유전체

유전체란 한 생물체 내에 존재하는 유전자(gene) 또는 이를 구성하는 유전물질을 총칭하는 것으로, 인간의 유전체는 양친으로부터 각각 23개씩 물려받은 총 46개의 염색체로 구성되어 있다. 염색체에는 디옥시리보핵산(DNA(deoxyribonucleic acid))으로 구성되어 생명정보를 담고 있는 유전자가 존재하며, DNA는 A, T, G, C로 표기되는 염기(base)라고 부르는 네 종류의 유사한 화합물이 수백만 또는 수십억 번 반복되어 만들어진다. 이들 염기 쌍의 조합 또는 배열 순서에 따라 사람의 키 및 피부색 등의 생김새, 섭취한 음식물의 대사양상, 감염성질환에 대한 대처방식 등이 결정되며 때로는 행동양식까지 결정되기도 한다. 또한 사람을 비롯한 생물체(예, 제빵용 효모, 벼, 초파리 등)는 염기 쌍의 배열과 크기가 각기 다른 고유의 유전체를 갖고 있다. 따라서, 유전체를 구성하는 염기 쌍의 배열순서 해독은 사람을 비롯한 생물체에서 일어나는 각종 생명현상을 이해하는 데 필수적이다.

그림 1. 유전체연구의 특성을 요약한 모식도. 유전체, 유전자 및 염기서열의 관계를 알 수 있음. (출처: 글로벌첨단바이오의약품코디네이팅센터)

목차

인간 유전체 프로젝트(Human genome project; HGP)란 1990년 미국국립보건원(NIH)과 미국에너지성(DOE)이 공동으로 출범시킨 후, 미국, 영국, 일본, 독일 및 프랑스를 위시한 18개국이 참여하여 수행한 국제적 연구프로젝트로,

1) 약 30억 개의 DNA 염기 쌍으로 구성되어 있어 약 10만 개의 유전자가 존재하는 것으로 추정되는 인간유전체의 염기 서열을 완전히 해독하여 데이터베이스를 구축하고,

2) 구축된 데이터베이스를 분석하는 도구를 개발하며,

3) 프로젝트의 수행에 따라 야기될 윤리적, 법률적, 사회적 문제에 대한 해결책을 모색하는 것을 주 목표로 수행되었다. 

그림 2. 유전체를 구성하는 DNA(유전자)에 수록된 정보가 단백질로 발현되어 다양한 세포 내 기능을 담당함을 나타낸 모식도. 유전자 분석이 종국적으로는 생명현상을 수행하는 단백질의 분석으로 이어짐을 나타내고 있음. (출처: Genome to Life – Accelerating biological discovery. US Dept. of Energy (2002))

이러한 목표를 달성하기 위하여 인간생활에 직∙간접적으로 영향을 주는 생물체(예를 들면, 대장균, 효모, 초파리, 실험용 쥐 등)의 유전체도 분석하였다. 1990년 미국 에너지성과 보건성 공동주관으로 시작된 HGP는 출범 15년 후인 2005년에 인간유전체의 염기서열을 완전히 해독하는 것이 목표였으나 염기서열 결정 및 분석 기법의 급격한 발달에 힘입어 2000년도 초반에 인간유전체 전체에 대한 대략적인 분석이 완료되었으며, 현대분자생물학 시대가 열리게 한 왓슨(Watson)과 크릭(Crick)의 DNA 구조에 대한 논문이 발표된 지 50주년이 되는 2003년 4월에 인체게놈의 염기서열에 대한 정확한 자료를 확보하는데 성공하였다.

인간을 비롯한 각종 생물의 유전체를 구성하는 DNA의 염기서열을 해독하는 작업이 인류에게 어떤 영향을 미칠 것인가? 프로젝트가 완료된 2003년 무렵 언급된 파급효과 중 가장 대표적인 것으로 '분자의학(Molecular Medicine)의 태동' 등을 들 수 있다. 즉, 당뇨병, 치매, 암, 에이즈 및 정신질환 등과 같은 각종 난치병과 관련이 있는 유전자가 확인되어, 질환의 발병여부를 신속∙정확하게 진단할 수 있을 뿐만 아니라, 유전자치료법과 같은 새로운 치료법이 개발되어 난치병의 치료가 가능해 질 것이란 것이며, 개인별 유전적 프로파일의 차이를 반영한 맞춤의약(custom drugs) 시대가 열리고 있다.

이미 우리 주변에는 유전체 연구결과 개발된 유전체의 분석 및 조작기법이 활용되고 있는 경우도 많다. 예를 들면, 태국에서 발생한 쓰나미로 인한 참사현장에서 발견된 사상자의 신원확인, 가끔 매스컴을 떠들썩하게 하는 정치인 등 유명인사의 친자확인소송, 성범죄를 비롯한 강력사건의 범인판정 등 각종 법적 판단에 유전자감식 결과가 증거로 채택되고 있다. 또한, 유명 댄스그룹의 유전자를 증폭하여 팬써비스용 기념품을 제작∙배포한 경우는 유전체 조작기법이 팬시산업에도 이용될 수 있음을 보여주는 예이다. 이외에도 유전체 연구의 성과는 심각해지는 환경오염과 에너지원 고갈의 문제를 해결하는 새로운 환경산업기술의 발달, 방사능 노출 등의 위해 한 환경조건에서 작업하는 종사자의 개인별 암발생 가능성을 정확히 판단할 수 있는 위험평가(risk assessment)기술의 개발, 병충해에 강하고 생산량이 높은 농축산물 및 신기능성 식품의 개발을 가능하게 하는 등 일일이 열거하기 힘들 정도로 그 파급효과가 큰 것으로 판명되고 있다.

21세기 생명과학은 2003년 인간게놈프로젝트(HGP) 완료와 더불어 시작되었다 해도 과언이 아니다. 그만큼 HGP의 결과가 생명과학발전에 미치는 영향이 크다는 의미로, 앞서 언급한 바와 같이 새로운 학문 및 산업분야의 태동을 불러 왔다. HGP는 유전자(및 유전체)의 구성(또는 구조) 규명에 초점이 맞추어 진 것이라면, HGP 이후에는 유전자(또는 유전체)의 기능을 분석하는 학문분야인 기능유전체학(functional genomics)과 다양한 생물체 간의 유전체 구성의 차이를 비교분석하는 학문분야인 비교유전체학(comparative genomics)으로 발전하였다. 이러한 구조·비교유전체학의 발달은 유전자가 어떻게 생명현상을 조정하는지, 정상유전자의 기능은 무엇이며, 정상유전자의 이상이 어떤 질환을 야기하는지, 인류종족의 분화 및 진화는 어떻게 이루어졌는지 등을 규명하는 단계로 접어들게 되었다.

그림 3. 사람과 쥐의 유전체의 비교유전체분석 결과. 사람염색체(24개)에 보존되어 있는 쥐의 염색체(21개) 부위를 동일한 색으로 나타냈었다. (출처: gettyimagesEDGE RF973899630)

한편, HGP가 마무리 될 무렵 새로이 유전체의 기능을 분석하기 위한 또 다른 접근방식으로 진행된 연구 중 하나가 인간단백체프로젝트(human proteome project; HPP)인데, 이 연구는 인간유전체분석 결과 밝혀진 총 21,000개의 인간 유전자에 수록된 정보가 발현(expression)되어 세포 내에 만들어지는 최종 산물인 단백질(protein)을 인체구조(조직 및 기관)별로 따로 분석하여 이들 단백질의 생물학 및 분자적 기능을 유추하고 나아가 질병의 진단 및 치료에 적용하기 위한 목적으로 2001년 구성된 국제조직(HUPPO: human proteome project organization)에 의하여 수행되고 있다. 국내연구진도 이 활동에 참여하고 있으며, 유전체연구와 더불어 생명현상의 신비를 풀어 줄 중요한 연구기법의 하나로 인식되고 있다. 이같이 HGP나 HPP 연구결과의 주요 활용분야로 인간질병의 진단 및 치료와 연관된 의료생명공학에 초점이 맞추어져 있음을 짐작할 수 있는데, 실제 HGP 및 HPP 연구 결과가 의료생명과학과 새로운 생명과학분야 발전에 많은 영향을 미치고 있다. 

HGP 결과를 활용한 또 다른 프로젝트로는 6개 국가가 컨소시움을 구성하여 2002년 출범한 HapMap이 있는데, 이 프로젝트는 아프리카, 아시아 및 미국에 거주하는 다인종 개인 간의 전체염기서열에 존재하는 유전변이(mutation)의 양상 및 종류를 비교 분석하는 단일염기다양성(SNP: single nucleotide polymorphism) 분석을 수행하여 종국적으로 SNP의 차이가 개인별 특정질환(고혈암, 암, 당뇨, 심장질환 및 정신질환) 발병률과 어떤 상관관계가 있는 지 규명하는 것이다. 이외에도 정상상태와 질환을 앓고 있는 상태 또는 특정 약물 처리 전과 후의 우리 몸 속 대사산물의 구성 및 양의 차이를 비교 분석하여 질병과 대사산물 간의 관련성을 조사하는 대사체학(metabolomics) 등의 발달은 약물유전체(pharmacogenomics)의 발전을 유도하여, 소위 말하는 개인맞춤형의료(customized medicine/personalized medicine) 시대를 여는 토대가 되었다.  

개인맞춤형 의료시대의 도래를 촉진하는 또 다른 요소의 하나로 차세대 염기서열분석(NGS: next-generation sequencing)으로 상징되는 염기서열분석 기술의 발전을 꼽을 수 있는데, 이 기술의 발전은 개인 유전체 정보에 기반한 맞춤형 진단/ 예후예측/ 치료 등이 가능하며, 향후 20년간 생명공학 및 의약산업의 획기적 발전을 주도할 핵심기술로 평가 받고 있다. 이미 선진국에서는 전세계적으로 12,000명의 유전체해독을 목표로 하는 ’1000 Genomes Project' 등과 같은 'NGS기반 개인 유전체 연구‘를 대형 국제협력 프로젝트가 수행되고 있다. 이외에도 유전자 발현조절 기술을 이용한 유전자치료법과 줄기세포 조작법 및 동물복제 기술을 활용한 재생의학(regenerative medicine)의 발달 역시 의료생명과학의 비약적 발전을 뒷받침하는 주요한 생명과학연구기법이라 할 수 있다. 

1994년 HGP의 부속사업으로 미국의 에너지성 주도로 진행된 '미생물유전체프로그램(microbial genome project; MGP)'과 HGP의 연구결과를 확대 발전시킨 ‘유전체 과학 프로그램(GSP: genome science program)'이 있다. 이 사업은 기초과학과 응용기술을 통합하여 식물, 미생물을 포함한 지구 생물계를 예측가능하고 체계적으로 이해하여 전 지구적 문제로 대두된 에너지, 환경 및 기후문제를 해결할 방안을 모색하는 것(System Biology for Energy and Environment)이 그 목적으로 2050년까지 장기적으로 진행되는 야심 찬 계획이라 할 수 있다. 

유전체의 염기서열분석, 영상화 및 컴퓨터기법의 향상에 힘입어 인간의 건강, 식품생산 및 기후변화 분야에서 미생물이 광범위한 영향을 미친다는 사실이 밝혀지기 시작하여 마이크로비옴(microbiome)이란 새로운 연구분야가 출현하게 되었다. 사람의 신체부위에 존재하는 미생물의 유전체를 분석하는 인체 마이크로비옴 프로젝트(human microbiome project)가 2007년 미국정부주도로 시작된 이래, 2016년 미국 오바마 행정부는 인체와 생태계의 방대한 미생물군을 연구하는 프로젝트인 National Microbiome Initiative (NMI)를 출범시키는 등 전 세계적으로 생명과학연구의 새로운 지평이 열리고 있다. 그 결과, 사람의 몸은 100조개가 넘는 미생물의 서식처이자 전쟁터로 미생물 전쟁의 결과가 사람의 육체적 건강(비만, 당뇨, 고혈압 등)뿐만 아니라 정신적 건강(식욕, 자폐증 및 뇌활동)에도 결정적인 영향을 미치는 중요한 요소로 밝혀지고 있고 최근에는 '약물마이크로비옴(pharmacomicrobiome'이나 ‘마이크로비옴 기반 정밀의료(microbiome-based precision medicine)’등의 분야도 출현하는 등 마이크로비옴의 연구영역과 사회/경제적 영향력이 확대일로에 있다.  

이상에서 보듯이, 21세기 초 HGP의 완결과 더불어 인간을 비롯한 각종 생물체의 유전체(또는 유전자) 분석 및 조작기술에 기반한 새로운 형태로 발전한 생명과학은 진화에 진화를 거듭하여 에너지 고갈과 지구환경 변화에 따른 전 지구적 문제를 해결하기 위한 ‘시스템생물학(systems biology) 에 기반한 생물공학(systems biology-based biotechnology)’으로 진화하고 있어, 인류의 삶에 미치는 파급효과는 더욱 증대될 것으로 예상된다.

이상에서 보듯이 HGP를 비롯한 유전체 연구의 결과 얻어진 다양한 연구기법과 자료들이 생명공학분야뿐만 아니라 사회∙경제∙문화 등의 각 분야에 지대한 영향을 미치고 있다. 생명공학산업의 경우 유전체연구와 관련된 새로운 형태의 산업이 속속 창출되고 있는데, 국내에서도 2009년 한국인 2명의 개인유전체 분석이 이루어진 바 있으며, 종국적으로는 개인유전체 분석비용이 100달러 수준으로 낮아져 개인유전체에 기반한 맞춤형 의료시장이 폭발적인 성장이 이루어질 것으로 기대하고 있다. 분자생명공학에 기반한 산업의 세계시장 규모는 지속적으로 증가하고 있는데, 특히 의약품시장에서 생물공학기법으로 생산되는 바이오의약의 생산규모가 종래의 합성의약 시장을 바짝 추월하고 있어, 이미 국내에서도 제약업계의 R&D 전략 및 영업전략이 수정되고 있을 뿐만 아니라, 기존에 없던 새로운 산업과 종래의 산업간 융합에 의한 새로운 산업의 탄생으로 일자리 창출에도 크게 기여하고 있는데, 그 대표적인 예가 나노기술과 제약기술이 접목된 나노생명공학(Nano-Biotechnology)와 전자계측기술과 의학분야가 접목된 질병기기 산업 등이 있다.  

그러나, 인간유전체연구는 생명과학자만을 위한 잔치가 아니라 인간사회에 미치는 파급효과가 무척 크기 때문에, 이미 우리의 생활양식과 사고방식을 놀랍도록 변화시키고 있으며, 이전에는 전혀 예측할 없었던 새로운 사회적 이슈를 제기할 수도 있음에 유의할 필요가 있다. 앞서 언급하였듯이, HGP의 특징 중 하나는 출범 초기에 프로젝트 수행에 따라 야기될 윤리적, 법률적, 사회적 문제(ELSI: Ethical, Legal, and Social Issues)에 대한 검토를 함께 병행하였다는 것이다. 그럼에도 불구하고 인간유전체분석의 완성이 인류복지의 향상으로 직결되리라는 예상에 대해 의문이 제기되고 있기도 한데, 예를 들자면 국내에서도 시민단체와 법정소송에 휘말리게 된 모 식품회사 두부제품의 국산콩 사용여부를 비롯한 유전자조작 식품파동 등이 유전체의 조작 및 분석기법이 개발됨에 따라 야기된 사회적 문제이다. 또한, 애초에 연구 결과 얻어진 정보를 공유할 것이란 기치 하에 시작된 연구과정에 민간연구소가 참여하면서 특허전쟁으로 변질되고 있는 상황이 전개되기도 하였다. 예를 들면, 미국의 제약회사인 인사이트사는 450개의 인간유전자에 대한 특허권을 취득한 바 있으며, 미국의 유전체연구 전문벤처기업인 셀레라사는 600여 개의 유전자에 대한 특허를 출원하였는데, 이들 연구기관들은 일반적인 정보는 인터넷 등을 통하여 무료로 공개하되 상세한 정보는 유료로 제공하고 있다. 이같이 특정 기업이 특허권을 취득한 유전정보에 대해 배타적인 권리를 행사함으로써, 유전자 및 유전정보를 활용한 진료와 치료를 받기 위하여 막대한 로열티를 지불해야 하는 등 시회적 기회비용이 상승하는 상황을 맞이하고 있다. 다행스럽게도 인간유전체분석 사업을 주도적으로 이끌고 있는 미국 NIH는 민간기업에 앞서 인간유전체 해독작업을 완결하여, 그 결과를 무료로 이용할 수 있게 공개하였지만, 우리나라와 같이 사업에 참여하지 아니한 국가들이 유전정보에 접근하고 이용하는 데는 어려움이 따를 뿐만 아니라, 국가별 접근 가능한 정보의 양과 수준에 있어 차별이 엄연히 존재한다. 그 외에도 새로이 개발된 위험평가기술에 의해 한 개인이 유전적으로 암에 걸릴 가능성이 높은 것으로 판정되면, 높은 보험율이 적용될 것은 자명하다.

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박희문/충남대학교

조유희/차의과학대학교