d라이브러리

유전자는 DNA로 이뤄져 있으며, 염기 서열의 형태로 특정 단백질(폴리펩타이드) 합성에 필요한 아미노산 서열 정보를 저장하고 있는 DNA 상의 일정 부위라고 볼 수 있다. 중심 원리(central dogma)에 따라 유전자, 즉 DNA에 저장된 정보는 먼저 전사 과정을 통해 mRNA로 전달된다. mRNA로 전달된 정보는 번역 과정을 통해 단백질 합성에 사용된다. 이렇게 유전자에 의해 단백질이 합성되는 현상을 발현이라고 한다. 합성된 단백질은 우리 몸에서 다양한 기능을 해 머리카락의 색, 혈액형과 같은 개체의 형질을 나타낸다. 따라서 유전자에 이상이 생기면 형질에도 이상이 생긴다. 혈우병, 백혈병, 암 치료가 까다로운 병은 유전자가 제대로 기능하지 못하기 때문에 나타난다. 따라서 이런 경우 잘못된 유전자를 찾아 정상 유전자로 바꿔주면 치료가 가능하다. 그러기 위해서는 먼저 우리 몸에 있는 유전자가 각각 어떤 기능을 하는지 알아야 한다. 그 방법은 기능을 알고 싶은 유전자가 제거된 개체와 정상 개체의 차이를 비교하는 것이다. 유전자 적중(gene targeting)은 바로 이렇게 원하는 유전자만을 제거해 해당 유전자의 기능을 알아보는 기술이다. 유전자 적중을 이용하면 한 유전자를 다른 유전자로 바꿀 수 있는데, 이때 정상 유전자를 비정상 유전자로 바꿔 정상 유전자의 기능을 알아내거나, 반대로 비정상 유전자를 정상 유전자로 바꿔 병을 치료할 수 있다. 유전자 적중 과정은 첫 번째 기사에 소개돼 있다. 어떤 환자가 인슐린 유전자 이상으로 이자 β세포에서 인슐린이 합성되지 않아 당뇨병을 앓고 있다면, 유전자 적중을 이용해 비정상 인슐린 유전자를 정상 인슐린 유전자로 바꿀 수 있다. 그런데 당뇨병이 치료될 정도로 충분한 수의 β세포에서 비정상 유전자를 정상 유전자로 바꿀 수 있을까? 유전자 적중이 성공할 확률은 높지 않다. 때문에 많은 수의 세포에 성공시키기란 매우 어려운 일이다. 이런 경우 배아줄기세포가 유용하게 쓰일 수 있다. 배아줄기세포는 두 번째 기사에 소개된 것처럼, 미분화 상태로 체외 증식이 가능하며 적절한 주위 자극에 따라 몸을 이루는 여러 세포로 분화될 수 있다. 따라서 환자와 유전적으로 같은 배아줄기세포를 만들고 유전자 적중 기술로 배아줄기세포의 비정상 유전자를 정상 유전자로 바꾼다. 하나의 배아줄기세포에서만 유전자 적중이 성공해도 증식을 통해 많은 수의 배아줄기세포를 확보할 수 있다. 이것을 환자의 이자에 이식해 정상적인 β세포로 분화시켜 당뇨병을 치료할수 있다.

또한 배아줄기세포는 사고나 노화 등으로 인해 조직이나 기관이 손상된 경우에도 손상된 부위를 복원시킬 수 있다. 유전자 적중과 배아줄기세포는 현재도 많은 과학자들에 의해 연구되고 있으므로 머지않아 많은 난치병은 더 이상 난(難)치병이 아닌 이(易)치병이 될 것이다.




예시답안

Q1 상동재조합이란 동일하거나 비슷한 염기 서열을 가진 두 DNA 가닥이 서로 가까이 놓일 때 두 가닥에서 상동인 지역의 한 부위가 끊어진 후 서로 엇갈려 연결되는 현상이다. 따라서 유전자 적중을 통해 원래 유전자를 새로운 유전자로 교체할 경우, 두 유전자는 특히 양끝 부위의 염기 서열이 같아야 재조합될 확률이 높다. <;그림 1>;도 원래 유전자 사이에 재조합 여부를 확인하기 위한 항생제(네오마이신) 저항성 유전자를 끼워 넣었기 때문에 양 끝의 염기 서열은 원래 유전자와 같다. 이러한 상동재조합은 정상적인 세포 분열 과정에서도 일어난다. 바로 감수 분열 때 일어나는 교차다. 교차란 감수 제1분열 전기에 상동 염색체끼리 접합해 2가 염색체가 된 후, 접합 부위에서 상동 염색체의 일부가 서로 교환되는 현상을 말한다. 상동 염색체에는 서로 다른 대립 유전자가 들어 있을 수 있지만, 염기 서열이 상당 부분 같으므로 상동재조합이 일어난다. 교차가 일어나면 보다 유전적으로 다양한 생식 세포가 만들어지므로 자손의 유전적 다양성이 커진다.

Q2 환자와 유전적으로 같은 환자맞춤형 배아줄기세포를 만들기 위해서는 체세포 핵 이식 기술을 쓸 수 있다. 먼저 기증받은 난자(제2 난모세포)에 들어 있는 핵을 제거해 무(無)핵 난자를 만든다. 그리고 배양된 환자의 체세포로부터 핵을 채취하거나, 또는 체세포 전체를 무핵 난자에 이식한 후 전기 충격 등을 통해 난자를 활성화시킨다. 이때 환자의 체세포를 영양분이 적은 배양액에서 배양해 세포 주기를 더 이상 분열하지 않는 G0 단계에 멈추게 하고 역분화를 일으키면 핵 이식 성공률을 보다 높일 수 있다. 활성화된 난자는 마치 수정된 핵을 가진 수정란처럼 행동해 이후 발생 과정을 진행한다. 이렇게 만들어진 복제 수정란 핵에는 환자의 체세포 핵과 같은 DNA가 있다. 다음으로 조직 배양 기술을 이용해 복제 수정란을 체외에서 배반포(포배) 단계까지 발생시킨 후, 배반포의 내부에 들어 있으면서 장차 태아로 발생할 부분인 내세포괴만을 채취해 적절한 조건으로 배양시키면 환자맞춤형 배아줄기세포를 만들 수 있다.

Q3
1)
• 누가: 마틴 에번스 교수가
• 언제: 1978년에 (실제 생쥐 배아줄기세포가 만들어진 것은 1981년)
• 어디서: 영국 케임브리지대 유전학과에서
• 무엇을: 전분화능의 특성을 갖는 생쥐 배아줄기세포를 만들었음
• 어떻게: 초기 발생 단계의 배아 내부에 있는 안쪽 세포덩어리(ICM)를 분리해서 미분화된 상태로 배양함
• 왜: 외부 조건에 따라 다양한 세포로 분화하므로 생물학이나 의학에서 매우 쓸모가 많아서 • 더 알아야 할 내용: ① 배아줄기세포의 장점 : 인체를 구성하는 다양한 세포로 분화 가능, 환자의 세포를 복제한 경우에는 면역 거부 반응이 없음
② 배아줄기세포의 단점 : 암세포가 될 수 있음, 난자 기증이 필수적이며 난자 채취 시 부작용 우려
③ 단점 극복 노력 : 배아줄기세포의 분화를 조절하고 통제할 수 있도록 지속적인 연구 진행, 체세포에 역분화를 일으킨 유도 다능성 줄기세포 제작
• 리드(핵심요약문장)정리: 1981년, 케임브리지대 유전학과 마틴 에번스 교수는 생쥐의 초기 배아에서 분리한 ICM을 배양함으로써 다양한 세포로 분화 가능한 배아줄기세포를 만들었다.

2)
• 제목: 생쥐 배아줄기세포, 난치병 치료에 한 걸음 다가서다
• 기사: 1981년, 케임브리지대 유전학과 마틴 에번스 교수는 생쥐의 초기 배아에서 분리한 ICM을 배양함으로써 다양한 세포로 분화 가능한 배아줄기세포를 만들었다.

에번스 교수는 암덩어리의 일종인 배아암종을 연구하던 중 배반포라고 부르는 초기 발생 단계의 배아 내부에 있는 안쪽 세포 덩어리(ICM)를 분리해서 미분화된 상태로 배양함으로써 생쥐 배아줄기세포를 만들었다. 이 세포는 체외에서 배양(증식)이 가능하며 외부 조건에 따라 생쥐의 몸을 구성하는 다양한 세포로 분화되는 전분화능을 갖고 있기 때문에 생물학이나 의학에서 가치가 높다.

이러한 연구 결과를 바탕으로 만들어질 인간 배아줄기세포는 인체를 구성하는 다양한 세포로 분화될 수 있어 손상된 조직이나 기관을 복원할 수 있다. 환자의 세포를 복제하면 면역 거부 반응도 일어나지 않는다. 그러나 무한정 분열하는 특성 때문에 인체에 이식했을 때 암세포가 될 수 있으며, 초기 배아를 만들기 위해 난자 기증이 필수적이어서 난자 채취와 관련한 여러 부작용이 생길 수 있다. 그래서 과학자들은 배아줄기세포의 분화 조절과 통제방법에 대해 연구하고 있다. 난자나 배아를 이용하지 않고 체세포에 역분화를 일으킨 유도 다능성 줄기세포에 대한 연구도 활발히 이뤄지고 있으므로 머지 않아 알츠하이머나 파킨슨병 같은 난치병도 극복될 것으로 기대된다.