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성영훈
성영훈(Young Hoon Sung) 저자 이메일 보기
연세대학교
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Highly efficient gene knockout in mice and zebrafish with RNA-guided endonucleases
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

Mouse genetics의 발전은 의학 및 생명과학의 발전에 지대한 영향을 끼쳤다는 사실을 누구도 부인할 수 없을 것입니다. 특히, 유전자 녹아웃(gene knockout, KO) 마우스의 생산은 유전자 기능의 분석 및 질병의 이해에 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 유전자 녹아웃 마우스의 생산은 마우스 embryonic stem (ES) cell의 특성 및 유전적 조작에 기초했습니다. 유전적으로 변형된 ES cell을 다시 마우스 embryo에 집어넣으면, 이는 germ cell로 분화될 수 있고, 따라서 germ-line transmission을 통해 인위적으로 조작된 유전자를 갖고 있는, 살아있는 마우스를 생산해 낼 수 있었던 것입니다. 이러한 기술을 통해 다양한 유전자 녹아웃 및 특이적인 변이를 갖고 있는 유전자 knock-in 마우스들이 생산되어 개체 수준에서 그 영향을 연구할 수 있도록 했던 것이죠. 이러한 공로를 인정하여 초기 유전자 녹아웃 마우스 생산의 기반을 다졌던 Mario R. Capecchi, Martin J. Evans, 그리고 Oliver Smithies 세 분 과학자에게 2007년 노벨상이 수여되었던 것입니다.

그 유용성에도 불구하고, ES cell을 통한 유전자 녹아웃 마우스의 생산은 매우 전문적인 기술이 요구되는 작업으로, 높은 비용과 1~2년의 긴 시간, 그리고 노동집약적인 일련의 단계들을 필요로 합니다. 더군다나 ES cell의 quality (미분화 상태의 유지)에 따라서 그 성패가 결정되는 만큼 위험부담도 많았던 것이 사실입니다. 이러한 유전자 녹아웃 마우스의 생산을 촉진하기 위해서 국제적으로 다양한 노력들이 이뤄졌습니다. 특히, 미국과 유럽을 중심으로 하는 International Knockout Mouse Consortium (IKMC)가 결성되어 "ES cell을 이용해서 단백질을 암호화하는 모든 유전자의 녹아웃 마우스 생산"을 목표로 대단위 프로젝트가 수행되어 왔습니다. 그 결과 수많은 유전자들에 대한 방대한 녹아웃 ES cell 데이터베이스가 구축되었고 이를 일반에 공급하기에 이르렀습니다. 하지만, 여전히 이들 ES cell을 통해 살아있는 마우스를 생산하는 일들은 매우 더디고 어려운 일입니다.

근래 3~4년 동안, zinc-finger nuclease (ZFN), Transcription activator-like (TAL) effector nuclease (TALEN), 그리고 CRISPR/Cas9 시스템으로 세대가 빠르게 교체되며 engineered nuclease 분야가 급속하게 발전되어 왔습니다. 이들의 발전은 매우 빠르게 녹아웃 마우스 생산에 적용되어 왔고, 실제 ES cell을 통한 유전자 조작 단계가 녹아웃 마우스 생산에 불필요할 수 있음을 증명하게 되었습니다. 저희도 올 1월에 TALEN을 유전자 녹아웃 마우스의 생산에 적용하여 Nature Biotechnology에 관련 사실을 논문화할 수 있었습니다. 하지만, 이와 거의 동일한 시기에 RNA sequence에 의해서 그 specificity를 reprograming 할 수 있는 CRISPR/Cas9 시스템(RNA-guided endonuclease, RGEN)이 mammalian system에서의 genome editing에 사용될 수 있음을 cell line에서 증명하는 결과들이 국내외의 여러 실험실에서 동시다발적으로 보고가 되었으며, 올 1년 동안 대부분의 주요 실험동물모델에서 이를 이용한 유전자 녹아웃 및 genome editing이 보고 되었습니다. 이는 ZFN과 TALEN에 비해 그 design과 생산이 매우 쉽다는 RGEN의 특성을 바탕으로 합니다. 이러한 발전을 계기로 유전자 녹아웃 마우스의 생산에 있어서 RGEN 및 TALEN 등 engineered nuclease들의 사용이 점차적으로 ES cell에 대한 의존성을 점차적으로 줄여 나갈 것이며, 이번 우리의 Genome Research 논문도 RGEN의 효용을 증명하는 하나의 예로써 이에 기여하리라 여겨집니다.

잘 아시다시피 이번 논문은 주로 engineered nuclease와 mouse genetics라는 두 전문분야가 융합하여 만들어낸 것입니다. Engineered nuclease 분야의 권위자이신 서울대 화학과 김진수 교수님과 유전자 녹아웃 마우스를 포함한 genetically-engineered mouse (GEM) 모델의 생산 및 그 표현형 분석에 전문가이신 이한웅 교수님, 이 분들이 이끄는 연구팀들이 각자의 전문성을 발휘하여 RGEN을 이용한 유전자 녹아웃 마우스 생산에 성공한 것입니다. 국제적으로 극심한 경쟁이 존재하는 분야로 이번 논문의 모든 저자들이 매우 스트레스를 받으면서 일을 진행했고, 데이터를 분석하고 논문 쓰느라 꽤 노력을 했습니다. 특히, 이 논문의 제1저자 중 한 명인 서울대 화학과 김종민 선생님과 저는 실제 얼굴도 본 적이 없고, 단지 수 백 통의 전화와 메시지, 그리고 이메일을 주고 받으며 실험을 진행했으며, 여러 날 전화잡고 밤 세워 일하던 기억은 잊을 수 없을 것 같습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

저는 오랫동안 연세대학교 생화학과의 이한웅 교수연구실(마우스 분자유전학 실험실)에서 일하고 있습니다. 우리 실험실의 전문연구분야는 암발생과 노화입니다. 이들 연구는 특히나 유전자 녹아웃 마우스의 생산과 그 표현형의 분석이 매우 중요한 분야이며, 이러한 연유로 실험실에서 양성되는 많은 연구인력들이 GEM 모델의 생산 및 표현형 분석을 담당하고 있습니다. GEM 모델을 생산하고 그 표현형을 제대로 분석하기 위해서는 잘 조직된 animal facility가 필요합니다. Animal facility는 GEM의 제작, specific pathogen-free (SPF) 시설에서의 GEM 사육 및 관리, 그리고 GEM의 동결보전 및 re-derivation 등과 같은 GEM 연구에 필수적인 기능을 수행하는 인프라와 인적자원을 통칭한다고 할 수 있습니다. 이한웅 교수님께서는 2006년 연세대학교에 부임하신 후, 연세대학교 실험동물연구센터(Yonsei laboratory animal research center, YLARC)를 건설하여 현재까지 이를 운영하고 계십니다. 다른 기관의 animal facility에 비해서 매우 작은 규모이기는 하지만, GEM 생산과 관련된 노하우가 많이 쌓여 있어, 생산되는 GEM의 숫자는 국내에서 가장 많은 수준입니다. 이렇게 생산된 GEM 모델들은 국내외로 전달되어 다양한 연구에 사용되고 있습니다.

여기서 주목할 점은 마우스분자유전학 실험실과 YLARC가 유기적으로 작용하여 다양한 목적의 GEM을 디자인하고 생산해 낸다는 것입니다. 따라서 어떤 면으로는 우리 실험실과 YLARC가 기능적으로는 하나라고 볼 수 있습니다. 저는 우리 실험실과 YLARC가 이러한 협동을 통해 다양한 분야의 국내외 연구자들이 각자의 연구분야에 있어서 목적하는 연구를 진행할 수 있도록 GEM이라는 매우 귀중한 실험재료를 제공하고, 또한 그 표현형 분석을 도움으로써 생명과학의 발전에 기여하고 있다고 자부합니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

위에서 잠시 언급했듯이 이번 논문은 주로 김진수 교수님의 연구팀과 이한웅 교수님이 이끄시는 우리 연구진들의 협동적 연구활동에 의해서 만들어진 것입니다. 최근 국외 연구기관에서 발표되는 이 분야의 논문들을 살펴보면, 한 마디로 기가 죽을 때가 많습니다. 연구인력과 연구기관의 규모에 있어서 어떻게 보면 우리와 상대가 되지 않습니다. 하지만, 우리는 이에 지지 않고, 최소한 비슷한 속도로 결과를 내고 있다고 생각합니다. 두 분 교수님들의 선견지명과 지도력이 빛났다고 생각되며, 한편으로는 "앞으로도 이들과 경쟁할 수 있다"라는 자신감을 얻었습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?


당연한 이야기이지만 녹아웃 마우스를 만드는 이유는 생체 내에서 유전자의 역할을 이해하기 위해서 입니다. 저는 녹아웃 마우스의 이용이 앞으로 cell culture와 비슷하게 의생명과학의 연구에 있어서 보편적인 도구가 될 것이라고 생각합니다. 이번 논문에서는 주로 germ-line mutation을 기반으로 하는 whole-body 녹아웃 마우스의 생산에 관해 기술했지만, 앞으로는 조건적 녹아웃이나 knock-in 마우스의 생산에 관한 다양한 연구가 더욱 세세하게 이뤄질 것입니다. 그러기 때문에 앞으로는 누구나 engineered nuclease와 mouse genetics 원리 및 이용에 관해서 해박한 지식을 갖고 있어야 된다고 생각합니다. 한 단계 더 나아가 ES cell이 만들어지지 않아 유전적인 조작이 어려웠던 다양한 종류의 동물모델에서의 연구와 새로운 유전자 치료방법의 개발에 관한 연구 등, 유전학적인 연구분야가 더욱 다양화 될 것이며, 그 가능성 또한 무궁무진하리라 여겨집니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?


이제 RGEN을 통해서 유전자 녹아웃 마우스를 만들기 시작했으니, 조금 더 노력해서 이 기술을 더욱 공고히 할 필요가 있다고 생각합니다. 이를 위해 우리가 현재 진행 중인 다양한 실험들을 서둘러서 완성해야만 되겠지요.

이제 막 논문을 발표했지만, 실제적으로 우리가 연구에 사용하고자 하는 다양한 마우스모델들을 이미 RGEN을 이용해서 제작해 오고 있습니다. 위에서 언급했듯이 녹아웃 마우스는 reagent이고 RGEN을 이용해서 이미 녹아웃 마우스들을 제작했으니, 이제 본업으로 돌아가 이들을 사용해서 본격적인 실험을 할 때입니다. 예상했던 대로 표현형이 나오는지를 확인해야 하고, 그 근간을 이루는 분자생물학적 기전을 앞으로 연구하고자 합니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

언제나 느끼는 것이지만 혼자서 할 수 있는 일이란 없는 것 같습니다. 두 분 선생님께서 좋은 연구에 참여할 기회를 주시고 지도해 주신 데 대해서 감사 드리며, 또한 고생 많았던 후배들에게 고마운 마음을 전하고 싶습니다. Zebrafish study를 통해 논문에 참여하신 김철희 교수님과 역시 아직 뵙지 못한 김현택 박사님께도 감사 드립니다. 마지막으로 전화상으로 나마 논문 쓰며 희로애락을 같이 했던 김종민 선생님, 조만간 만나서 소주 한잔 합시다.
 등록일 2013-12-04
Category: Genetics, Biotechnology, Molecular_Biology
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