[2000신년]새로운 시대 의학/생명복제기술의 적용 영역-황우석
[2000신년]새로운 시대 의학/생명복제기술의 적용 영역-황우석
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  • 승인 2000.01.02 14:32
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황우석(서울大 교수·수의학)

<머릿말>

동물발생공학과 분자생물학의 접목으로 탄생한 형질전환동물 생산기술은 가족의 개량 및 생산성 향상에 커다란 효과를 거둘 수 있는 신기술로 등장하게 되었다. 이러한 형질 전환동물샌산기법은 21세기에도 동물생명공학 분야의 획기적 발전에 기여할 수 있을 것이며, 최근 개발된 체세포 복제 기술은 이 분야의 발전을 한층 심화, 가속화 할 것으로 전망된다.

즉, 형진전환동물생산에 있어서 체세포복제기술의 적용은 인체 유용단백질의 대량생산, 유즙의 영양성분 조성변화, 인공장기, 질환모델동물, 세포치료, 노화 및 암, 유전자적중 등과 관련된 연구를 더욱 활성화 시킬 것이다. 본고에서는 첨단 동물생멸공학기술로 각광받고 있는 체세포핵이식에 의한 복제동물 생산기술의 의약분야에의 적용영역을 중심으로 현재 진행 중인 혹은 향후 전말에 대해 기술하고자 한다.  

<의약분야 적용 영역>

동물 체시포를 이용하는 복제기술의 장점중의 하나는 동물의 여러 조직으로부터 세포주의 확립이 용이하고, 분화세포의 이용이 가능하며, 세포배양을 통한 공여세포핵(donor nuclei)의 무한정공급이 가능하다는 것이다. 이러한 체세포 복제기술은 생체반응기용, 인공장기용 및 인체질환모델, 형질전환동물개발에도 유용하게 이용될 것이다.

즉 체세포 내 유전자를 도입한 다음 이를 복제한다면, 형질전환동물 개발에 효율증진을 꾀할 수 있게 된다. 형질전환동물의 생산은 고부가가치사업으로서 대부분 학계보다는 생명공학 관련 회사를 중심으로 연구 및 개발이 이뤄지고 있다.

그 중 영국의 PPL therapeutics Imutran, 네덜란드의 Pharming, 미국의 Genzyme Transgenics Nextrans Alexion, 캐나다의 Nexia 등에서는 혈질전환된 반추동물의 유즙을 통한 인체단백질 생산 혹은 진공장기 생산용 유전자 유전자적중돼지 생산에 박차를 가하고 있으며 일부의 성공 예 혹은 개발계획이 발표된 바 있다. 이러한 체세포 복제기술의 산업적 응용 및 향후 전망을 임상의약 분야를 중심으로 살펴보면 다음과 같다.  

1.동물생체반응기(Animal Bioreactor)의 개발

체세포 복제기술의 개발로 형질전환동물분야, 특히 동물생체반응기 분야의 산업화가 더욱 촉진될 전망이다. 복제기술은 체세포에 미리 외래유전자를 도입하여 유전자가 도입된 세포만을 선발하여 핵이식하기 때문에, mosaic이 없는 100%의 형질전환수정란이나 동물을 곧바로 생산할 수 있는 것이 가장 큰 특징이다. 특히 체세포의 성을 미리 알 수 있기 때문에 암컷의 형질전환가축만을 생산할 수 있기 때문에 효율적으로 유용단백질을 대량생산할 수 있다, 결과적으로는 연구기간의 단축 및 사업화의 조기 달성으로 의약산업 발전에 크게 기여할 것이다.

현재 치료용 단백질들은 여러 질병을 치료하는데 있어 수요가 공급을 초과하는 상태이다. 일부는 혈액에서 정제하나 이는 가격이 비싸고 시료에 AIDS또는 C형 간염 등의 감염성 오염의 위험성이 있다. 이러한 특수 단백질은 세포배양에 의해서도 생산될 수 있으나 극소량에 한정되어 그 코스트가 매우 비싸다. 세균이나 효모에 의한 대량생산법도 있으나 생성된 단백질의 정제가 용이하지 않다.

이에 비해 형질이 전환된 면양, 산양 및 소의 유즙에서 생산하면 생산량은 유즙 1리터에 35g정도로 매유 대량이며 가격은 상대적으로 저렴해진다. 배양세포의 핵이식에 의한 복제동물생산은 전핵에 직접 주입하는 방법에 비해 절반 정도의 실험동물을 가지고도 즉시 실용화 할 수 있는 장점이 있다. 일년 반 정도면 원하는 성(sex)을 지닌 소수의 복제동물을 생산하여 한 군을 조성하면 임상적용에 충분하게 된다.

전 세계적으로 화상이나 다른 창상 치유에 필요한 인간혈청알부민은 600t 이상이다. 이러한 다량의 알부민은 단지 외래유전자를 도입한 형질전환 젖소에서는 소의 알부민과 분리해내기가 쉽지 않아 분비한다고 해도 많은 양을 정제하기가 어렵다. 이는 유전자적중에 의해 소에서 동등한 부의를 인간의 알부민 유전자로 대치하는 간단한 방법으로 해결 할 수 있다.

소의 유즙은 송아지에게는 이상적이지만 사람유아에는 그렇지 못하다, 핵이식과 유전자적중은 하나 또는 그 이상의 소 단백질을 인간 단백질로 바꾸어 특별한 소비자에게 영양의 질이 개선된 우유를 공급할 수 있게 된다. 사람들 중에는 우유의 특별한 단백질에 면역 반응을 보이거나 또는 락토오스를 분해하지 못하는 이들이 있으며 이들을 위해 유전자적중을 통하여 문제의 성문이 결여된 우유를 생산하는 우군을 조성할 수도 있다.

2.인체질환모델동물

인체질환모델동물은 주로 배아간 세포주(ES cell line)가 확립된 생쥐로부터 개발되어 오고 있다. 그러나 생쥐 등의 실험동물은 해부 및 생리학적 측면에서 인체 모델동물이 될 수 없다. 그럼에도 불구하고 현재로서는 특별한 대안이 없기 때문에 실험동물을 이용한 인체질환모델동물분야의 연구는 계속적으로 진행될 것이며, 게놈의 염기서열 구조가 급속도로 밝혀짐에 따라 유전자 적중 기술에 의한 게놈기능의 분석연구는 더욱 활성화 될 것이다.

생쥐에서 특별한 변이를 신중히 조사하여 인간의 유전적 질환의 모델로서 유용가능성을 연구해 왔다. 어떤 경우는 생쥐와 인간의 생리적 차이로 인해 유전적 질환에 있어 같은 방식으로 적용되지는 않는다. 이러한 예가 남포성 섬유종 돌연변이이다.

생쥐에서 낭포성 섬유종은 사람과 달리 폐에 영향을 덜 미친다. 폐의 생리 특성상 면양과 인간은 매우 유사하다. 양에서 낭포성 섬유종에 관여한 유전자가 도입된 개체는 인간과 매우 흡사한 표현을 보일 것으로 인간에 유용하게 적용될 수 있게 될 것이다.

3.이종이식(Xenotransplantation)

사람의 심장이식 수술이 1964년에 최초로 시도된 이래, 현재 선진국을 비롯하여 국내에서도 여러 장기(심장, 간, 신장 등)의 이식이 활발히 이루어지고 있다. 그러나 미국의 경우 매년 수십만 명이 심장, 신장, 폐 및 간 등 장기의 부족으로 사망 내지 고통 받고 있으며, 연간 심장이식을 필요로 하는 환자의 수(65세 이하)는 45,000여명인데 반하여 이중 겨우 5,000여명만이 공여장기의 기중에 의한 방식으로 이식수술을 받고 이TEk. 즉 말기환자에 대한 장기부족은 오늘날 미국이 직면한 가장 심각한 의료복지 문제점 중의 하나로서 대두되고 있다.

이러한 장기부족에 의한 사망률은 AIDS에 의한 사망률의 4배, 유방암 사망의 3배이며, 이들 환자를 돌보는 비용만도 매년 80~350억불에 달하는 것으로 알려져 있다. 또한 공여장기부족으로 인하여 일부 후진국에서는 신장 등의 방기밀매가 이루어지고 있어 국제적 사회적 문제로 등장하고 있다.

미국, 영국을 중심으로 한 선진국에서는 이와 같이 심각한 의료복지 문제를 해결할 수 있는 최선책이 바로 인공장기이식이라고 인식되어, 1990년대 초부터 대체장기용 형질전환돼지 개발에 관한 연구를 활발히 수행하고 있다.

이종이식이란 유전적 변형여부에 관계없이 살아있는 동물의 장기나 조직, 또는 세포를 이종간에 이식하는 것을 의미한다. 인공장기 생산에 있어서 돼지를 대상으로 하는 장점으로는 첫째, 사람과 돼지장기들은 서로 크기가 비슷하고 유사한 관류효율을 지니고 있으며, 둘째 돼지는 多産性으로 연가 어미 1두가 20두 이상의 새끼돼지를 생산할 수 있기 때문에 인공장기의 대량생산이 가능하다.

셋째로는 특정질병이 배제된 specific pathogen free(SPF) 사육이 가능하기 때문에 장기이식 시 발생할 수 있는 동물과 인간과의 병원균 전이를 최소화 할 수 있다. 이와 관련하여 세계적으로 활발히 연구가 진행 중인 인공장기 생산용 형질전환 동물의 개발 분야도 체세포 복제기술의 접목으로 한층 가속화될 전망이다.

현재 윤리적 측면은 물론 이종장기 이식 시 발생할 수 있는 레트로 바이러스나 알려지지 않은 세균감염의 위험성 등 아직 많은 문제점들이 존재하지만, 향후 이식거부반응이 없는 인공장기의 적용이 가능할 것으로 예측된다. 결국 세계적으로 심각하게 부족한 장기수요가 인공장기생산용 형질전환동물의 개발로 충족된다면, 관련 동물 생명공학 기술은 인류의 의료, 건강복지 증진에 획기적으로 기여하게 될 것이다.           

4.세포, 유전자 치료

백혈병, 파킨스씨병 등 여러 난치성 질병으로 고통 받는 환자에게 다른 사람의 정상적인 세포를 이식하는 방법은 이미 적용되고 있다. 이러한 세포는 면역거부반응에 대한 문제를 피할 수 있는 사람으로부터 얻어지고 있다. 이러한 세포는 면역거부반응에 대한 문제를 피할 수 있는 사람으로부터 얻어지고 있다.

현재까지는 역분화의 과정을 실험실에서 조절하여  이세포를 수정되지 않은 난자에 이식하여 새로운 개체를 만들어 왔지만 세포가 난자 없이 재 프로그램되는 과정을 더 이해하게 되면 환자 자실의 세포를 치료에 이용할 수 있게 됨으로서 조직이 일치하지 않는데서 발생하는 문제를 피할 수 있다.

이러한 기술이 개발된다면 환자에게서 임의의 세포를 채취하여 실험실에서 원하는 세포 형태로 만들어 다시 치료목적으로 환자에 이식하는 것이 가능하게 된다. 그러나 현재까지 난자를 이용하지 않은 채 세포를 완전히 재 프로그램하여 역분화 하는 방법은 없으며 이 때문에 세계 각국에서는 태아세포복제를 통한 ES 세포주의 확립에 관한 논의가 조심스럽게 진행되고 있다.

<맺는 말>

돌리가 시상에 나온 지 불과 2년 만에 세계 각국에서 각종 복제동물을 생산하고 나아가 종간 핵이식까지 성공하는 상황에 이르렀으며 국내에서도 지난 2월 12일 필자의 실험실(서울대학교 수의과대학 생물공학 연구실)에서 세계최초로 유전자검사로 확인이 가능한 각종 질병을 테스트한 체세포를 이용한 복제소의 생산에 성공하는 등 기술적인 면에서의 수준은 이미 국제적인 수준에 이르렀으며 본 실험실 회에도 국내 다수의 실험실에서 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.

국내 일부 연구실에서 인간태아의 복제를 시도한 일이 있으나 이러한 연구는 배아간 세포의 적용수준에서 다뤄져야 할 문제일 것이다. 그러나 실제 올해 가장 우수한 과학업적으로 사람의 배아간세포 개발이 선정될 만큼 배아간세포를 이용한 세포치료분야는 법적인 테두리 안에 진전에 박차를 가하고 있는 만큼 국내에서도 엄격한 규제와 자유로운 연구를 동시에 만족시킬 수 있도록 관련 규정이 제정되어 선진국의 기술개발 수준에 뒤지지 않도록 해야 할 것이다.

한편 향후 유즙을 통한 신물질의 대량보급, 형질전환돼지를 이용한 대체장기의 개발 등 중점 적용분야의 경우 신속한 정보입수 및 관련 유전자와 조작기술의 특허를 선점하는 등의 조치가 신속히 이뤄져야 기술종속을 면할 것으로 생각된다. 특히 이미 많은 부분에서 특허가 걸려있는 만큼 고유의 유전자 관련 기술을 독자적으로 새로이 개발하는 것이 중요한 과제라 할 수 있다. 다만 인간이 복제시도나 유전자조작과정에서 파생될 수 있는 생물학적 오염(bio hazard)등의 문제는 적절한 규제와 안전장치에 의해 문제발생을 사전에 차단해야 할 것이다.

                        

                                                                <서울大교수. 수의학>       

 

            


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