University of California, San Diego의 생물학자들이 1세대에서 유전자 사본 양쪽에 모두 돌연변이를 생성시키는 새로운 기술을 개발했다. 이 기술은 과학자들의 여러 종들에 대한 유전자 연구를 가속화시키고, 말라리아와 같은 해충 매개 질병과 다른 동물 및 식물 해충을 통제하는데 강력한 새로운 도구를 과학자들에게 제공하게 될 것이다. 이번 연구결과는 ‘Science’ 온라인판에 발표되었다.

UC San Diego의 생물학자 2명이 초파리(Drosophila melanogaster)를 대상으로 새로운 유전자 기술을 적용했다고 한다. 이들은 현대 유전학의 아버지인 그레고리 멘델이 식물에서 오랫동안 확립했던 돌연변이가 개체군을 통하여 어떻게 확산되는지를 시험했다고 한다. 연구를 주도한 Ethan Bier 교수는 “멘델은 완두콩에 대한 고전적 유전실험을 실시하여 사람을 포함하여 여러 생명체들의 유전 법칙을 밝혀냈다. 멘델의 유전 법칙에 따르면 수정된 난자는 엄마에게서 받은 유전자 사본과 아빠에게서 받은 유전자 사본 등 총 2개의 유전자 사본을 갖게 된다”고 설명했다.

이처럼 유전자 사본을 2개 갖고 있을 경우의 장점은 한쪽 유전자 사본이 제 기능을 하지 못해도 나머지 사본이 정상이면 일반적으로 기능을 유지시키는데 충분한 것이다. 따라서 열성(recessive)으로 알려져 있는 유전자 기능 결손에 의한 돌연변이 대부분은 부모로부터 2종의 돌연변이 유전자 사본이 모두 유전되어야 함을 의미한다. 이러한 돌연변이 사례들로는 근위축증, 낭포성 섬유증, 테이 삭스병 등이 있다.

Bier는 “돌연변이 유전자 사본 1개를 보유한 사람들도 정상 유전자 사본을 갖는 사람들과 결혼하는 경우가 많기 때문에 결손이 자식들에게 숨겨져 있다가 손자에게서 나타날 수 있다. 이것이 사람, 우리와 유사한 여러 동물 및 여러 식물들을 포함하여 다양한 생명체들에 대하여 유전학이 어떻게 작용하는가에 대하여 한 세기 이상 이해되어 온 것”이라고 밝혔다.

그러나 지난 2년간 Bier와 다른 분자 생물학자들은 유전체 조작에서 진정한 혁명을 목격했다고 한다. 그는 “이제 생명의 유전체를 의도한대로 변화시키는 것이 일상적인 일이 되었다. 이 기술은 Cas9/CRISPR 시스템으로 알려진 세균의 항바이러스 방어기구에 기반하고 있다”고 밝혔다. 연구팀은 실험용 초파리에 이 항바이러스 방어기구의 표준 요소들을 배열함으로써 초파리에서 한쪽 염색체 사본에 돌연변이가 발생하면 자연적으로 다른 쪽에도 돌연변이가 발생하게 만들어지게 했다. 그 최종 결과로서 한번에 유전자 사본 2개가 불활성화된다고 Bier 박사는 밝혔다.

연구팀은 새로운 유전자 기술을 돌연변이 연쇄 반응(mutagenic chain reaction: MCR)으로 부르고 있다. 논문의 제 1저자인 연구팀의 Valentino Gantz는 “생체의 모든 세포에서 MCR은 크게 활성화되며, 그 결과로 이들 돌연변이는 후손들의 생식질에서 95%의 효율로 전달되게 된다. 따라서 기존에는 생식세포의 절반만이 돌연변이를 보유하고 있는 반면에 개별 MCR의 경우에는 거의 모든 배우체(gamete)가 돌연변이를 보유하고 있다”고 밝혔다.

Bier는 “MCR에는 몇 가지 근본적인 중요성이 있다. 첫 번째로 1세대에서 유전자 사본 양쪽에 돌연변이를 유발시키는 능력 덕분에 다양한 종의 유전학 연구를 크게 가속화시킬 수 있다. 예를 들어서 생명체에서 유전자 2종에 동시에 돌연변이를 유발시키는 일반적으로 많은 시간이 소요된다. 그 이유는 여기에는 2세대가 필요하며, 2종의 돌연변이를 보유한 드문 후손을 확인하는 유전자 시험도 요구되기 때문이다. 이제 우리는 2개의 서로 다른 MCR 돌연변이를 갖는 개체들을 상호 교배시킴으로써 유전자 2종에 동시에 돌연변이를 갖는 후손을 얻을 수 있게 되었다”고 밝혔다.

Bier는 “MCR은 말라리아, 뎅기, 치쿤구니야와 같은 해충 매개 질환 및 동물과 식물 해충의 통제에서 개체군 사이의 유전자 요소 확산에 매우 효과적이다. 예를 들어 말라리아의 경우에는 여러 연구 그룹들이 말라리아 원충이 번식하는 것을 막는 유전자 카세트(cassettes)를 만들어서 모기에 도입시켜서 감염 확산을 차단시켰다. 그러나 이 분야 연구에서 큰 문제점은 모기 개체군에서 이들 유전자 카세트를 확산시키는 방법이다. 항말라리아 유전자 카세트를 MCR 요소에 삽입시키면 표적 개체군에 유전자 카세트가 신속하게 확산되기 때문에 MCR은 이 문제에 대한 분명한 해결책을 제공하고 있다. 예를 들어서 모기 100마리 중에서 1마리에 처음 유전자 카세트를 보유하고 있다며, 모기 번식기보다도 짧은 10세대의 후손 발생 이후에는 이미 전체 개체군에 유전자 카세트가 확산되게 된다”고 밝혔다.

유전자 요소를 전달하는 변형 바이러스를 이용하여 개별적 세포들 사이의 MCR을 확산시킬 수도 있다고 Gantz는 지적했다. 그는 “MCR은 특정 DNA 배열을 표적으로 삼아서 작용하기 때문에 HIV 감염이나 특정 암과 같은 DNA 변형 질병이 발생한 세포들의 경우에는 MCR 기반 기술이 정상 세포들에서 질병 발생 세포들을 구분하게 해주고 선택적으로 이들을 파괴 또는 변형하는데 이용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

연구팀은 논문에서 MCR이 건강과 인간의 복지에서 중요한 문제에 대한 유망한 해결책을 제공하지만 잘못 이용할 경우에는 큰 위협이 될 수도 있다고 적고 있다. Bier는 “MCR 보유 생명체가 환경에 사고로 유출되면 야생 개체군의 대부분에게 잠재적으로 위험한 돌연변이가 확산될 수 있을까? 여기에 대해서 우리는 알지 못한다. 그러나 우리는 새로운 기술을 이용한 실험을 공개 실험실에서 허용하기 전에 이러한 가능성을 과학자들이 시험하는 것을 옹호한다. 또한 MCR 기술이 의도적으로 오용될 가능성도 있다”고 밝혔다.

연구팀은 자신들의 실험이 위험한 돌연변이 유전형의 사고적 유출을 막기 위한 높은 수준의 밀폐가 이루어진 바이오안전성 실험실에서 이루어짐을 보여주었다. 여기서 초파리에서 유전자 전환율이 95%로서 MCR 돌연변이이 매우 효과적인 것으로 나타났다. 연구팀은 MCR 생명체의 취급에 대한 엄격한 안전성 프로토콜 및 이들 생명체들에 대한 실험 수행을 위한 규제 가이드라인 확립의 촉구가 필수적이라고 밝혔다. Gantz는 “MCR 확산을 반전시키기 위한 방의 개발이 잠재적 위험을 낮추는 수단을 제공하게 된다”고 밝혔다.

Bier는 과학자들에 의해서 수행될 필요가 있는 해충 개체군에 유전 요소를 확산시키는 전략에 대하여 우려를 제기한 다른 사람들과 의견을 같이했다. 그는 “1970년대의 재조합 DNA 기술이 여명기에 제기된 문제를 해결하기 위하여 개최된 유명한 Asilomar 컨퍼런스와 유사하게 MCR 기술이 사람의 질병을 경감시키는 잠재력을 최대한 달성하면서도 안전성을 확보하는 것을 보장하기 위하여 연방 및 협회 수준에서 어떻게 규제되어야 하는가를 논의하기 위한 유사한 회의가 있어야 한다”고 밝혔다.

Journal Reference: Valentino M. Gantz, Ethan Bier. The mutagenic chain reaction: A method for converting heterozygous to homozygous mutations. Science DOI: 10.1126/science.aaa5945