활성은 기대되지 않는다. 또 혈액 응 고인자 등 분자량이 대단히 크고 복잡한 고차구조를 가진 단백질을 대장균에 유전자 재조합하여 활성물질로 발현시키는 것은 어렵다.

 

한편 대장균의 경우에는 유전자 활성물질의 세포 밖으로의 분비가 어려 우나, 동물세포에서는 세포 밖 분비가 가능하므로 유전자 활성물질의 정제가 매우 간단하다는 이점도 있다.

 

1-3 동물의 유전자 재조합을 통해 사람은 무엇을 하기를 원하는가?

 

동물의 유전자 재조합을 통하여 사람들은 어떠한 문제를 해결할 수 있는가 생각해보기로 하자. 위에서 설명한 것과 같이 대장균과 같은 세균을 이용하여 단백질이나 생리 물질을 얻고자 할 때는 해결해야 할 어려운 점이 많으나 동물의 세포를 이용할 경우 단백질이나 생리 물질을 얻기가 쉽다.

 

 

그러면 동물의 유전자 재조합을 통해서 사람은 무엇을 얻을 수 있는가 살펴보기로 하자.

 

첫째 동물의 유전자 재조합을 통하여 사람들은 큰 가축과 사람들이 원 하는 형질의 동물을 만들어낼 수 있다. 그리하여 사람들이 원하는 형질을 갖는 동물을 만듬으로써 식량 증산 등을 이루며 경제적인 이득을 얻을 수 있다.

 

둘째 사람의 질병을 고칠 수 있는 의약품 생산이 가능하며 질병을 예방하기 위한 약품을 대량으로 생산할 수 있다.

 

셋째 사람은 노화와 불의의 사고에 의하여 장기가 손상되거나 그 기능이 떨어지게 되는데 이 때 새로운 장기를 이식하기 위한 장기획득이 가능하게 된다.

넷째 유전자 결함에 의하여 생기는 유전자병인 면역결핍증, 고협압 등 과 유전자의 이상에 의하여 발생하는 암과 같은 질병에 유전자 치료를 할 수 있는 방법을 개발하여 유전자병의 발병을 미리 막거나 암을 치유할 수 있다.

 

그러나 이러한 연구에는 기술적으로 극복해야 할 과제 뿐 만 아니라, 해결해야 할 윤리적 문제들이 그 앞에 가로놓여 있다.

 

2 동물의 유전자 재조합 연구

동물의 유전자를 재조합하기 위해서는 세균이나 효모처럼 플라스미드가 있으면 그 연구가 용이 하겠지만 아쉽게도 동물의 세포에는 플라스미드가 없다. 따라서 이러한 애로를 해결하기 위해 여러 가지 연구 방법이 고안되어 있는데 그 중 아래 방법이 동물의 유전자 재조합 연구에 가장 많이 사용되고 있다.

 

2-1 세포융합

세포융합(cell fusion)이란 서로 인접한 2개의 세포가 융합하여 막이 소실되고 1개의 세포로 되어 세포가 다핵화(多核化) 되는 현상을 말한다.

 

그런데 생명공학에서 말하는 세포융합이란 서로 다른 종의 두 세포를 인공적으로 융합하여 두 세포의 특징을 동시에 갖는 새로운 형질의 세포를 만드는 기술이다. 세포는 바깥 세계와 경계를 짓는 세포막을 갖고 있어 마치 하나의 집과 같이 독립적으로 생활을 영위한다고 우리는 이미 공부한 바 있다.

 

이 세포들은 서로 모여서 조직이나 기관을 형성하지만, 결코 이 세포들이 저절로 융합하여 하나가 되는 일은 일어나지 않는다. 다만 정자와 난 자가 융합하여 수정을 일으킬 뿐이다. 그래서 30년 전만 해도 보통 세포끼리는 융합하지 않는다는 것이 상식처럼 여겨졌다.

 

그러나 이제 서로 다른 두 세포를 융합시킬 수 있게 되었다. 이것이가 능하게 된 것은 센다이 바이러스라 불리우는 특이한 바이러스가 같은 종의 체세포끼리는 물론 종이 다른 세포끼리도 융합시킬 수 있는 세포융합 촉진작용이 있음이 발견되 연구한 결과 사람의 세포와 쥐의 세포를 서로 융합시킬 수 있게 되었다. 또한 최근에는 폴리 에틸렌 글라이콜 (polyethylene glycol, PEG)이라는 화학물질이 세포융합을 촉진하는 작용이 있음이 밝혀져 세포융합 연구에 사용되고 있다.

 

이미 널리 알려진 것과 같이 땅 위의 줄기에서는 토마토가, 땅 속의 뿌 리에서는 감자가 열리는 포마토(pomato) 생산을 위한 시도도 감자와 토마토의 두 세포를 융합해서 만들려고 하는 것이다.

 

 

2-2 핵치환 기술(Nuclear transplantation)

이미 분화되어 우리의 몸을 이루고 있는 체(몸)세포 또는 수정 후 세포분열을 거듭하여 형성된 배(K, embryo)의 핵을 분리하여 핵을 제거한 세포의 세포질 속에 이식함으로써 이식받은 세포의 세포질과 이식된 핵으로 구성된 새로운 세포를 만드는 일련의 기술을 핵치환기술이라고 한다.

 

핵치환에 관한 연구는 1952년 북미산 표범개구리를 재료로 연구하여 성공한 것을 시발점으로 하여 케임브리지 대학의 생물학자 코돈(J. Cordon) 이 개구리의 대장 상피세포(intestine epithelium)에서 뽑은 핵을 개구리 배(embryo)의 핵과 치환하여 소위 복제개구리(cloned frog)를 얻는데 성공하였으며 그 후 포유(젖먹이)동물인 생쥐에서도 성공하였다.

 

이 핵치환 기술은 체세포 복제기술로 발전하였는데 체세포복제는 동물의 난자의 핵을 제거하고 체세포의 핵을 무핵 난자에 이식하는 기술로서, 이 기술을 통해 영국의 로슬린 연구소에서는 복제 양 돌리를 복제하게 된 것이다.

 

2-3 동물세포에 맞는 유전자 운반체를 개발한다: 바이러스 운반체의 개발

동물에는 플라스미드와 같은 유전자 운반체가 없으므로 유전자 재조합을 할 수 없다. 그러나 동물세포에는 동물 바이러스가 침투하여 자신의 유전자를 세포에 주입, 새끼 바이러스를 증식하여 숙주세포를 파괴한 다음 세 포 밖으로 나오게 된다. 이와 같이 대부분의 바이러스는 자신의 유전자를 증식하여 바이러스를 만들기 때문에 동물의 유전자 재조합에 사용할 수 없다. 그러나 동물 바이러스가 자기의 유전자를 동물세포 속에 침투시켜 중식하는 원리를 이용하여 동물세포 속에 유전자를 전달하는 운반체를 개발하게 되었다.

 

2-3-1 바이러스 운반체

아데노바이러스는 동물의 호흡기 질환을 일으키는 바이러스로 DNA를 유전자로 가지고 있으며 레트로바이러스는 사람에게 백혈병 또는 AIDS（후천성 유전자 결핍증）를 일으키는 바이러스로 RNA를 유전자로 가지고 있다. 이들 바이러스는 다른 바이러스가 숙주（사람 또는 동물） 세 포의 세포질에 들어가 증식을 하는 것과 달리 숙주의 세포 안에 있는 핵으로 들어가 숙주 유전자 DNA에 끼어 들어 숙주 유전자의 활동을 차단하고 자신의 유전자를 만들어 숙주 세포를 죽게 한다.

 

소 파필로마 바이러스는 자연에 널리 분포하여 소에 양성의 유두종（젖 사마귀）을 만들지만, 숙주의 특이성이 높고 다른 종류의 동물에 감염되는 일이 없다. 그런데 이 바이러스는 쥐의 세포에서는 마치 플라스미드와 같은 상태로 존재한다는 사실이 밝혀진 것이다. 그리하여 소 파필로마 바이러스는 대장균의 플라스미드로도 개발되었다.

 

바시니아 바이러스는 수두를 일으키는 폭스 바이러스（poxvirus）에 속하는데 수두의 예방 백신 항원으로서 사용되고 있는 바이러스이다. 이 바이러스는 유전자 발현효율이 높아 앞으로 단백질 생산용 벡터로서 이용될 가능성도 있다.

 

과학자들은 이와 같이 바이러스가 숙주 유전자에 침투하는 특성을 이용 하여 동물의 유전자 운반체를 개발하고 있다. 이러한 동물 유전자 운반체 는 현재 동물의 유전자 재조합, 사람의 유전자 치료 등에 사용하고 있다.

 

2-3-2 최근 개발된 플라스미드 벡터

앞서 말한 네 종류의 바이러스 운반체（2-3-1 참조）는 지금까지 실적도 있고 외래유전자의 발현에도 널리 이용되고 있으나, 최근에는 동물에 사용할 수 있는 플라스미드 운반체도 개발되었다.

 

즉 L인자, BK 바이러스 벡터, 엡스타인 바르 바이러스 유래 벡터 등이 개발되었다. L인자는 쥐의 L세포에서 발견한 플라스미드로 유력한 동물 세포용 운반체로서로서 널리 사용될 가능성이 있다.

 

BK 바이러스 벡터는 사람 유래의 DNA 바이러스로 사람의 세포에 감염하며 헴스터, 쥐, 토끼, 원숭이의 배양세포에도 감염된다. 이 운반체는 사람 세포에 감염하여도 세포를 죽이지 않고 플라스미드 상태로 존재한다는 것이 알려져 동물 플라스미드로 개발되었다.

 

엡스타인 바르 바이러스 유래 벡터는 큰 바이러스 유전자를 가진 바 이러스로서 플라스미드로 개발하였다. 이 운반체는 사람 세포, 원숭이, 개, 쥐 세포 둥에서 안정하게 플라스미드도 존재하고 있다. 이 운반체는 사람을 포함하여 여러 동물 세포에 안정하게 존재하기 때문에 앞으로 응용이 기대되는 운반체이다.

 

그러나 이들 동물 플라스미드 운반체는 아직 상업적으로 널리 사용되지는 않고 있으며 많은 연구가 필요하다.

 

 

2-4 재조합 유전자를 동물의 수정란에 주입한다

동물에는 플라스미드와 같은 유전자 운반체가 없기 때문에 바이러스를 이용하여 유전자 운반체를 만들기도 하지만 예전에는 목적유전자를 유전자 재조합한 다음, 동물의 수정란에 직접 주입하거나 목적유전자 자체를 직접 수정란에 주입하는 방법을 이용하여 목적유전자가 무작위적으로 수 정란의 유전자와 유전자 재조합하여 목적유전자가 수정란의 발생과정을 통해 발현을 하도록 하는 방법을 사용하였었다.

 

진핵세포의 유전자인 염색체는 다른 염색체와 서로 가까이 있으면 원래 의 염색체와의 연결이 분리되고 가까이 존재하는 염색체와 연결되는 특이한 성질을 갖고 있다. 이것을 우리는 염색체의 교차(cross over)라고 한다. 이러한 교차 현상은 DNA에서도 일어난다.

 

이러한 유전자의 성질에 의해 수정란에 주입된 목적유전자는 수정란의 핵 속에 존재하는 유전자와 결합할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 성공의 확률이 비교적 낮은 편이다.

 

 

 

3 대체동물을 사용한다

 

장기이식 수술이 인간의 장기 치료에 도입된 것은 1967년 남아프리카 공화국의 바너드 박사가 사람의 심장이식 수술을 함으로써 시작되었다. 그러나 심장이식 수술은 거부반응에 의하여 그 생존율이 매우 낮았다. 이러한 거부반응은 사람의 유전자에 의한 면역 단백질 생성 이 사람마다 다르게 나타남으로써 생기는 반응이란 것이 확인되었다. 따라서 장기를 이식받는 사람과 장기를 제공하는 사람의 면역 유전자의 동질성이 요구된다.

 

다른 한편으로 장기 이식의 어려운 점은 공여되는 장기는 제한되어 있고 장기 이식을 원하는 사람은 매우 많다는 점이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 대체동물에 대한 연구가 시작되었다.

 

3-1 대체동물이란

위에서 언급한 것과 같이 장기이식을 위한 장기의 기증은 제한되어 있는데 장기이식을 원하는 사람들이 많으며, 또한 제공된 장기라도 장기제 공자와 장기수혜자의 면역 단백질이 일치되어야만 비로소 시술이 가능하기 때문에 장기이식이란 결코 용이한 일이 아니다.

 

따라서 이러한 문제점을 극복하기 위해 다른 동물의 장기를 공급하는 연구가 진행되고 있는데 이렇게 장기이식을 위해 다른 동물의 장기를 시 술할 때 장기를 제공하게 되는 동물을 대체동물이라 한다.

 

현재 장기이식을 위한 대체동물로서 가장 큰 관심으로 떠오르는 동물은 돼지이다. 돼지는 다른 동물에 비하여 비교적 인간의 유전자와 유사성이 많으며 장기의 크기와 구조도 유사하며 장기의 크기를 돼지의 성장도에 따라 용이하게 조절할 수 있는 장점이 있기 때문에 이에 대한 연구가 전세계적으로 널리 진행되고 있다.

 

3-2 대체동물의 유전자 재조합

대체동물로 사용하는 돼지의 유전자가 사람의 유전자와 상동성이 많다고 하여도 그 유전자의 차이가 매우 크다. 따라서 이러한 문제를 극복하기 위하여 돼지의 유전자에 장기를 이식받을 사람의 유전자를 조합하면 돼지의 혈액과 조직에 사람의 면역단백질이 생겨 장기의 거부반응이 일어나지 않게 된다. 이러한 연구는 1992년부터 미국에서 간이식에 시술되고 있다. 한편 1993년 인간의 유전자를 돼지의 난자에 도입하여 암컷 돼지인 아스트리드를 만들어 냈으며 이것을 이용한 장기이식 연구가 계속 진행되고 있으나 아직까지 성공하지는 못했다. 그러나 이와 같이 대체동물에 유전자를 도입하는 형질전환동물을 이용함으로써 인간 면역계에 대한 거 부반응을 없애는 연구가 다각적으로 계속 진행되고 있으며 그 전망도 매 우 밝은 편이다.

 

 

 

 

 

4 형질전환동물

형질전환 동물이란 동물의 유전자를 변형시켜 형질을 바꾼 동물을 말한다. 이제까지 우리는 미생물이나 식물을 이용하여 인간에게 필요한 단백질이나 물질을 얻는 유전자 재조합에 대하여 살펴보았다. 그러나 미생물이나 식물로부터 얻은 물질을 사람에게 투여할 경우 이들 물질은 사람이 필요로 하는 물질과는 구조상의 차이가 있기 때문에 열, 쇼크 등의 부작용이 발생하게 된다. 이러한 물질을 장기적으로 투여하면 몸에 항체가 생성되어 엘러지와 같은 자가면역 질환(autoimmune disease)이 생겨 생명을 잃을 수 있는 위험성이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 사람과 생리계통이 유사한 동물을 선택하여 이 동물의 유전자에 사람의 유전자를 도입하면 인간의 단백질이나 물질을 얻을 수 있는데 이와 같이 인간의 유전자를 도입하여 형질을 변환시킨 동물을 형질전환동물이라 한다.

 

4-1 슈퍼 생쥐의 탄생

처음으로 형질전환에 성공한 동물은 생쥐이다. 이 연구는 1980년대에 이미 이루어진 것으로서 생쥐의 성장 호르몬 유전자를 대량으로 증폭하여 정상 생쥐의 수정란에 도입하여 새끼 생쥐를 얻은 다음 이 생쥐에 성장 호르몬이 발현할 수 있는 자극 물질을 투여하였더니 성장 호르몬이 분비되기 시작하여 정상적인 생쥐보다 빠르게 성장하는 수퍼 생쥐 (super mouse)가 만들어졌다.

 

 

4-2 락토페린 형질전환 소

락토페린(lactoferin)이란 인간의 초유(출산 후 처음 만들어지는 젖)에 들어 있는 단백질로 갓 태어난 어린아이가 아직 면역계가 형성되지 않았 을 때 여러 질병으로부터 이기게 하는 물질로 다른 동물에게는 없는 성분이다. 그러므로 이 락토페린의 유전자를 대량으로 증폭하여 소의 난자에 넣어 주면 소가 낳는 송아지는 락토페린의 유전자를 갖고 태어나게 되며 이 송아지가 성숙하여 우유를 생산할 때 그 우유 속에 락토페린이 포함되게 된다. 이와 같이 락토페린 유전자를 도입한 소를 락토페린 형질전환 소라 한다.

 

이러한 형질전환 동물을 이용하여 인터류킨 등의 면역제제나 항암제 등을 만들려는 연구가 진행되고 있으며 많은 연구성과도 거두고 있다.