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[바이오토픽] 유전자편집을 이용한 육종(育種): 딴 아버지의 정자 만드는 대리부(代理父)
생명과학 양병찬 (2019-03-15 09:21)

유전자편집을 이용한 육종(育種): 딴 아버지의 정자 만드는 대리부(代理父)

생식생물학자들은 바람직한 형질(desirable trait)을 가진 가축을 생산하는 특이한 방법을 개발하고 있다. 그 내용인즉, 대리부(surrogate father: 유전자 편집을 통해 자신의 정자를 생산할 수 없게 된 수컷)에게 다른 수컷에게서 채취한 정자생성 줄기세포(sperm-producing stem cell)를 주입하는 것이다. 이렇게 하면 공여자의 엘리트 유전자가 자손에게 전달되므로, 그 이후로 대리부(代理父)가 낳는 자손은 유전적으로 볼 때 '자신의 자손'이 아니라 '공여자의 자손'이 된다.

새로운 방법의 목표는, 바람직한 형질(예: 질병이나 더위에 강한 형질)을 코딩하는 유전자를 전통적인 육종방식보다 빨리 가축의 개체군 전체에 퍼뜨리는 것이다. 만약 고질적인 기술적 난관을 극복할 수 있다면, 이 방법은 (인공수정을 이용한 육종이 까다로운) 돼지, 닭 등의 가축을 사육하는 데 큰 도움이 될 것으로 보인다. "우리는 유전학을 향상시킬 수 있는 기회를 놓치고 있다"라고 워싱턴 주립대학교의 존 오틀리(생식생물학)는 말했다.

또한 새로운 방법은 정자를 보관하기가 어려운 종(種)들, 예컨대 많은 조류(birds)를 보존하는 데도 도움이 될 것으로 보인다.

미국 낙농업의 경우, '신중한 유전적 선별(genetic selection)'과 '우량종우(elite bull)에게서 채취한 정자를 암소에게 수정시키는 방법'을 이용하여, 그런 관행이 도입되기 전인 1940년대보다 네 배나 많은 우유를 생산하는 암소를 탄생시켰다. 그러나 육우(beef cattle)의 경우에는 인공수정(artificial insemination)이 종종 사용되지 않는다. 왜냐하면 가축들에게 목초지에서 자유롭게 배회하도록 허용하는 관계로, 생식주기의 적당한 단계에 있는 암소를 추적하기가 힘들기 때문이다. 더욱이 돼지의 경우에는 보관중인 정자가 종종 사망하기 때문에 인공수정을 제대로 할 수가 없다.

네 아버지가 누구냐?

오틀리가 이끄는 연구팀은 현재 대리종돈(surrogate pig sire)을 개발하는 연구를 진행하고 있다. 2017년, 연구팀은 CRISPR-Cas9이라는 유전자편집 도구를 이용하여 돼지의 NANOS2라는 유전자를 불능화시켰다고 보고했다(참고 1). 불능화된 NANOS2 유전자를 두 개 갖고 있는 돼지들은 (정자만 생성할 수 없을 뿐) 정상이므로, 이상적인 대리종돈이 될 수 있다.

같은 해에, 영국 에든버러 대학교 부설 로슬린 연구소의 마이클 맥그루가 이끄는 연구팀은 "다른 유전자편집 시스템(TALENs)을 이용하여 DDX4라는 유전자를 불능화시킴으로써 불임 암탉(sterile female chicken)을 만들었다"고 보고했다. DDX4는 원시생식세포(PGCs: primordial germ cells)의 발생에 필수적인 유전자인데, PGCs는 난자를 만드는 역할을 한다. DDX4 유전자가 불능화된 암탉들은 PGCs를 만들 수 없으므로 생식능력이 없지만, 발생중인 배아에 다른 닭의 PGCs를 이식하면 (공여자의 유전정보를 포함한) 알을 낳을 수 있으므로 대리모로 전환될 수 있다(참고 2).

맥그루 팀은 실제로, 불능화된 DDX4 유전자를 보유한 암탉의 (발생중인) 배아에 다른 닭의 줄기세포를 이식해 봤다. 그랬더니 그 암탉들은 알을 낳게 되었는데, 연구팀은 그 알에서 부화된 병아리들이 정말로 공여자의 자손인지 여부를 확인하고 있다.

맥그루는 내년에 (에티오피아나 가나와 같은) 아프리카 국가의 환경에 잘 적응한 닭 품종에게 이 기법을 적용할 계획이다. 또한 이 기법을 이용하여 인도와 영국의 희귀한 닭 품종을 보존할 수 있기를 바라고 있다.

"달걀은 포유류보다 세포를 이식하기가 쉽다. 왜냐하면 닭의 배아에 접근하기가 비교적 쉽기 때문이다. 유전학자가 할 일은, 알껍질에 작은 구멍을 뚫은 후 발생하는 배아의 혈관구조에 세포를 주입하는 것밖에 없다. 그러고 나면, 세포가 알아서 적당한 자리를 찾아가 증식하기 시작한다"라고 맥그루는 말했다.

그에 반해, 돼지의 경우에는 기술적으로 큰 난제가 있다. 지난 1월 캘리포니아 주 샌디에이고에서 열린 식물과 동물의 유전체 회의(Plant and Animal Genome meeting)에서, 오틀리는 '정자생성 줄기세포'를 대리종돈에게 이식한 결과를 설명했다. 그에 의하면, 줄기세포는 살아남아 (정상적으로 보이는) 정자를 생성했지만, 전형적인 종돈에서 기대되는 사항들이 너무 많이 부족하다고 한다.

"대리부가 생성한 정자가 제 역할을 하기에는 턱없이 부족해 보인다." 샌디에이고 회의에 참석했던 UC 데이비스의 앨리슨 밴 에네남은 논평했다. "그러나 대리종돈이 정자를 생성하는 게 가능하다는 점이 증명되었으므로, 진정한 개념증명(proof of concept)이라고 할 수 있다."

험난한 승인 과정

다음 달 일본 코베에서 열리는 형질전환회의(Transgenic Technology Meeting)에서, 오틀리는 생쥐 대리부(surrogate mouse sire)가 - 유전적으로 다른 생쥐계열에서 정자생성 줄기세포를 이식받았음에도 불구하고 - 정상적인 생식능력을 얻었음을 입증하는 데이터를 추가로 공개할 예정이다. "다음번 과제는, 이 기법을 가축에게 적용하는 것이다"라고 그는 말했다.

"그것은 아직도 엄청난 도전에 직면해 있다"라고 캐나다 캘거리 대학교의 이나 도브린스키(생식생물학는 말했다. 연구자들은 (배지에서 배양할 때 정자를 생성할 수 있는) 생쥐와 시궁쥐의 줄기세포 수를 늘리는 기법을 보유하고 있다. 그러나 - 암 치료를 받은 어린이들의 생식능력을 회복하기 위해 많은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 - 그 기법은 인간을 포함한 대형동물에서는 잘 작동하지 않는다."

오틀리는 자신의 기법이 농장에 보급되려면 앞으로 5년쯤 걸릴 거라고 예상하고 있다. 그러나 대중과 규제당국이 그런 접근방법을 받아들일지는 불확실하다. 오틀리는 자신의 연구를 설명하기 위해 미 식품의약국(FDA)을 두 번 방문했고, 맥그루는 인도의 당국자들과 그 문제를 협의한 바 있다. "대리종돈의 자손들은 유전자가 편집되지 않을 예정이지만, 일부 당국자들은 아직도 내 말을 곧이곧대로 듣지 않고 있다. 일부 국가에서는 내 기법이 승인을 받는 데 많은 시간과 돈이 필요할 것으로 예상된다"라고 맥그루는 말했다.

"유전자가 편집되는 것은 대리부이지, 정자가 아니라는 사실을 나는 잘 알고 있다. 그러나 규제당국과 소비자들은 그 사실을 납득하지 않는다. 솔직히 말해서, 오틀리의 접근방법이 승인을 받을 거라고 장담할 수 없다"라고 도브린스키는 말했다.

※ 참고문헌
1. https://www.nature.com/articles/srep40176
2. https://www.ed.ac.uk/roslin/news-events/archive/2017/egg-free-surrogate-chickens-produced

※ 출처: Nature https://www.nature.com/articles/d41586-019-00718-5

 

오늘도 우리 몸은 싸우고 있다

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로 활발하게 활동하...
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