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[바이오 신기술] 인류 최초의 복제 포유동물 “돌리”
생명과학 땡칠이닥터 (2017-08-08 11:14)

SUMMARY

정확히 11개월만에 다시 연재를 시작한다. 너무 오랜만에 연재를 하다 보니 연재의 맥이 끊겼는데 마지막 연재의 끝부분부터 다시 설명을 시작해 보자.

체세포 복제기술은 줄기세포 개발과 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 약 110년전인 1903년, 발생중인 수정란을 반으로 자르면 쌍둥이 도룡뇽을 만들 수 있다는 것을 알게 되었고 1975년에는 개구리의 피부세포를 핵을 제거한 개구리 알에 삽입하여 올챙이까지 발생시키는데 성공했다. 완전하지는 않았지만 동물의 체세포 복제에 성공한 것이다. 하지만 포유동물 복제는 양서류보다 훨씬 어려운 과정이 많아 개구리 복제 이후로 20년이 넘게 성공하지 못하고 있었다. 하지만 1997년, 드디어 로슬린 연구소의 윌머트 박사팀이 세계 최초로 체세포 복제 포유동물인 Dolly를 탄생시키는데 성공한다.

피부 세포로 개구리 복제에 성공하다

1997년 복제양 Dolly가 나오기 22년 전인 1975년, Gurdon 박사는 개구리의 피부 세포로 올챙이 단계까지의 복제에 성공하였다. 개구리 피부 세포로 복제에 성공한 것이 뭐가 대수냐고 생각하시는 분도 계실 수 있지만 이 연구결과는 매우 큰 의미를 가지고 있다.

1903년에는 스위스 과학자 한스 슈패만 (Hans Spemann)은 도룡뇽의 발생중인 수정란을 반으로 자르는 방법으로 복제하여 쌍둥이 도룡뇽을 만드는데 성공 (De Robertis 2006) 해서 세계 최초로 복제동물을 만든 타이틀을 가져 갔다. 하지만 이것은 어디까지나 발생과정 중에 있는 세포를 가지고 만든 성과였다. 발생과정 중에 있는 세포를 반으로 잘라 쌍둥이를 만드는 것이나 발생과정 중에 있는 세포를 이용해서 수정란을 만드는 것도 역시 대단한 아이디어였지만 발생과정 중에 있는 세포는 그 자체가 난할을 통해 발생을 하는 세포이므로 분화된 세포를 이용하는 복제만큼 어려운 과정은 아니었다. 많은 과학자들은 분화된 세포를 이용해서 다시 수정란을 만들 수 있는지 연구했다. 분화가 완료된 세포로 다시 수정란을 만들어서 발생시킬 수만 있다면 다양한 세포를 이용해 복제동물(복제인간)을 만들 수 있기 때문이다. 때마침 최근 인간 배아 유전자 교정 관련, 뜨거운 관심이 생겨나고 있는데 이와 직접적 관련은 없지만 복제인간을 만들 수 있다는 것이 어떤 의미가 있는지 독자 여러분의 이해를 돕기 위해 엽기적인 소설을 한 편 써보자.

이해를 돕기위한 소설 : 불의의 사고로 사망한 아내를 다시 태어나게 한 A 생명공학 교수

BRIC에는 워낙 넓은 독자층이 계시기 때문에 체세포복제를 좀더 이해하시기 쉽게 하려고 쓴 엽기 소설이니 그냥 재미로 읽어보시길 바란다.

“BRIC에서도 활발한 활동을 하던 유명 30대 부부 과학자 A교수와 B 박사. 과학적 성과만큼이나 부부 사이가 좋던 두 부부에게 큰 사고가 생겼다. 빗길 고속도로에서 미끄러진 대형 버스에 추돌되어 타고 있던 중형차가 형체도 알아볼 수 없이 찌그러져 남편인 A 교수는 중태, 아내인 B 박사는 현장에서 사망하고 만 것. 일주일이나 지나서 간신히 의식을 되찾은 A 교수는 아내의 소식을 듣고 곡기를 끊으며 절망하였다.

아내의 목소리가 들리는 듯한 환청에 허공에 대고 대답하기도 여러 번. 끔찍하게 힘들었던 6개월동안의 물리치료와 재활훈련을 마치고 연구실로 복귀한 A 교수는 몇 주 동안 연구실에 틀어박혀 자료를 수집하고 논문을 읽더니 미친 듯이 연구를 시작했다. 그가 진행하기로 한 연구는 사망한 아내가 다시 태어나게 하는 것. 다른 실험의 대조군 비교 목적으로 실험실 질소탱크 마이너스 192도 조건에 동결, 보존해 놓은 아내의 구강상피세포를 융해해서 배양해 보니 썩 괜찮은 세포를 얻을 수 있었다. 아내의 얼굴, 몸매, 목소리를 100% 간직한 세포는 이미 확보.

문제는 난자와 복제 수정란을 임신시킬 대리모를 구하는 일인데 난자는 시험관 아기 시술 병원에서 채취한 난자를 동료 연구자에게 비공식적으로 얻을 수 있어서 드디어 실험 실시.

시험관 아기 시술 병원에서 채취한 난자가 가지고 있던 유전물질을 핵과 함께 조심스럽게 제거하였다. 핵이 제거된 난자에 아내의 배양된 구강상피세포 중 하나를 조심스럽게 삽입하고 전기충격을 준 다음 체외에서 배양. 배양한 초기 배아들을 호르몬 처치한 대리모에게 초음파를 보며 조심스럽게 이식했다. 대리모는 딸을 잃고 힘들어하던 장모. 딸도 딸이지만 아내를 잃고 힘들어하는 사위가 더 걱정이던 장모는 사위의 계획을 듣고 망설이다가 끝내 동의한 것이다. 내심 걱정이 앞섰지만 워낙 눈에 넣어도 아프지 않던 딸을 다시 볼 수 있을지도 모른다는 희망 때문에 어렵게 동의한 것이다. 복강경을 통한 자궁내 수정란 이식 후 5주령에서 임신 확인. 장모는 35년만에 같은 딸을 두번째로 출산하게 될 것이고 A 교수는 사진으로만 보았던 아내의 출생부터 아내의 어린 시절을 직접 눈으로 보게 될 것이다. 제대로 쉬지 못해 퀭해진 눈으로 조금씩 불러오는 장모의 배를 바라보던 그는 마음 속으로 되뇌고 있다.

‘살아있는 아내를 다시 볼 수만 있다면…… 아빠 뻘로 늙어버릴 자신을 사랑하지 않아도 그녀를 다시 볼 수만 있다면 행복할 거라고…… ‘

인간 복제는 윤리적으로 어떤 문제가 있을 수 있는지, 똑같은 유전형질을 가지고 다시 태어난다고 해서 같은 사람이라고 볼 수 있는지에 대해서 같이 생각해 보자는 뜻에서 공유한 글이니 딱 거기까지만 생각해 주시길 바란다.

Gurdon 박사 연구 성과의 의미

독자 여러분의 이해를 돕기 위해 말도 안 되는 소설을 썼는데 소설 내용과 같이 생식세포가 아닌 피부와 같은 일반 세포로 동물과 심지어는 사람조차 기술적으로 복제가 가능하게 되었고 이렇게 복제가 가능해 졌다는 것은 놀라운 일이 아닐 수 없다.

독자 여러분들께서 아시는 것처럼 체세포 복제 이전에 ‘생식세포 복제’라는 기술이 있었다. 수정란이 분할을 하면 그 세포를 분리해서 핵을 제거한 난자에 주입해서 같은 개체를 만드는 기술이었다. 이 기술을 이용하면 유전적으로 똑같은 개체를 만들 수 있으나 형질을 정확히 알고 있는 세포를 복제하는 것은 아니어서 식물로 따지면 아주 예쁜 꽃을 피우는 나무 자체를 복제하는 것이 아니라 그 나무에서 생산된 씨앗을 복제하는 것 쯤으로 이해하시면 되겠다. 그래서 생식세포 복제는 완전한 의미의 개체 복제라고 보기는 어렵고 여러 쌍둥이를 만들 수 있는 기술로 인식되어 있었다. 그러나 체세포 복제는 달랐다. 독립적인 개체 자체를 똑같이 만들 수 있는 기술이었기 때문에 체세포 복제는 생식세포 복제보다 더 큰 의미를 가질 수 있는 기술이었다. 필자가 쓴 엽기 소설 속의 아내의 경우처럼 생식세포 복제로는 아내와 똑 같은 사람을 만들 수 없지만 체세포 복제로는 가능하다. 많은 국가에서 포유동물 체세포 복제 연구를 진행했지만 체세포 복제는 쉽게 이루어지지 않았고 또 그 기술이 실제로 가능한 기술인지 알 수 없어서 조금씩 조건을 바꾸어가며 실험을 거듭하고 있었다. Gurdon 박사가 연구를 거듭하던 1970년대만 해도 유전자 분석 기능이 완전하지 않았기 때문에 완전히 다른 형태의 세포들, 즉 피부세포나, 혈구세포, 내분비 세포들처럼 고도로 분화된 세포가 과연 똑 같은 유전체를 가지고 있을 것인지, 만약 똑 같은 유전체를 가지고 있다면 세포마다 똑 같은 유전체를 가지고 있음에도 불구하고 그렇게 완전히 다른 형태의, 각기 다른 기능을 수행할 수 있는 것인지가 확실하지 않았다. 그런데 이런 난제의 실마리를 제공한 사람이 바로 캠브릿지 대학의 Gurdon 박사였다. Gurdon 박사는 개구리 피부 세포를 탈핵시킨 개구리 난자에 주입하여 올챙이 단계까지 만들어내는데 성공한 것이다. 이 연구 성과는 당시 과학기술을 놓고 보면 가히 파격적이고 놀라운 연구성과라고 할 수 있었다. 피부세포와 같은 체세포만으로 복제가 가능할 수 있다는 것은 다시 말해서 우리 몸의 아주 일부를 보존해둘 경우 과학기술이 발달하면 언제든지 나와 똑 같은 복제인간을 만들 수 있다는 뜻이기 때문이었다. 이렇게 흥미진진한 주제를 영화제작사들이 놓칠 리가 없었다. Gurdon 박사의 연구결과가 발표되고 6년뒤인 1982년, 리들리 스콧 (Ridley Scott) 감독은 유전공학적으로 만들어진 복제인간인 레플리컨트 (replicant)를 “블레이드 러너”라는 영화에 등장시킨다. 인간과 똑 같은 지적 능력을 가졌음에도 불구하고 복제되었다는 이유만으로 전쟁에 나가거나 위험한 우주 개발, 섹스 대상 등 인류의 노예역할을 하는 개체로 그려졌다. 영화 속 시계는 현재와 비슷한 2019년을 그리고 있는데 21세기임에도 불구하고 만들어진 과정을 대상으로 차별을 하는 모습을 보여주고 있다. 21세기판 인종차별인 셈이다.

리들리 스콧 (Ridley Scott) 감독의 영화 “블레이드 러너” 포스터
Figure 1. 리들리 스콧 (Ridley Scott) 감독의 영화 “블레이드 러너” 포스터. 인간과 똑 같은 지적 능력을 가졌음에도 불구하고 복제되었다는 이유만으로 전쟁에 나가거나 위험한 우주 개발, 섹스 대상 등 인류의 노예역할을 하는 레플리컨트 (replicant)는 유전공학적 기법으로 만들어졌다. 감독은 21세기임에도 불구하고 만들어진 과정을 대상으로 차별을 하는 인간의 모습을 보여주고 있다.


분화된 세포의 초기화 : Nuclear reprogramming

Gurdon 박사의 놀라운 연구결과에도 불구하고 완전한 성체인 개구리까지 만드는데 실패하고 올챙이까지만 자라는데 성공해서 분화된 세포를 이용해 완전한 개체 복제가 가능하다고 주장하기에는 뭔가 부족함이 있었다. 즉 개구리의 피부 세포가 완전히 복제가 가능한 세포로 리프로그래밍 되었는지 여부가 확실치 않았다는 뜻이다.  여기서 리프로그래밍(reprogramming)이란, 분화된 세포가 다른 세포로 바뀔 수 있도록 되었다는 뜻이다. 본래 고도로 분화된 세포는 매우 안정적이다. 그래서 피부세포 조직은 계속 피부 조직을 만들고 간세포를 만드는 조직은 계속 간세포를 만든다. 만약 이런 일관성이 깨진다면 그것은 곧 병이 생기거나 암이 생기는 것을 의미하게 된다. 그런데, 만약 피부세포가 정상적인 간세포가 될 수 있다고 가정하면 그것은 세포 안에 일종의 스위치 같은 것이 있어서 피부세포용 스위치가 모두 꺼지고 간세포용 스위치가 모두 켜진다면 가능한 일일 것이다. 바로 세포 안에서 그런 스위치를 켜고 끄는 것이 바로 핵 리프로그래밍 (Nuclear reprogramming)이다. 개구리의 피부세포가 다시 수정란이 되어 분화를 시작하려면 핵이 완벽하게 리프로그래밍 되어야 했다. 1975년 Gurdon 박사가 개구리 피부 세포로 올챙이를 만들어 최소한 양서류에서 리프로그래밍이 일부 가능하다는 것을 알 수 있었지만 포유류에서도 가능한지 여부는 정확히 알 수 없었다. 적어도 세계 최초 체세포 복제 포유동물 돌리가 세상에 태어날 때까지는 말이다.

세계 최초의 체세포 복제 포유동물 Dolly

언론에서 발표한 자료에 보면 세계 최초 복제양, 세계 최초 체세포 복제 동물 등 이렇게 불리는 자료를 많이 볼 수 있는데 가장 정확한 표현은 세계 최초 체세포 복제 포유동물 돌리라고 부르는게 가장 정확한 표현이 아닐까 생각한다. 왜냐하면 Dolly 이전에도 복제동물이나 체세포 복제 동물은 있었기 때문이다. 앞에서도 설명 드렸지만 1903년에는 스위스 과학자 한스 슈패만 (Hans Spemann)은 도룡뇽의 발생중인 수정란을 반으로 자르는 방법으로 복제하여 쌍둥이 도룡뇽을 만드는데 성공 (De Robertis 2006) 했기 때문에 돌리는 최소한 세계 최초 복제동물 타이틀은 가질 수 없었다. 체세포 복제의 경우에도 앞에서 설명한 1975년 Gurdon 박사의 연구가 있어 세계최초 체세포 복제 타이틀도 가질 수 없었다. 그래서 “세계 최초 체세포 복제 포유동물” 이 바로 Dolly가 가질 수 있는 타이틀이었는데 그럼에도 불구하고 Dolly는 다른 동물들 보다 훨씬 유명하다. 그 이유는 포유동물에서 복제 동물을 만들기는 도룡뇽이나 개구리에 비해 매우 어렵기 때문이다. 개구리의 경우에는 수정란이 체외에서 난할을 하고 성장하기 때문에 복제 수정란을 만드는 과정까지가 어렵다. 하지만 포유동물의 경우 과배란 처치를 통해 난자를 회수하고 수정란을 외과적 처치를 통해 대리모에게 이식해야 하는 등 개구리에 비해 훨씬 많은 과정이 필요하다.

영국 로슬린 연구소 (Roslin Institute)의 위머트 (Wilmut) 박사는 세계 최초로 면양 (sheep)에서 체세포 복제를 통한 새끼양을 생산하면서 각 세포별 복제 능력을 확인하는 실험 디자인을 기획했다.  복제하는 후보 세포로는 수정란이 된지 9일째의 배아 (embryo), 26일 된 태아 (fetus) 그리고 6살짜리 임신한 암양의 유선(mammarian gland)에서 채취한 세포 등  3가지 종류의 세포를 사용했다 (Wilmut, Schnieke et al. 1999). 이식 후 50~60일째 실시한 초음파 검사에서 총 21개의 태아가 발견되었지만 총 62%의 태아가 소실되어서 최종적으로 8마리의 새끼가 태어났다. 이 8마리 중 한 마리는 6살짜리 임신한 암양의 유선에서 유래한 세포에서 태어났다.

윌머트 박사의 논문을 통해 엿볼 수 있는 복제 동물 제작 과정의 특징 몇 가지를 설명해 보면 다음과 같다. 첫째는 체세포를 주입 받는 난자와 주입하는 세포의 세포주기(cell cyle)에 대한 것이었다. 체세포가 주입되어야 할 난자의 경우 제2중기 (metaphase II)인 경우가 가장 좋은 발달율을 보였다. 세포 주기와 관련된 것은 추후에 좀 더 자세히 다루기로 한다.
 
복제동물이 생산되기 위해서는 체세포가 이식되는 난자의 세포주기가 매우 중요하다
Figure 2. 복제동물이 생산되기 위해서는 체세포가 이식되는 난자의 세포주기가 매우 중요하다. Dolly 생산 이전에 진행된 이러한 세포 주기에 대한 선행 연구 결과 덕분에 Dolly는 세상에 태어날 수 있었다 (Campbell, Loi et al. 1996).

둘째, 복제 동물의 임신 과정 중 자궁내 흡수율/사망률이 높았다. 자연상태에서의 임신 과정 중 자궁내 흡수율은 겨우 6% 수준인데 비해 복제양의 임신 과정 중 흡수율은 62% 수준으로 상당히 높은 수준이었다. 물론 전체 실험횟수와 이식한 배아 숫자가 적기 때문에 몇 배가 높은지를 논하는 것은 의미가 없지만 체외에서 만들어진 수정란이나 배아가 자연적인 수정란이나 배아에 비해 생존능력이 낮다는 것은 여러 연구자들에 의해서 이미 보고되고 있는 내용이었다. 필자의 회사에서도 돼지의 체세포 복제를 실시하는데 보통 한번에 수술로 이식되는 복제 수정란이 200~400개 까지도 이식을 하게 되는데 임신율은 약 30%에 임신이 되었다고 하더라도 생산되는 산자수는 1~5마리 수준인 경우가 많다. 왜 그런지에 대한 이유는 윌머트 박사의 논문을 통해서도 파악할 수 있는데 후기 임신 과정 중 정상적으로 분만하지 못한 새끼양에 대한 분석 결과에서 간 형성 부전 등 이상이 나타났다.

셋째, 태어난 어린 양들은 모두 세포를 제공한 양의 특성을 그대로 가지고 있어서 실험 과정 중 정상적인 수정으로 인한 출생이 아님을 증명하였다. 종종 복제동물 생산에서 진위 여부가 논란이 되기도 한다. 복제동물의 성공과 진위 여부를 파악하기 위한 과정에 대해서는 별도의 연재에서 다루도록 할 예정이다.
 
 세계최초 복제 포유동물 Dolly와 얼굴과 머리 부분이 검은색의 Scottish black head 품종의 대리모
Figure 3. 세계최초 복제 포유동물 Dolly와 얼굴과 머리 부분이 검은색의 Scottish black head 품종의 대리모. Dolly가 대리모에게서 태어났지만 유전적으로는 무관하기 때문에 얼굴이 검은색이 아닌 흰색이다 (Wilmut, Schnieke et al. 1999).

EPILOGUE

필자는 영화를 참 좋아한다. 필자가 보았던 영화 가운데 “냉동인간”이라는 제목의 영화가 있었다. 착하기만 했던 주인공은 냉동 상태에서 ‘해동’되어 다시 활동을 시작했는데 그는 이전과는 완전히 다른 악한 사람이 되어 있었다. 영화의 말미에 질문이 흐른다. “수십 년 전에 죽었던 사람이 다시 살아 돌아왔다면 그는 과연 수십 년 전과 같은 영혼의 사람이었을까…..?”

우리가 하는 생명공학연구는 반드시 생명윤리를 고려하며 진행될 필요가 있다. 생명윤리를 고려한다는 것은 해당 생명공학연구가 꼭 안전하지 않아서도, 꼭 윤리적이지 않아서가 아니다. 새로운 연구를 시작할 때 의지와 상관없이 나쁜 결과가 나올 수 있는 가능성에 대해서도 충분히 고려할 필요가 있기 때문이다. 우리가 타는 차에 가속 페달과 브레이크가 모두 작동해야 안전한 탈 것이 되는 것처럼 생명공학연구에도 가속 페달 역할을 하는 첨단 연구가 있다면 보수적으로 고려해야 할 부분을 알려주는 브레이크 역할도 필요하다는 것을 인정하는 것 말이다.


관련연재

1편 - 누가 최초로 줄기세포란 멋진 이름을 붙였나? / 줄기(stem)의 일부만 심어도 완전한 개체로 복구될 수 있는 식물의 놀라운 능력 / 줄기세포 (stem cell)라는 용어를 인류 최초로 사용한 과학자 Ernst Haekel (1868년) / 다른 세포로 분화되는 능력을 가진 세포를 줄기세포라 명명한 Valentin Häcker (1892년) (2016년 8월 9일 연재)

2편 - 매일 하루에 2333억개의 적혈구를 만들어내는 줄기세포 (2)/ 생각보다 일찍 시작된 혈구에 대한 연구 / 100년전 발견된 혈액에서의 줄기세포 (stem cell)라는 개념을 생각해낸 100년전 과학자 알렉산더 A. 막시모프 (2016년 8월 17일 연재)

3편 - 줄기세포 논란 때마다 나오는 테라토마 (teratoma) (3)/ “STAP세포는 있습니다….” / Obokata 연구원의 연구 성과는 왜 그렇게 주목 받았을까?/ 약 60년전, 마우스에서 발견된 테라토마 (1954) (2016년 8월 23일 연재)

4편 - 핵전쟁 발발 가능성이 골수이식을 가능케 하다 (4) / 1945년 8월, 일본의 두 도시에 핵폭탄이 터지다 / 혈액성분에 가장 먼저 영향을 미치는 방사선 (1949년) / 조혈에 중요한 부위에 대한 단서를 찾다 (1951년) / 방사선에 노출된 마우스에 세포를 이식해 보다 / 사람에게 골수를 정맥으로 주사한 첫 시도 (1957년) (2016년 8월 30일 연재)

5편 - 1963년, 드디어 줄기세포의 개념이 확립되다 (5)/ 인류 최초의 골수이식 – 절반의 성공, 절반의 실패/ 사람 골수이식에 결정적 역할을 한 살신성인 핵물리학자 Louis Alexander Slotin 박사 / Louis Slotin 박사의 엄청난 판단력 덕분에 알게된 방사선 조사 용량 / 임상실패를 딛고 다시 동물실험을 기초부터 수행하다 / 1960년, 캐나다 – 의학과 생물리학의 만남 / 드디어 확립된 줄기세포의 개념 (2016년 9월 6일 연재)

6편 - 인류 최초 시험관 아기의 탄생 (1978년) / Mouse 유래 배아줄기세포의 분리 (1981) /
복제양 돌리가 탄생하는데 결정적인 역할을 한 개구리 체세포 복제 실험 (1975년) (2016년 9월 13일 연재)


참고문헌

Campbell, K., P. Loi, P. J. Otaegui and I. Wilmut (1996). "Cell cycle co-ordination in embryo cloning by nuclear transfer." Reviews of reproduction 1(1): 40-46.

De Robertis, E. M. (2006). "Spemann's organizer and self-regulation in amphibian embryos." Nature reviews. Molecular cell biology 7(4): 296.

Wilmut, I., A. Schnieke, J. McWhir, A. Kind and K. Campbell (1999). "Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells." Clones and clones: Facts and fantasies about human cloning 21.

 

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땡칠이닥터(필명) 이메일 보기
수의학박사, 주요 연구분야는 바이러스 유래 유전자 재조합 단백질, 이종이식 동물개발,  2016년부터 뜻한 바가 있어 어려운 바이오, 산업동물, 수의학 관련 학술 정보를 이해하기 쉬운 정보로 만들어 공유하는 일을 하고 있습니다. 
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회원작성글 생쥐야  (2017-08-08 15:56)
재밌게 읽고 갑니다^^
회원작성글 땡칠이닥터  (2017-08-18 08:25)
생쥐야 님, 재미있게 읽으셨다니 감사하네요. 좋은 하루 되시길 바랍니다.
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