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21세기 인간게놈프로젝트를 통해 인간의 유전체는 초파리와 선충 등의 하등생물과 별다른 차이가 없다는 점이 규명됐다. 이 사실은 사회적으로 큰 충격을 던졌다. 인간은 무엇인가? 왜 인간은 다른 생물에 비해 월등히 우수한 지적, 감성적 특성을 보이며 도구와 언어를 사용하는가? 다른 생물과의 이런 차별성은 무엇이, 어디서, 어떻게 만드는 것인가? 이런 의문들이 제기되고 있다.

지난 3백년 동안 인간은 이 문제를 과학적으로 규명하기 위해 노력해 왔으나 아직까지 그 해결의 실마리를 찾지 못하고 있다. 21세기 인간게놈프로젝트를 완성시킨 생명공학기술은 그 실마리를 분자 수준에서 다시 찾기 시작하고 있다.

게놈은 고대 유전자의 무덤

현대의 진화학자들은 진화란 생명체가 생존에 필요한 유전자를 주위 환경에 맞게 변화시킨 역사라고 한다. 이때 환경 요소로는 온도 변화, 먹이사슬 등 물리적인 것과 세균이나 바이러스의 침입과 같은 생물학적인 것이다. 이런 요소들은 궁극적으로 유전자 소멸과 새로운 유전자의 생성에 영향을 미친다. 결국 변형된 유전체는 세대를 거쳐 전달되며, 수백만년이 지난 지금도 살아있는 화석으로 남아있다. 그러므로 지금 살고 있는 생물의 유전체 정보를 이용하면 수백만년 전에 살았던 생물의 역사를 알 수 있다.

최근에 발표된 게놈프로젝트의 결과는 이런 가설을 입증하고 있다. 실제로 인간 유전체 내에는 대장균과 같은 세균을 포함해 다양한 종류의 바이러스 등 고대 생물의 유전자 흔적이 무덤처럼 남아있다. 또한 과거에는 유전자로서 왕성하게 활동했으나, 지금은 그 기능을 상실한 ‘유사유전자’(pseudogene)가 염색체의 말단 부위를 중심으로 유전체 곳곳에 퍼져있다. 그러나 인간 유전체의 95% 이상을 차지하고 있는 이런 정보들이 인간의 진화과정에 어떤 역할을 했는지는 아직 밝혀지지 않고 있다. 그래서 일부 과학자들은 이 유전체를 ‘정크DNA’(junk는 쓰레기라는 뜻)’라 부른다.

하지만 이는 잘못된 생각이다. 모든 생명체가 갖고 있는 DNA 흔적들은 수십억년의 세월을 거치면서 만들어져 유전체에 보존된 생명의 화석정보다. 즉 생물 유전체의 구조와 염기서열 차이는 생물들 간의 분화시기와 유전자 기능을 밝히는데 필요한 중요한 정보다. 특히 서로 가까운 종일수록 유전자의 구조나 기능에 확실한 차이를 보이기 때문에, 이런 정보를 잘 이용하면 새로운 유전자를 발굴하고 유전자 간의 기능적 네트워크를 좀더 쉽게 알아낼 수 있다.

인간과 생쥐의 유전체 정보 차이는 20% 이상이다. 하지만 침팬지와 인간의 유전체 차이는 1%에 지나지 않는다. 이 1%의 차이는 인간이 왜 감성과 언어, 지적능력을 비롯해 에이즈(AIDS), 말라리아, 암, 면역질환 등에서 침팬지와 확연한 차이를 보이는지 밝혀낼 수 있는 중요한 정보다. 나아가 ‘인간이란 무엇인가’ 라는 근본 의문을 풀 수 있는 중요한 실마리를 제공할 것이다.

침팬지 유전체 2%만 해독돼

인간게놈프로젝트가 진행되면서 현대의 생명과학은 지금까지 분산된 연구분야를 ‘유전체’라는 개념으로 통합할 수 있는 기틀을 마련했다. 나아가 컴퓨터공학과 접목하면서 다양한 정보를 손쉽고 빠르게 통합·분석할 수 있는 새로운 융합기술을 개발하고 있다. 유전체 염기서열 정보를 이용한 대표적 융합기술은 ‘비교유전체학’(comparative genomics)이다.

인간의 유전체는 미생물과 달리 매우 복잡한 구조와 유전자 조절방법을 갖고 있다. 이뿐 아니라 유전자의 형태와 종류조차 아직 정확히 파악돼 있지 않다. 더욱이 침팬지 유전자에 대한 연구는 다른 실험동물에 비해 거의 이뤄져 있지 않다. 따라서 인간과 침팬지의 30억쌍 이상의 유전체 비교분석 연구는 비교유전체학 기술의 정립에 매우 중요한 의미를 지닌다.

침팬지에 관한 유전학적 지식은 대부분 1960-1970년대 활발하게 진행됐던 세포유전학적 연구결과들이다. 당시의 연구 대부분은 해부학, 고고학적 지식을 기반으로 인간과 침팬지의 염색체 수, 모양, 그리고 구조 등이 어떻게 변화돼 왔는가를 조사함으로써 인간과 침팬지 사이의 진화적 메커니즘을 추측하는 것이었다.

지금까지 알려진 침팬지와 인간의 세포유전학적인 특징 중에서 가장 큰 차이점은 침팬지의 12번, 13번 염색체가 융합해 인간의 2번 염색체가 형성됐다는 점이다. 따라서 침팬지의 염색체는 인간의 46개보다 많은 48개다. 이런 변화는 침팬지에서 인간으로의 진화 과정에서 중요한 역할을 했을 것으로 추정된다. 또한 침팬지의 Y염색체는 인간의 것보다 크며, 전체 유전체의 크기도 인간이 30억 염기쌍인데 비해 침팬지는 약 34억 염기쌍으로 좀더 크다. 또한 1980년대부터는 분자생물학 기술이 발달하면서 DNA의 구조나 염기서열 정보를 이용한 유전체연구가 진행됐다. 이들 대부분은 침팬지나 인간의 유전체 내에 광범위하게 분포돼 있는 다양한 종류의 반복서열이나 유전체에 삽입된 흔적이 있는 레트로바이러스의 구조적 차이와 분포를 조사하는 것이었다.

현재 침팬지 유전체에 관련된 정보는 미국의 국립생명공학정보센터(NCBI)와 영국의 유럽분자생물학연구소(EMBL), 그리고 일본의 유전자정보은행(DDBJ) 등 유전체정보은행을 통해 찾아볼 수 있다. 현재까지 염기서열이 해독된 침팬지 유전체는 전체의 약 2% 정도로 대부분이 질병과 관련된 특정 유전자 배열이다. 침팬지를 포함한 영장류의 유전체 연구는 일본의 ‘실버 프로젝트’(http://sayer.lab.nig.ac.jp/~silver)에 체계적으로 수집돼 있다.

결정적 차이는 유전자 발현 정도

침팬지와 인간 유전체의 염기서열 상동성은 계산하는 방법에 따라 99%, 또는 95% 정도라고 알려져 있다. 하지만 이 차이는 그리 중요한 의미를 갖지 않는다. 유전체 구조에서 좀더 중요한 점은 침팬지와 인간의 유전체 염기서열이 어떻게 분포돼 있느냐는 것과 두 종이 어떤 특이적인 유전체를 갖고 있느냐 하는 것이다. 이 질문에 대한 몇가지 증거가 최근 연구를 통해 밝혀졌다. 과학자들은 침팬지와 인간의 확연한 차이를 만들고 있는 것은 유전자의 종류나 돌연변이 같은 유전자 변이뿐 아니라, 유전자의 대규모 이동에 의한 유전자 발현(DNA로부터 단백질이 만들어지는 것) 차이 때문인 것으로 생각하고 있다.

침팬지의 행동이나 지능은 2-3살짜리의 어린이 정도에 해당하며 사육사로부터 아무리 훈련을 받는다 해도 6살 정도의 지능을 갖는다. 인간과 비교되는 이런 차이는 과연 어디서 오는 것일까. 대부분의 과학자들은 이 의문의 한 실마리를 인간과 침팬지의 유전자 발현 정도의 차이에서 찾고 있다. 최근에 발표된 논문은 이런 가설을 입증한다. 독일의 막스플랑크 진화인류학연구소의 즈반테 파보 박사와 미 샌디에이고 캘리포니아대의 아지트 바르키 교수는 지난 2002년 4월 12일자 ‘사이언스’에 발표한 논문에서, 인간과 침팬지를 다르게 만드는 요인은 뇌에서 발현되는 유전자 활성의 차이라고 밝혔다.

연구진은 인간과 침팬지, 마카크 원숭이, 오랑우탄의 간, 혈액, 뇌 세포에서 유전물질 mRNA를 분리한 다음, 1만8천개의 인간 유전자를 심어놓은 DNA칩과 반응시켰다. 그 결과 예상대로 간과 혈액에서는 인간과 침팬지의 형질발현 패턴이 유사한 것으로 나타났다. 그러나 침팬지에 비해 인간과 연관성이 적다고 여겨지는 마카크 원숭이는 인간과는 상당히 다른 활성을 보였다. 즉 간이나 혈액에서의 형질발현 패턴은 가까운 종일수록 비슷하게 나타난 것이다.

하지만 뇌에서는 전혀 다른 결과가 나왔다. 사람과 침팬지의 형질발현 패턴이 극과 극처럼 완전히 달랐다. 인간의 뇌에서는 유전자의 사용이 훨씬 활발했다. 침팬지는 사람보다는 마카크 원숭이에 더 가까웠다.

왜 유전체가 99% 동일한 인간과 침팬지는 유전자 발현이 혈액과 간에서는 비슷하지만, 뇌에서는 차이가 나는 것일까. 동일한 생물체에 들어있는 모든 세포는 똑같은 유전자 세트를 갖고 있지만, 조직과 시기에 따라서 발현되는 유전자의 종류나 양이 다르게 조절된다. 또한 어떤 유전자는 완전히 발현되지 않거나 유전자의 구조는 유사하지만 전혀 다른 기능을 하는 경우가 있다. 특히 생물의 발생단계에서 나타나는 다양한 유전자의 발현 차이는 침팬지와 인간의 뇌 크기나 복잡한 구조, 뼈의 성장 등에 결정적 차이를 만든다. 궁극적으로 이런 유전자 발현의 차이가 인간과 침팬지 사이에 확연하게 나타나는 지적능력, 언어능력, 그리고 직립보행 등의 특징을 만들고 있다고 생각된다.

복잡한 뇌 만드는 잃어버린 유전자

유전자 발현뿐 아니라 침팬지에 비해 인간만이 갖는 독특한 유전자도 속속 밝혀지고 있다. 인간을 침팬지와 구분짓는 유전자에는 구체적으로 어떤 것이 있을까. 침팬지와 인간이 공통조상으로부터 분리되면서 만들어진 수천개의 유전자 가운데 현재 우리가 정확히 알고 있는 것은 ‘CMAH’와 ‘FOXP2’ 유전자를 포함해 수개에 불과하다. 하지만 생화학자들은 아직 이들 유전자가 다른 유전자와 어떻게 작용하는지 모른다. 단지 인간과 침팬지에서 이들이 서로 다른 양상으로 존재하고, 이 때문에 차이가 생길 것이라는 점만 알고 있을 뿐이다.

먼저 CMAH 유전자에 대해 알아보자. 인간이 침팬지와 구별되는 중요한 해부학적 특징은 뇌의 크기와 복잡한 구조에 있다. 이런 차이를 설명해 주는 키워드가 바로 CMAH(CMP-Neu5Ac Hydroxylase)다(그림).

이 유전자는 세포 내에서 ‘Neu5Ac’라는 화합물에 산소를 첨가시켜 ‘Neu5Gc’라 불리는 시아릭산(sialic acid)을 만든다. 침팬지를 포함한 대부분의 동물 세포에는 이 유전자가 매우 활발히 기능을 하고 있다. 하지만 사람에서는 이 유전자의 일부에 전이성인자(고대 바이러스가 게놈에 삽입된 흔적)가 삽입돼 전체 유전자 중 92개의 염기가 소실돼 있다. 따라서 사람에서는 CMAH가 그 기능을 발휘하지 못한다. 즉 동물 세포에는 시아릭산이 많이 분포돼 있지만 사람 세포에는 시아릭산의 전단계인 Neu5Ac만 존재한다.

CMAH가 만드는 시아릭산의 기능은 아직 명확하게 밝혀져 있지 않다. 하지만 지금까지의 연구에 의하면 침팬지를 포함한 다른 생물에서 시아릭산은 다른 세포에 비해 뇌세포에는 상대적으로 적게 분포하며, 특히 뉴런 세포에서는 거의 발견되지 않는다. 이런 결과로 볼 때 시아릭산은 뇌세포에 어떤 악영향을 미치는 것으로 추정된다. 즉 뇌에서는 다른 유전자에 의해 시아릭산의 생성이 억제되고 있는 것으로 추정된다. 현재 진화학자들은 CMAH가 침팬지와 확연한 차이를 갖고 있는 인간의 뇌 발달에 영향을 미쳤을 것으로 생각하고 있다.

언제부터 인간은 CMAH의 기능을 상실하게 됐을까. 이 시기를 분석하는 것은 침팬지를 포함한 유인원류와 원인류(hominid, 현대인간의 조상)가 언제 갈라졌는지를 분석하는데 매우 중요한 의미를 갖는다. 고고학적 연구에 의하면 인간의 뇌는 약 2백만년 전부터 그 크기가 증가하기 시작해 약 10만년 전까지 계속됐다. 50만-80만년 전의 원시인류인 네안데르탈인을 분석한 결과, 네안데르탈인은 이미 CMAH를 갖고 있지 않았던 것으로 판명됐다. 따라서 CMAH는 최소한 그 전에 기능을 상실한 것으로 생각된다. CMAH 주변의 정크DNA 분포 등 유전체의 구조적 차이로 분석해보면, 인류는 약 2백만년 전 이 유전자의 기능을 잃은 것으로 추정된다. 2백만년 전 인류의 조상은 뇌의 진화에 저해가 되는 CMAH를 잃고 침팬지와는 전혀 다른 방향으로 진화한 것이다.

언어와 수명 관장하는 유전자

뇌의 구조와 더불어 인간의 유일한 특징 중 하나는 언어다. 유전학자들은 인간의 언어 능력을 ‘FOXP2’(forkhead transcription factor)라는 유전자에서 찾고 있다. 언어의 출현은 성도(vocal tract, 성대에서 콧구멍에 이르는 통로)의 형성과 조절, 그리고 단어를 의미있게 연결시키는 추상적 사고를 관장하는 유전자와 관련있는 것으로 추정된다.

2001년 옥스퍼드대의 유전학자들은 FOXP2의 단일염기서열(SNP)이 변하면 입 놀림이 부자연스러워지고 문장 이해력이 떨어진다는 사실을 발견했다. 또한 과학자들은 지금까지 많은 동물에서 FOXP2와 연관성이 있는 것으로 보이는 변형체들을 발견했다. 하지만 아직 이것이 무슨 역할을 하는지 정확히 파악하지 못하고 있다.

2002년 독일의 즈반테 파보 박사는 FOXP2가 7백15개의 아미노산으로 구성된 단백질을 만들며, 이 중 2개의 아미노산이 침팬지와 인간에서 확연하게 차이가 있다는 사실을 발견했다. 그리고 이 유전자가 인간의 언어구사능력과 매우 깊은 연관성이 있는 것으로 추정했다. 현재 진화학자들은 인간의 FOXP2에 돌연변이가 일어난 시점을 현생인류가 탄생한 약 20만년 전으로 추정하고 있다.

한편 인간과 침팬지의 수명 차이를 설명할 수 있는 유전자도 밝혀졌다. 야생 침팬지의 수명은 40-45년으로 인간의 70-80년과는 많은 차이가 있다. 진화학자들은 이런 차이가 인간과 침팬지의 사회·문화적 차이에 기인한다고 설명한다.

즉 인간은 침팬지보다 복잡한 사회·문화적인 규제를 받는다는 것이다. 성생활을 예로 들어보자. 침팬지는 생후 9년 후부터 성생활을 하지만 인간의 경우는 보통 20세가 넘어야 가능하다. 또한 식생활과 먹이분배 등의 관습 차이도 이런 차이를 만드는 중요한 요인이다. 그러나 유전학자들은 수명에 관련된 유전자, 특히 세포의 노화 등에 관련된 유전자가 수명 차이를 결정한다고 생각한다.

최근에 발견된 ‘ApoE’(Apolipoprotein E) 유전자는 그 가능성을 더해주고 있다. 이 유전자는 인간과 침팬지에서 몇가지 변형체로 존재한다. 침팬지는 수명에 악영향을 미치는 것으로 알려진 ApoE 변이체들을 갖고 있는 반면, 인간은 이런 변이체들이 거의 상실돼 있다. 또한 지방을 많이 섭취하는 인간에게는 지방분해 능력이 남아있는 ApoE 변이체가 존재하지만, 침팬지에는 이런 변이체가 없다.

인간게놈 수수께끼 풀 단서

지난 2001년 3월 인간게놈프로젝트가 완성단계에 이르면서 한국(한국생명공학연구원)과 일본(이화학연구소와 게놈과학종합연구센터), 독일(막스 플랑크연구소), 중국(상하이게놈센터), 대만(양밍게놈센터)를 중심으로 ‘침팬지게놈연구 국제컨소시엄’이 결성됐다. 이를 계기로 본격적인 침팬지게놈 연구가 시작됐다. 한편 미국도 지난 2002년 5월 침팬지의 게놈 연구를 위한 예산을 확정하고 본격적인 염기해독 작업을 준비하고 있다.

이제 침팬지게놈연구는 인간게놈프로젝트 이후 전세계적으로 가장 많은 관심을 받고 있는 국제공동 프로젝트다. 앞으로 밝혀질 침팬지게놈의 정보는 인체의 30억쌍 문자의 수수께끼를 풀 수 있는 매우 중요한 실마리를 제공함과 동시에 인간의 본질을 이해하는데 좀더 정확한 정보를 제공할 것으로 기대된다.