바이오인

개인별 의학적 요구 따른 환자중심 의료
임상·유전정보 분석 통합할 `바이오인포매틱스` 구성부터 탄탄히



본인과 같은 임상의에게 소망이 있다면 모든 질환의 진단이 교과서에 딱 맞아 떨어지고 그 결과 치료 또한 교과서에서와 똑같이 진행되어 환자나 보호자에게 교과서의 내용대로 치료가 진행되고 예후가 결정될 수 있으면 좋겠다는 것이다.

실제 임상에서 환자의 병력 및 문진, 이학적 소견을 종합하여 `impression`이라는 진단을 내리고 `rule out` 진단이라는 감별해야 하는 진단(differential diagnosis)을 설정하고 이를 좀더 구체적으로 진단하기 위하여 여러가지 혈액검사 및 영상 진단 방법, 조직검사 등을 시행하게 된다.

이렇게 어려운 과정을 거친 후에도 치료약물에 대한 반응 및 효능은 아주 다양하기도 하고 때로는 진단에 상당한 의문도 남게 된다.

그러므로 임상경험이라는 연륜과 때로는 trial-and-s라는 변수가 작용하게 된다. 이러한 배경 하에 지금까지는 individual variation을 `체질`로써 표현하고 있고, 또한 의술 및 환자치료는 과학적, 의학적 이론만으로는 모든 것을 설명해 줄 수 없었기 때문에 별다른 변론을 제기하지도 못하고 있는 실정이다.

그러나 10만개의 유전자와 그 속에 질서 정연하게 늘어선 30억 쌍의 염기서열을 밝혀내는 인체 게놈사업(Human Genome Project, HGP)은 마치 인체 설계도를 그려놓는 대역사라 하겠다. 이러한 HGP의 완성은 바로 `맞춤의학`이 가능할 수 있는 바탕이라 하겠다.

그런데 또 한 가지 중요한 사실을 간과해서는 안 된다. 그것은 바로 맞춤의학이 가능하기 위하여서는 개개인의 염기서열을 모두 알아야 하는데 그렇다고 개개인마다 30억 쌍의 유전염기를 모두 분석하여 이를 근거로 진단하거나 치료 약제를 선택할 수는 없겠다. 이를 대신하여 바로 SNP(single nucleotide polymorphism)과 같은 유전적 다형형에 대한 정보와 이를 손쉽게 분석할 수 있는 초고속 분석 기술 그리고 이를 근거로 하는 약물유전체학에 대한 기반설립 및 이들 대량분석의 결과를 종합하여 결론을 낼 수 있는 분석방법이 필요하다.

현재의 의료는 질병이 발생한 이후, 비슷한 또는 동일한 진단이 된 환자들에게 경험 또는 병태생리라는 이론에 근거한 동일한 치료(one drug fits all)를 하고, 그 경과 및 반응에 따라 치료방법을 수정(trial and )하는 것이라면, 맞춤의학은 질병의 경과를 미리 예측 또는 예방할 수도 있고, 질병이 발병한 이후에는 개개인별로 질환의 특성 및 차이를 고려한 약물치료나 유전자교정이 가능하며 아울러 치료에 따른 효율 및 합병증 등을 예견할 수 있게 되므로 환자의 치료 면에서 뿐만 아니라 동반되는 사회 경제학적 비용까지를 고려한다면 그 효과는 상당하다.

이러한 변화는 의료의 수요 및 공급에서도 상당한 변화가 예상된다. 현재의 의료행위는 전 과정에서 의사가 중심이 되는 반면에, 맞춤의료는 환자개인의 의학적 요구를 객관적 데이터를 기초로 하여 분석하게 되고, 의사는 임상적 판단 및 진행을 진행하지만 결국 중심은 환자가 되는 것이다.

맞춤의학 시대 위한 기반 구축

이미 서구의 선진국에서는 HGP가 완료되기 이전부터 유전적 다형형(genetic polymorphism)에 대한 중요성을 인식하고 SNP 데이터 수집 및 유전자원확보에 주력을 하고 있으며 우리나라에서도 이에 부응하여 과학기술부 및 보건복지부에서 다양한 SNP 유전자원확보를 위한 노력을 하고 있다.

실례로 보건복지부에서는 2001년부터 12개 질환군 유전체 연구센터 및 3개 병원성 세균 유전체 연구센터가 구축되어 운영되고 있으며 과기부에서도 간암 및 위암 유전체 센터를 지원하고 있다.

SNP란 변이와는 다소 다른 개념으로 각각의 유전물질에는 서로 다른 여러 가지 유전적 변이로 구성된 SNP가 있다.

실례로 머리카락을 구성하는 유전물질을 예로 들면 이러한 유전적 변인 및 다형성에 의하여 노란 머리카락, 빨간 머리카락, 검은 머리카락이 생기게 된다. 즉 같은 유전자를 가진 사람에서도 성격이 급한 사람, 느긋한 사람이 있고 더 나아가서는 같은 약물을 복용하여도 약물대사에 차이는 물론 약물효능 및 부작용에도 차이가 있게 되는데 이러한 현상을 설명해 줄 수 있는 것 중의 하나가 바로 SNP 데이터라 하겠다.

질환 간 다양한 연관분석이 되어 있고 표현형은 물론 병태생리와도 유의성이 높은 유전자의 SNP가 굉장히 빠른 속도로 발표되고 있어 저자가 시행하고 있으며, 소화기학 분야에서도 질환의 경과 및 치료반응을 설명할 수 있는 질환관련 유전자의 SNP 보고는 물론 다양한 유전적 정보에 대한 구축이 나라별로 진행되고 있어 국가별 분석결과는 2004년 4월 독일의 베를린에서 개최예정인 HUGO(Human Genome Organization) conference에서 발표될 예정이다

새로운 SNP 발굴을 위한 다양한 방법들도 개발, 개선되어 응용되고 있어 수만건의 샘플을 반나절도 안되어 모두 분석할 수 있는 대량분석 장치의 개발과 함께 바이오인포매틱스라는 막강한 분석이 가능한 생물 정보 분석학 분야도 발전 속도가 매우 빠르다. SNP분석 이외에도 cDNA나 oligonucleotide를 이용한 microarray, protein chip을 이용한 proteome array 등 대량분석 방법 개발에 힘입어 최근에는 genomics, proteomics, informatics, clinomics 등과 같은 `omics`시대에 살고 있다 해도 과언이 아니다.

열거한 SNP, microarray 및 proteome 등에 대한 구체적 방법 및 중요성에 대하여서는 다음 장에서 계속 서술 될 것이다.

맞춤의학의 구성

불과 수개월 전만 해도 맞춤의학이란 주로 맞춤약물에 초점을 두었고 이를 근거로 약물유전체학에 많은 비중을 두었다. 이는 전술한 바와 같이 현재의 의학·의술은 동일질병을 대상으로 개발된 약물이 동일 또는 비슷한 질환에 처방되는 관계로 약물에 따른 반응도 예측이 어려움은 물론 개개인의 근본적 약물반응 소인이 다를 것이라는 가정 하에서도 `one drug fits all` 즉, 약물치료에 따른 결과 및 모니터링에 중점을 두고 있다.

그런데 맞춤의학의 한 분야인 약물유전체학 분야에서는 `tailored medicine` 개발을 목적으로 하고 있으며 이는 약물 유전학과도 구분된다.

즉 비슷한 또는 같은 질병에 작용하는 약물을 투여하는 전통적 의술과 약물에 대한 반응에 영향을 미치는 것으로 사료되는 유전자에 염기서열 변이나 그 반응을 알아보는 것이 그것이라고 하면 약물 유전체학은 기존의 약물유전학과 최근 발전된 초고속 기술이 결합하여 약물투여에 따른 반응도 효능을 올리기 위한 방법은 물론 새로운 신약개발이 가능하게 된다.

그러므로 맞춤의학의 실현을 위해서는 약물유전체학에 대한 정보 및 기술발전이 꼭 동반되어야 하겠다.

유전체 진단 및 조준치료

이상과도 같은 맞춤의학이 실현되기 위하여서는 유전체진단(genome diagnosis) 및 조준치료(targeted therapy)가 필요하며, 이를 실현하기 위한 가장 중요한 기초는 환자의 임상적 특징 및 유전정보라 하겠다.

즉 임상의에 의한 정확한 임상특성 및 정보, 유전자원 확보 및 정확한 유전체 분석, 유전체적 역학결과 그리고 이를 분석 통합할 수 있는 바이오인포매틱스 모두가 상호보완적으로 구성되어야만 하겠다. 그리고 이러한 연구활동은 기존의 다국적 기업에 의한 약품개발, 판매, 진단기기 개발 등과는 달리 반드시 자국에서 시행되어야만 한다.

물론 선진국에서 미래투자형식으로 후진국에서 시행되어야 할 이러한 준비를 대신해줄 가능성이 있으며, 이것이 바로 미래의 의학정보 속국이 되는 발판으로 작용하며 현대의 문명사와 같은 인류 문명적 오류가 되풀이 될 수 있다.

다행히도 이러한 배경을 간파한 한국정부에서는 미래를 준비하고 있는 선진국대열에서 현재는 경쟁하고 있지만 이에 대한 투자와 관심을 더 증대시켜야 하겠다.

본 특집에서는 현재 진행되고 있는 여러 질환 유전체 연구센터 중 암, 성인병, 심혈관 질환 등에 대한 맞춤의학의 진전 및 발전에 대하여 소개하고 있다.

맺음말

Genetic epidemiology를 통한 한국인 질환의 유전체적 특징을 규명하고 다양한 대량 분석 방법을 이용하여 많은 한국인의 동일 또는 비슷한 질환군별 유전자원을 이용한 분석을 통하여 분자진단 및 유전체 진단을 이용한 질병의 세분화, 그리고 약물유전체학 및 이를 근거로 한 연구를 통해 맞춤 치료 방법이나 치료제(tailored therapeutics)를 개발할 수 있는 게놈시대에 이미 와 있으며 현재의 분석 방법 및 정보화 기술의 발전 속도를 감안하면 맞춤의학(tailored medicine)시대는 바로 우리 곁에 와 있다고 하겠다.

단, 미래를 준비하는 사람만 풍요한 미래를 누릴 수 있듯이 맞춤의학을 실현시키기 위해서는 의료인 및 과학자는 물론 정책 입안 및 운영자, 더 나아가 전 국민이 관심을 갖고 발전시켜 나가야 하겠다.

이제부터 시작…생물·의학 획기적 발전 보인다
인간게놈지도 완성 연구기반 다져
질병 조기진단 한층 활발해 질 것



1990년대에 미국을 중심으로 시작된 인간게놈프로젝트가 13년 만인 2003년 4월 15일에 인간게놈 DNA의 염기서열을 밝혀 생명공학기술과 생명현상의 이해가 급속도로 발전할 수 있게 되었다. 그 이유는 이 서열분석과정에서 DNA증폭기술, 염기서열 자동분석기술, 염기서열 정보의 집합, 분석기술 등의 컴퓨터 이용기술 등 다양한 신기술들이 개발되었기 때문이다.

그러나 유전자들의 기능에 대한 상세한 정보는 거의 없는 상태이므로 유전자들의 서열정보로부터 실제로 이들이 세포 속에서 어떤 기능을 하는 물질을 만들어내며, 또 어떤 때 이들 유전자들이 기능을 하는지 등이 앞으로 생명과학 분야에서 연구의 주 초점이 될 것이다. 그 동안의 유전체 연구현황은 다음과 같다.

1990년부터 미국, 영국, 프랑스, 독일, 일본, 중국 등의 과학자들로 구성된 인간게놈프로젝트 국제콘소시움을 통해 전세계적으로 20여개의 sequencing center를 중심으로 사람의 세포 속에 존재하는 DNA를 구성하고 있는 30억쌍의 염기들의 순서를 밝히는 연구가 진행된 후 2003년 4월 15일을 기해 대부분 다 정해졌다.

이중 미국의 Bayler 의과대학, 워싱턴대학 의과대학, MIT Whitehead Institute의 Genome 센타, 에너지성의 Joint Genome Institute와 영국의 Wellcome Trust Sanger Institute 등 5개 연구팀이 주로 담당하였으며 이들의 협력연구로 예정보다 2년 빠르게 완성하였다.

이는 1996년 버뮤다에서 이들 sequencing 센터 책임자들이 2000base 이상 분석이 되면 바로 공개하여 각각의 서열을 가진 DNA들이 바로 게놈 내에서 위치를 찾아낼 수 있도록 하자는 원칙을 세워 DNA 서열데이터가 나오는 대로 바로 공동으로 분석할 수 있게 되어 2000년 6월 90%이상의 서열 분석을 담은 인간게놈 DNA 서열의 draft sequence가 나오게 되었다. 이중 28%는 완전히 끝난 상태였으며 150,000군데 gap이 있는 상태였
다.

2003년 4월 15일 완성될 때는 유전자가 담겨있는 곳의 99%는 완성된 서열이고 400군데 정도의 gap은 남아있는 사태로 현존하는 기술로는 거의 완성된 서열로서 총 27,332,000base이다.

인간게놈프로젝트를 중심으로 유전체 연구가 급속하게 발전되면서 인간게놈 서열분석이 올해 완성되게 되었지만 그동안 인간뿐만 아니라 바이러스 게놈, 미생물게놈, 효모게놈, 아라비돔시스 식물게놈, 벼게놈, 꼬마선충(C. elegans), 초파리, 쥐와 같은 동물의 게놈서열분석 등도 완성됐다. 빠르게 발전된 게놈분석자동화 기술로 인해 산업유용가치가 있는 미생물, 병원성미생물 등의 게놈분석이 활발히 진행되고 있고 Zebra fish , 침팬지게놈분석 등이 거의 완성단계에 있다.

향후 현재의 capillary방법의 염기서열 분석기술보다 4,000배 빠르게 분석할 수 있는 bead를 이용한 염기서열분석기술이 체계화되면 30억쌍의 염기배열을 가진 인간의 게놈을 1시간 내에 분석할 수 있게 될 가능성이 높아지고 있어 지구상에 있는 생물들의 게놈분석은 아주 일반화될 수 있게 될 것이다.

국외에서는 이런 전망을 가지면서 향후 각각 개인의 게놈 분석 데이터를 빠르고 쉽게 상호비교 할 수 있게 됨으로써 인종간의 유전자변이, 정상인과 환자 사이의 유전자 변이 등을 쉽게 구별할 수 있게 될 것으로 전망, 이들의 정보를 질병진단, 예방, 치료목적으로 유용하게 사용될 수 있을 것으로 보고 있다.

그러나 30억쌍의 서열 안에 있는 3~4만개의 유전자들 중 현재 5~10%만이 그 기능을 알고 있으므로 나머지 90%에 해당하는 유전자들의 역할에 대한 연구가 유전체 연구의 중심이 될 것이다. 이들의 기능은 이 염기서열 정보로부터 만들어내는 단백질들의 구조, 성질에 따라 각기 다르게 나타나므로 만들어진 단백질 자체에 대한 연구가 필수적이며 이들의 상호작용에 따라 생체 내에서 서로 다른 기능을 담당하게 되므로 이들의 균형된 역할 규명이 연구의 중심으로 되고 있다.

유전자 서열 정보는 이들로부터 나오는 단백질의 기능규명, 이들의 잘못된 기능으로 생기는 생체 현상의 이상들을 규명하는 데 활용될 것이며 단백질을 생산하는 정보를 가지고 있지 않는 대부분의 DNA 서열들의 기능 등을 밝히는 작업 등이 미래 유전체연구의 방향이 될 것이다.

왜냐하면 30억쌍의 인간게놈 서열 중에서 생체 내에서 기능을 하리라는 단백질을 만들어내는 유전자는 3~4만개라고 추정할 때 이들이 구성하는 서열은 전체 게놈에 5% 미만이기 때문에 나머지 95%의 서열들이 과연 무슨 역할을 하는지를 밝혀야 하는 단계이므로 13년 동안 지속되어 왔던 인간게놈프로젝트의 목표가 끝난 후 미래에는 Post-genome era라고 이야기하면서 이제부터는 DNA 서열 속에 담겨있는 생체정보를 하나씩 풀어갈 수 있는 시대로 들어가므로 국외에서는 이에 대비한 새로운 기술의 개발, 생체를 DNA, mRNA, 단백질, 세포, 조직, 개체 수준에서 또 개체가 속해있는 사회 속에서 또 이 개체가 살고 있는 환경 속에서 포괄적으로 연구하려는 방향으로 진행되어 가고 있다.

국내유전체 현황

국내에서는 1990년 미국을 중심으로 인간게놈프로젝트가 시작될 때 이의 중요성을 인식하여 한문희, 이세영, 강현삼 교수를 중심으로 학자들이 `한국유전체연구회`를 조직하여 국내에서 유전체 연구에 대한 시작의 중요성을 강조하기 시작하여 유전체 연구의 국내 기반을 확산하기 시작하였다. 그러나 1996년에 비로소 과기부의 `게놈이용기술개발` 사업이라는 국책 사업으로 소규모로 시작되기 시작하였다.

예산의(10억원/년) 부족으로 미국 중심으로 진행되고 있는 인간게놈프로젝트에 직접 참여하지 못하고 인간, 동물, 식물, 미생물을 대상으로 기능유전체 중심의 연구를 추진하기로 하였다. 위암 간암 등 한국인에 많이 발생하는 난치병 관련 유전체분석에 중심을 두었다.

1999년 과학기술부의 21세기 프런티어사업이 추진되기 시작할 때 유전체 연구의 중요성이 국내에서도 인식되기 시작하면서 프런티어 사업 중 첫번째로 게놈연구사업단이 발족하게 되어 그해 11월에 연간 130억원의 규모로 향후 10년간 본격적으로 국내에서 유전체연구가 시작될 수 있게 되었다.

이 연구는 `인간유전체기능연구사업`이라는 이름으로 진행되면서 선진국 중심의 전체 인간게놈서열에 대응하여 제한된 인력, 예산, 인프라 등을 고려하여 우리나라 상황에 적합한 분야를 선택하여 집중적으로 하는 한편 국내외 유전체 소재 확보와 개발, 유전체대규모 구조분석과 기능분석시설의 구축, 데이터 베이스 구축과 생물정보 네트워크 활용시스템을 구비하여 국내 유전체 연구를 핵심적으로 수행하고 지원함으로써 21세기 생명공학 산업의 핵심기술과 지원을 목표로 수행해나가고 있다. 특히 Post-genome 시대에서 중심이 되는 기능유전체 연구에 집중하고자 관련 유전자 소재를 확보하고 이들의 기능을 규명하여 유전자 기능 이상으로 야기되는 질병의 진단, 예방, 치료의 지표로 사용하고자 하고 있다. 한국인에 다발하고 있는 위암, 간암과 관련되는 유전자들을 발굴하여 이들의 기능을 규명하고 위의 목적으로 사용하고자 하고 있다.

특히 국내의 연구역량을 총 동원하여 전국적으로 40여개 연구팀을 구성하여 역할분담과 협력으로 3년간 진행되어 오고 있으며 그 결과 33,000종류의 유전자들을 한국인의 위, 간 조직이나 세포로부터 분리, 분석하여 유전자 소재로써 보관되어 있고 `유전자은행`을 설립하여 필요한 연구자들에게 무상으로 공급함으로써 국내 유전체연구의 기반을 구축하여 이분야 연구를 활성화하였고 유전자구입에 소요되는 외화를 절감하는 효과를 내고 있다.

한편 분리된 유전자들로부터 cDNA칩을 국내 제작하여 연구자들에게 공급, 위암, 간암과 관련된 유전자들을 분석한 결과 약 1,400여종의 유전자들을 분별해 내 이들의 위암 간암 관련 분자지표로서의 가능성 연구를 활성화하고 있다.

또한 과기부 뿐만 아니라 보건복지부에서도 질환별 유전체연구센터를 발족시켜 10대 질환별 연구센터를 중심으로 게놈 분석연구를 진행하고 있다.

2001년에는 유전자정보로부터 생산되는 단백질의 기능규명의 중요성이 인식되어 단백질을 총체적으로 연구할 수 있는 프로테오믹스기능사업단이 과기부의 21세기프런티어 사업단의 하나로 출범함으로써 유전체와 밀접하게 관련되어 있는 단백질 연구가 병행됨으로써 한층 미래 유전체 연구가 국내에서도 세계수준의 연구로 뻗어나갈 수 있게 되었다.

향후 전망

인간게놈프로젝트를 주관온 미국의 Francis Collins는 게놈정보는 미래 생물학 연구에 가장 밑받침이 되는 것으로 집을 건축할 때 가장 밑바탕에 있는 기초공사에 해당하며 이를 바탕으로 생물학, 사회학, 의학이 어우러져 진행될 것이며 이를 위해 끊임없는 새로운 기술의 개발과 인력양성, 교육 등이 필요할 것이고, 또 윤리적, 법적 사회적인 문제들도 함께 고려되면서 추진되어져야 한다고 말하고 있다.

유전체 정보로부터 현재 의학 분야에서 문제가 되고 있는 당뇨병, 고혈압, 암, 정신질환 등의 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술, 이러한 질병들을 조기에 진단할 수 있는 새로운 방법, 한 개인의 게놈분석을 100만원 이내의 싼 값으로 빨리 분석할 수 있는 기술, 생체기능을 이해할 수 있고 새로운 기술신약을 빨리 발굴할 수 있는 chemical genomics 기술 등이 훨씬 발전될 것이므로 인간게놈프로젝트가 끝난 것이 아니라 이제부터 이러한 게놈정보를 바탕으로 생물학, 의학 분야에서 새로운 획기적인 시대가 열리게 될 것이라고 전망하고 있다.

특히 고성능의 컴퓨터 기술이 동시에 발전될 것이므로 생물학은 컴퓨터 기술과 접목되어 한 차원 더 높은 경지로 진행될 것으로 전망하고 있다. 미래에는 생물학의 중심은 유전체정보를 바탕으로 유전자기능연구, 단백질구조연구, 세포체로서의 기능연구, 조직과 개체를 하나로서 전체 phenotype 별로 대사연구가 진행될 것이며 이 때 phenotype을 구별할 수 있는 분자지표(Molecular Maker)인식이 중요한 도구가 될 것이라고 보며 이를 활용하여 의학 분야에서 질병의 조기 진단 등이 한층 활발하게 이루어질 것으로 전망하고 있다.

광범위 약물반응 지표 DB 구축해야
부작용 피하는 초기 단계 약물요법은 수년내 가능



약물반응의 개인차를 초래하는 요인은 크게 후천적 요인과 유전적 요인의 두 가지로 구분 할 수 있다. 후천적 요인에 대해서 의사는 진료시에 환자의 연령, 체중, 질병 상태는 물론 필요에 따라 간기능, 신기능 평가 및 약물상호작용 등을 사전에 확인하는 절차를 거치는 것이다.

하지만, 후천적 요인에 비해 약물반응의 개인차에 더 크게 관여하는 유전적 요인에 대한 지식은 극히 제한적이어서 임상에서 이러한 지식의 활용은 극히 제한적인 수준에 머물러 있다.

최근 인간유전자지도의 완성과 더불어 약물유전체학(pharmacogenomics)의 연구진전은 약물반응의 개인차를 유발하는 유전적 기전 정보를 파해치고 있다. 이러한 지식기반의 구축은 현재의 제한적인 개별화된 약물요법 수준에서 개인별 유전학적 특성을 모두 고려한 개인별 약물요법(personalized pharmacotherapy)의 시대를 열 수 있을 것으로 기대하게 된다.

즉, 미래의 모든 환자는 최대한의 치료효과를 확보하면서 약물부작용의 가능성은 거의 없는 약물치료를 받을 수 있게 되는 것이다. 많은 전문가들은 2006~2010경에 이러한 맞춤약물요법이 시작될 것으로 기대하고 있으며, 이미 일부의 약물유전체학 전문가들은 극히 제한적이긴 하지만 이러한 기술을 환자 진료에 적용하고자 시도를 하고 있다.

약물유전체 연구의 현재

개개인의 약물반응을 예측하고 이를 고려한 맞춤약물요법을 시행하기 위해서는 유전적 혹은 후천적인 개인별 생물학적 특성 지표의 확인이 필요하다.

약물유전체 연구에서 이러한 지표는 약물대사에 관여하는 효소 또는 약물작용점(수용체)의 단일염기다형성(SNP), haplotype 혹은 SNP map, 나아가서는 mRNA의 유전자 발현(mRNA, protein) 등이 될 수도 있다.

이러한 약물반응과 관련된 지표들을 찾아내고 이들이 실제 약물의 효능 또는 부작용 발생에 어느 정도 영향을 미치는지 등에 대한 광범위한 데이터베이스 구축이 맞춤약물요법의 구현을 위한 전제 조건이 되는 것이다. 이러한 정보들은 최근에는 신약개발의 단계에서부터 일부 확보되고 있지만, 기존에 시판되고 있는 치료제에 관한 연구는 그 범위가 너무 방대하여 맞춤약물요법에 적용하기 위한 완벽한 데이터베이스를 구축하기까지는 엄청난 투자와 노력이 필요할 것으로 생각된다.

기존의 치료약물들에서 약물반응과 약물유전체학적 지표와의 상관성에 관한 연구는 약물의 체내동태 개인차를 유발하는 약물대사효소에 대한 연구가 타 분야에 비해서 상대적으로 많이 연구되어 왔다.

Cytochrome P450(P450) 효소들의 유전형(SNP 혹은 haplotype) 혹은 표현형(poor metabolizer, PM; extensive metabolizer, EM)에 대한 검토로 기질 약물들의 체내 동태변화 및 이로 인한 약물반응(치료효과, 부작용 발생)의 차이를 일부 예측할 수 있기 때문에 제한된 일부의 약물들(warfarin, phenytoin, 경구용 혈당 저하제 일부, proton pump 억제제, diazepam, 삼환계 항우울제, codeine, propranolol, 등)의 경우에는 개개인 환자의 P450 동효소 유전형·표현형에 따른 개인별 초기 약물용법이 일부 제시되고 있다. 약물대사 효소 중 P450 이외에 phase II 대사효소, 약물수송단백들의 유전형 및 표현형도 각각의 기질약물들의 체내동태를 예측하고 이로부터 개인별 맞춤약물용법 설정을 위한 자료로 구축되어 가고 있으며 이들의 인종적 차이 등에 대한 연구도 활발하다.

그러나 약물작용부위(수용체) 연구의 경우에는 한 개의 SNP로는 약물반응을 예측하기가 매우 힘들며, 다수의 유전자들에서 다수의 SNP를 지표로 활용할 경우 약물반응에 대한 예측이 보다 정확한 경우가 보편적이다.

대표적인 예로 항정분열병 약물인 clozapine의 효능에 대한 예측을 들 수 있는데, 이 약물의 효능은 이의 작용부위인 5HT2A 수용체의 102T/C 유전자변이 한가지만을 지표로 평가하였을 경우에 비해 5HT2C, 5-HTTLPR, Histamine H2 수용체 유전자변이 5가지를 추가하여 총 4개 유전자, 6개 SNP 지표로 동시에 상관성을 평가하였을 경우에 clozapine의 치료효과 예측률이 77%정도로 매우 높게 나타나는 것으로 알려져 있다.

이렇듯, 약물수용체의 유전적변이에 대한 정보 구축을 통하여 맞춤약물요법을 구현하고자하는 노력에는 향후 보다 많은 연구와 시간을 요구하고 있는 실정이다.

약물유전학적 연구가 이상적인 개인별 맞춤약물요법을 지향함에 있어, 신약개발 단계부터 약물유전체학을 접목시키는 경우가 많아지고 있으며, 이는 향후 개발·시판되는 약물의 개인별 유전적 특성을 고려한 맞춤약물요법 시행에 필요한 정보를 다양한 형태로 제공할 수 있어 미래지향적이라는 것이다. 또한 약물유전학적 검토는 효율적이고 신속한 신약개발을 유도함으로써 향후 개발되는 많은 약물들의 약물유전체학적 특성에 관한 자료는 신약개발 단계에서부터 확보될 것으로 기대된다.

신약개발 단계에서 약물유전체학 연구는 신속한 임상시험을 통해 신약개발의 소요 비용과 시간을 단축하는데 우선적으로 기여할 수 있다. 예를 들면, 임상시험 단계에서 피험자의 유전적 요인에 의해 발생하는 심각한 이상약물반응으로 인해 부적절하게 중도에 신약개발을 포기하게 하는 경우를 방지할 뿐만 아니라, 역으로 유효하며 부작용을 보이지 않는 유전적 특성을 가진 환자군을 대상으로 한 임상시험으로 치료 반응률을 높이며 또한 치료에 반응하지 않는 유전적 소인을 명확히 함으로써 신약시판승인 과정에서 보다 용이하게 시판승인을 받을 수 있게 된다.

이때 유전적 특성에 따른 약물반응의 차이에 대한 정보는 향후 시판 후에 해당 약물의 경쟁력을 유지하는 주요한 자료가 될 수 있다. 즉, 맞춤약물요법에 대한 충분한 정보가 실제 임상에서 환자진료에 이용하므로써 개개인 환자의 유전적 요인에 의해 예상치 못한 심각한 부작용의 발생을 최소화하고 또한 반대로 효능을 증대시키는 것은 다른 약물에 비해 소비자에게 우선적으로 선택되는 충분한 이유가 되기 때문이다.

이러한 좋은 예로 GlaxoSmithKline(GSK)사의 HIV 치료제인 abacavir을 들 수 있다. Abacavir는 3~5%의 환자에서 심각한 약물과민반응을 유발하는데 일부에서는 치명적인 결과를 초래할 수도 있다. 하지만, 이러한 부작용에도 불구하고 이는 기존의 AIDS 치료제에 비해 주요한 이점을 가지고 있어, 제약기업 차원에서도, 문제가 되는 과민반응을 유발하는 피험자에 대한 예측이 가능하고 이를 통해 이러한 부작용을 5%에서 0.5%로 줄일 경우 이 약물의 매출액이 연 3~4억 달러 증가할 것으로 추정되었다. 따라서, GSK에서는 과민반응을 유발하는 환자와 그렇지 않은 환자군에서 SNP map<그림 1> 연구를 통하여 이러한 차이를 찾아내고 HLA-B57변이가 관여함을 밝혔다.

맞춤약물요법의 전망

현재의 약물요법은 치료효능면에서나 부작용 발생 측면에서나 우리 모두의 기대를 충분히 만족시키지 못하고 있다.

즉, 대부분의 질병에 있어 완벽한 치료법이 확립되어 있지 않으며, 특정 질환에 이용 가능한 약물의 종류가 너무 많아 개개 환자에게 어떤 약물을 어떤 용법으로 투여 하는 것이 최적인지 예측하기가 용이치 않으며 적절한 약물 및 용량의 선택에도 담당의사의 경험과 더불어 장시간의 시행착오를 거쳐야 하는 경우가 매우 흔하다.

약물유전체학을 포함한 의학의 발전은 미래의 어느날 이에 대해 보다 구체적인 답을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 우선, 환자의 혈액시료 혹은 면봉을 이용하여 채취한 구강점막세포로부터 DNA를 추출하여 이 환자의 관련 유전체를 분석하고 이로부터 이 환자의 후천적 특성 정보와 접목하여 그 환자에 최적의 약물·용량을 선택할 수 있게 할 것이다.

또한 생물정보학의 발전은 이 모든 과정이 전산망을 통해 동시에 진행 가능토록하여 개개환자에 적합한 최적의 약물요법에 관한 정보가 바로 담당 의사에게 전달 될 수 있는 날이 올 것이다.

하지만, 그림 2에서 보는 것처럼 동일한 질환을 가진 환자에서 특정 유전형을 가진 환자에서는 특정 약물의 투여로 전혀 효과를 얻지 못하므로 다른 약물로 대체하거나, 혹은 부작용의 발생을 초래할 가능성이 큰 것으로 예측되는 환자에서는 이를 피하기 위한 약물요법을 설정하는 초보적인 맞춤약물요법, 즉 `유전형을 고려한 개인별 약물요법`은 수년 내에도 일부 가능할 것으로 기대되고 있다.

기존 지표보다 초고속 제노타이핑 가능



인간 유전체상에 가장 많이 존재하는 형태의 다형성은 유전체 상의 특정 염기서열 하나의 변화이며 소위 단일염기 다형성 또는 SNP(Single Nucleotide Polymorphism, 발음은 일반적으로 스닙(snip))이라 불리운다.

인간 유전체 상의 다형성의 90% 이상을 차지하는 SNP은 같은 인구집단 내에서 약 0.1%의 개인간의 차이(즉, 약 1000염기 마다 한 개의 SNP)를 나타내고 있다. 많게는 약 1000만 개 이상 존재할 것으로 예측되는 SNP 중 약 300만 개 이상이 현재까지 밝혀졌으며 이들 중 약 1% 정도는 유전자의 코딩(coding) 부위에 존재한다. 유전자의 코딩 부위에 존재하는 SNP은 단백질의 구조를 변화시켜서 단백질의 기능의 변화를 초래할 수 있으므로 많은 연구의 대상이 되고 있다.

또한 특정 유전자의 발현을 조절할 수 있는 프로모터(promoter) 부위에 존재하는 SNP, RNA의 접합
(splicing)에 영향을 줄 수 있는 SNP 등 또한 질병 감수성 예측 또는 약물 반응 예측에 중요한 SNP으로 관심을 받고 있다. SNP이 개인간의 약물 반응, 질병감수성의 차이를 나타내는 원인이 될 수 있다는 연구 결과들이 발표되면서 관심 SNP들을 보다 정확하고 경제적으로 분석할 수 있는 방법들에 대한 수요가 증가되고 있다.

STR(simple tandem repeat) 또는VNTR(variable number tandem repeat)과 같은 기존의 다른 다형성 지표에 비하여 진정한 의미의 초고속 제노타이핑이 가능하다는 점이 SNP 지표의 가장 중요한 장점중의 하나로 생각되고 있다. 또한 분석 결과의 명확성, 낮은 변이율(mutation rate) 등에 따른 분석의 정확성 등이 SNP을 맞춤의학의 실현에 적합한 진단 도구(tool)로서 사용될 수 있도록 한다.

SNP 연구는 크게 SNP 디스커버리와 SNP 스코어링으로 나눌 수 있다. 즉, 유전체상의 어디에 어떤 SNP이 존재하는지를 밝히는 연구와 이미 밝혀진 SNP를 효율적으로 분석하는 연구로 나뉘어진다.

인간게놈프로젝트의 수행도중 축적된 초고속 염기서열 분석기술의 발전에 따른 direct sequencing 방법이 근래의 SNP 디스커버리 연구에 주로 사용되고 있다. 일정수의 샘플을 이용해 분석대상 유전자 또는 염색체 부위를 PCR 과정을 통해 증폭한 후 증폭 산물에 대한 염기 서열을 분석하고 여러 샘플의 염기 서열을 정렬(align)하여 SNP 존재 여부를 가리게 된다.

이러한 일련의 과정에 필요한 초고속 샘플 핸들링에 필요한 시약 및 염기서열 분석 장치들이 개발되어 있다. 또한 생성된 염기서열 정보를 정리하고 그 중에서 SNP를 효율적으로 찾아내기 위한 바이오인포매틱스 도구들이 많이 개발되어 연구에 활용되고 있다.

다형성이 존재하는 DNA 분자가 특정 HPLC column을 통과할 때 시간차가 생기는 원리를 이용한 실험기법인 DHPLC(Denaturing high performance liquid chromatography)를 이용한 SNP 디스커버리 또한 많이 사용되고 있는 기법이다.

이상적인 SNP 스코어링 기술이 갖춰야 할 조건으로는 민감성, 저비용, 고효율, 그리고 다양한 분석장비에 적용이 가능해야 한다는 등의 조건을 들 수 있다.

이러한 요구들을 맞추기 위한 다양한 형태의 분석 기법들이 개발됐다.

또한 많은 제노타이핑 수요를 맞추기 위한 자동화 기법도 개발되었다. SNP 스코어링기법을 생화학적 방법에 따라 구분해보면 직접분석과로 구분할 수 있다. 직접분석 방법에는 single base extension, multi base extension, direct sequencing 등의 기법이 있으며 간접분석 방법에는 hybridization method, PCR-based method 및 enzymatic cleavage를 이용한 방법들이 있다. 가장 많은 장비가 개발된 single base extension assay의 경우는 detection method에 따라 colorimetric detection, fluorescent detection, mass spectrometry, fluorescent polarization 등의 기법이 개발되어 있다.

이 밖에도 많은 분석 방법 및 기기들이 개발되어 사용되고 있으므로 개개인의 연구자의 필요에 적합한 분석 기법이나 기기를 선정하는 것이 중요하다.

기기 및 방법의 선정에 가장 중요한 요소 중의 하나는 분석하고자 하는 SNP의 개수 및 분석대상 샘플의 수가 될 것이다.

분석하고자 하는 SNP의 숫자와 샘플의 수가 적을 때는 간단한 PCR-RFLP 등의 방법으로도 충분히 분석을 진행할 수 있을 것이다. 반면에 적은 수의 샘플에 대하여 많은 수의 SNP를 동시에 분석할 필요가 있을 때(예를 들면, 특정 환자에 대하여 약물대사에 중요한 역할을 하는 CYP 유전자의 모든 가족 구성원에 존재하는 다형성을 모두 분석하고 싶을 때)에는 미국 Affymetrix사의 CYP 칩과 같은 DNA 칩 시스템이 아마도 가장 적절한 선택이 될 것이다.

또한 많은 수의 SNP을 많은 수의 샘플에 대하여 분석할 필요가 있을 때는 전문 초고속 SNP 제노타이핑 장비를 이용한 분석방법을 사용하는 것이 필요할 것이다.

현재까지 개발된 많은 SNP 제노타이핑 기술 중 한가지의 기술이 모든 SNP을 스코어링 하는데 사용될 수는 없다. SNP이 위치한 genomic DNA의 주변 염기 서열, 각각의 기술이 갖고있는 한계 등에 의하여 대략 약 10% 정도의 SNP이 특정 분석방법으로는 타이핑(typing) 할 수 없다.

또한 대부분의 SNP 스코어링 기술들이 PCR 기법을 이용하고 있으므로 PCR이 가지고 있는 기본적인 한계 및 오염에의 위험이 항상 존재한다. 어떤 장비든 각각의 SNP에 대한 특정 조건의 분석을 장비에 맞게 개발하여야 제노타이핑이 가능하므로 많은 수의 검증된 분석방법(validated assay)을 확보하여야 한다.

특히 SNP 분석을 통한 진단을 수행하려 한다면 개발된 분석법의 정확도에 대한 철저한 검증이 필요하다. 따라서 수행하고자 하는 SNP 분석의 성격 및 상황에 따른 가장 적절한 제노타이핑 방법의 선정이 프로젝트의 성공적인 수행을 위하여 필수적이다.

많은 연구 결과와 분석 기법의 발전 등으로 맞춤의학 시대에 대비한 SNP 분야의 연구가 급속도로 진전되고 있다. 하지만 아직도 본격적인 맞춤의학 시대에 적용할 수 있는 진단 항목(diagnostic contents)이 부족한 현실이다. 현대인에게 문제가 되고 있는 만성질환들의 발병 및 예후를 예측하고 여러 가지의 약물에 대한 효능 및 부작용을 정확히 예측할 수 있는 콘텐츠의 개발이 필요한 상황이다.

또한 인구집단에 특이적인 패턴을 보이는 SNP의 특성상 한국인의 맞춤의학에 사용할 수 있는 콘텐츠는 한국인을 상대로 한 연구에 의하여 찾아내어야 하며 외국에서 개발된 SNP 지표는 한국인에서 다시 확인을 해야하는 과제를 갖고 있다.

유전자 발현차이 한순간에 모두 측정
다수 가늠자 복합 내재…메틸화 현상 이용한 진단기술 기대



개인별차이란 세포수준에서 보면 정상적인 생명현상은 센트럴 도그마(central dogma·그림)라는 유전정보 전달 조절체계에 의해 균형이 유지되는 것이라 볼 수 있다. 그러나 좀더 자세히 들여다보면 각 개인은 타고난 유전자 구성측면에서 제각기 미묘한 차이가 있음을 알 수 있다.

즉 염색체 부위의 부분적 증폭과 결실 등에 의한 차이 그리고 DNA 수준에서는 염기서열의 반복성의 횟수와 SNP을 통한 차이를 나타내기도 한다. 또한 염기서열의 차이에는 변화가 없으나 유전자 조절부위에 있는 특정염기에서 화학적 변화 즉 메틸화가 발생하여 정상적인 유전적 조절에 이상이 생기기도 한다.

정상세포는 끊임없이 네트워크를 통한 대화에 의해 생성과 사멸 과정을 거치게 된다. 결국 질병유발원인은 세포가 죽어야 할 때 죽지 않거나 오래 더 살아야 할 때는 죽어버리는 경우라 해도 과언이 아닐 것이다.

분자진단(molecular diagnostics)이란 개인별로 차이나는 유전적 구성 요인들중 분자지표로 사용 할 수 있는 것들을 체계적으로 발굴하여 이들을 판단목적을 위한 진단 가늠자로 활용하는 분야이다.

지금은 가늠자 역할을 담당할 수 있는 분자지표를 어떻게 효과적으로 찾아내야 하는지가 우선적으로 해결해야 할 과제이다. 종전까지는 특정 지표들을 시행착오를 거쳐서 찾아야 하는 기술적인 한계를 지니고 있었다.

그러나 최근의 인간유전자 전체서열 판독이라는 성과와 더불어 개발된 유전자 칩을 이용한 응용기술은 이러한 어려움을 극복하는 계기가 되었다. 결과적으로 연구용 유전자(DNA) 칩은 이제 분자지표 발굴작업을 초고속 및 대용량으로 진행하는 재료용으로 사용되기도 한다.

그리고 진단용 DNA칩은 결국 이들 다수의 가늠자들을 복합적으로 동시에 내재한 유전자 중심 체외진단용 키트로 사용된다. 현재 이러한 연구결과로부터 얻어진 후보 분자지표를 가늠자로 활용한 암 진단 및 감염성 질환들을 조기에 진단할 수 있는 진단용 유전자 칩은 국내외적으로 성공적으로 개발되고 있어 조만간 분자진단 기법을 통한 개인별 맞춤의학의 현실화가 이루어질 것으로 본다.

연구용 유전자 칩 사용의 기본적 원리는 인간 유전자는 약 3만여개 이상을 대상으로 유전자 발현조사를 하는 것에서 시작된다. 암 조직을 정상조직과 비교하여 볼 때 이러한 균형 잡힌 네트워크에 이상이 생겼다고 볼 수 있다. 이는 유전자의 발현에 있어서 현저한 차이를 보이기 때문이다. 유전자 칩은 이러한 유전자의 발현차이를 한순간에 모두(snap shot) 측정할 수 있도록 제작되어 있다.

현재는 유리판이나 실리콘웨프 같은 작은 고형체 표면에 모든 해당 유전자의 탐침 역할을 담당할 수 있는 상보적인 유전자 조각을 질서 정연하게 심어 사용하고 있다. 흡사 모양이 반도체칩 형태와 비슷해 DNA 칩이라고 명칭을 붙였다. DNA칩 원리는 종전에 유전자의 발현을 측정하기 위해 이용되어왔던 노던블랏팅(Northern blotting)의 역순이라 보면 된다.

그러나 속도나 측정의 양적인 면에서 비교가 되지 않을 정도로 차이가 있다. 반응방법은 우선 정상샘플과 암샘플의 각각에서 발현되는 모든 유전자정보전달 RNA(mRNA)들을 다른 형광색으로 따로 염색을 시킨 후 이들을 경쟁적으로 유전자 칩에 반응을 시켜 탐침에 상대적으로 반응하는 정도차이를 근거로 상대적인 발현차이를 조사하는 원리이다. 반응된 DNA칩을 특수 형광 판독기(laser scanner)로 읽으면 색상 차이를 구별할 수 있는데, 이들의 차이에 의해 정상샘플과 암 샘플간의 유전적 발현차이를 한순간에 모든 유전자를 대상으로 식별할 수 있다.

수많은 암샘플을 대상으로 이러한 실험을 수행하면 암 조직에서 공통적으로 특이하게 발현되는 유전자군을 발굴할 수 있다. 나아가서 동일한 방법으로 항암제에 반응하는 정도에 차이를 보이는 환자군들을 대상으로도 약물반응의 차별을 보이는 원인이 되는 유전자의 활동차이도 체계적으로 조사할 수 있다. 이들 후보유전자들은 이차적인 탐색작업으로 진행돼 최종적인 맞춤의학용 진단칩으로 개발된다.

맞춤의학의 특징을 개인의 암세포의 발생과 치료과정 전반에 걸쳐 살펴보면 우선 종양 원인 유전인자탐지 단계로부터, 암 조기진단 및 스크린, 예후평가, 치료 및 재발 모니터링, 약물 유전체학 등을 통한 약물 선정 등으로 나눠볼 수 있다.

여기서 DNA칩은 항암제반응지표에 의한 선별적 치료, 예후지표에 의거한 치료 후 재발유무 예측, 조기암발생 예측지표에 의거한 조기암 진단, 그리고 포괄적인 관점에서 바라본 암 유발 바이러스감염 지표에 의거한 치료방법 선택 등을 위한 개인별 유전적 차이를 구별하는 진단제로 사용된다.

맞춤의학을 위해서는 질환의 병리기전 현상을 분자수준에서 명확히 파악해야한다. 신약 개발은 병리기전을 파악한 후 약물 적용점으로서 표적이 될만한 후보 분자들을 찾아내는 질환특이 표적발굴단계가 있다. 이들 표적들은 동시에 진단지표의 가늠자로도 사용할 수 있다.

결국 유전체학을 이용한 신약개발의 표적발굴 단계와 진단목적의 분자표적 발굴 과정은 같은 선상에 있다고 할 수 있다.

유전자 칩을 이용한 진단용 개발품의 예로써, 유방암 환자의 재발예측을 위한 유전자중심 진단법을 들 수 있다. 이는 최근에 미국 바이오벤처 컴먼헬스에서 개발한 제품이다. 그들은 연구용 유전자 칩을 이용 수많은 유방암 환자의 암 부위와 정상부위 사이에 활동 상태의 차이를 보이는 200백여개의 후보 유전자들을 찾아냈다.

이들을 이용 암 치료제에 각각 다르게 반응하는 환자들을 좀더 정밀히 세분화하는 작업을 거쳐 마침내 가늠자역할을 담당할 수 있는 열여섯 개의 분자지표 유전자를 선택하였다. 그들은 여성호르몬인 에스트로젠 수용체의 존재 유무와 림프노드의 발생 유무 등과 같은 조건에 따른 유전적 소인인자의 활성정도를 측정하여 항암제 치료 후 재발할 소지가 있는 환자를 예측할 수 있는 복합적 분석 방법을 확립했다. 여기서 열 여섯개 유전자는 재발예후를 위한 복합적인 가늠자로 이용되는 셈이다. 그들은 우선 유전자증폭방법을 통한 진단킷의 상품화를 내년 초에 계획하고 있으나 조만간 유전자 칩 형태의 상품화도 기대할 수 있을 것이다.

유전자 메틸화현상(DNA methylation) 을 이용한 유전자진단 제품도 기대해 볼 수 있다. 정상세포는 유전적 환경적 요인에 의해 유전자 발현조절부위에 화학적 변화인 메틸화를 초래 할 수 있는데 이는 정상세포가 암세포로 변하기 전에 시작하는 초기현상이라 할 수 있다. 이 현상은 유전자 염기서열의 변화는 없이 해당 유전자 발현을 저해하는 것으로 흔히 에피지노믹스 영향이라고 한다.

세포의 브레이크 역할을 하는 종양억제 유전자들의 발현조절부위에 화학적으로 이상이 생기면 이들 유전자의 활동스위치가 손상을 받아 세포의 성장을 멈추게 하는 신호체계를 망가트리는 결과를 불러일으킨다. 이러한 세포는 멈추지 않고 계속 분열을 하려는 특성 때문에 결국 세포 종양화를 초래한다.

여기서 중요한 것은 암세포로 변화된 상태를 진단하기 위한 조사 대상이 DNA라는 점이다. DNA는 매우 안정적이고 조직과 혈액뿐만 아니라 오줌, 객담, 대변 등에서도 손상 없이 분리해 이용할 수 있는 비 공격적인 샘플링의 장점이 있다. 그러면 핵심은 가늠자 역할을 할 수 있는 메틸화 관련 종양억제유전자들을 어떻게 발굴하는가에 달려있다.

현재 이 분야에 선두 회사로 독일의 바이오업체 에피지노믹스社가 있다. 그들은 시퀀싱과 유전자 칩을 적용한 관련 유전자 발굴 작업을 대단위로 수행하고 있으며, 최근 로슈와 협력사업 계약을 체결, 메틸화 현상을 이용한 암 진단 키트 개발을 추진하고 있다. 그리고 국내 업체인 지노믹트리社도 독창적인 방법을 통한 조기 암 진단을 위한 메틸화 스캔용 DNA칩(Methyl Scan DNA chip) 개발을 완료 상품화를 위해 노력하고 있다.

포괄적인 맞춤의학은 이미 진행되고 있었다고 볼 수 있다. 예를 들어 항암제 투여시 임상 결과와 상관 관계가 있다고 알려진 유전지표 세포증식 및 속도관련지표 (Ki-67), 종양세포에서 과발현되는 유전자들(c-erb-B2 및 P53)을 가늠자로 사용하는 경우가 허다하다.

따라서 보다 정교한 맞춤의학시대의 진단을 위해서는 이러한 한두 가지 유전자를 이용하는 한계를 벗어나 가늠자 역할로서 여러 유전자지표를 함께 이용한 복합 가늠자(panel) 사용을 해야 하는 필요성이 절실히 요구된다.

이러한 요구를 충족시키기 위해 고밀도 연구용 DNA 칩을 사용한 대단위 연구 프로젝트들이 진행되고 있고 임상적 상관관계가 뛰어난 가늠자 역할의 지표유전자 발굴작업을 추진하고 있는 것이다.

약리 유전체학(pharmacogenomics)은 머지 않아 개인별 유전자구성요인의 다양성에 따른 약의 처방에 대한 효과의 차이를 설명해 줄 수 있을 것이다. 맞춤 의약품 시대의 요구에 걸맞는 정확한 약물을 처방하기 위해서도 역시 유전지표의 발굴과 이들을 가늠자로 이용한 처방전 개인별 유전자 반응상태의 검사가 필요하다.

SNP에 따른 개인별 약물반응차이와 다른 유전적 소인의 차이 때문에 반응의 차이를 보일 수 있다. 맞춤의학 시대의 약리 유전체학적인 원시적인 테스트는 이미 시행되고 있다고 볼 수 있다.

한예로 제넨테크社의 항암제 허셉틴(Herceptin)의 투여를 결정하기에 앞서 전문의사들은 유방암 환자들이 유전학 테스트를 받도록 권고하고 있다. 이는 유전지표의 가늠자로 HER2라는 인체 상피성장인자 수용체의 발현정도를 측정하는 것이다. 허셉틴은 HER2에만 선택적으로 작용하여 정상세포에는 영향을 미치지 않고 유방암세포의 성장 원인만을 차단한다. 이 때문에 일반 항암제에서 흔히 나타나는 부작용이 크게 줄었다는 장점을 갖고 있다. 따라서 여기서도 HER2 이외의 더 많은 가늠자 역할의 분자지표들을 발굴해 적용하면 보다 섬세하고 다양한 다른 항암제 투여를 효과적으로 진행할 수 있을 것이다.

천식 관련 유전자 속속 드러나
ADAM33 - 기도과민반응성(BHR) 유도
T-bet - 쥐실험서 결핍시 기도염증 발생
Tim family - A형 간염바이러스와 관련



장차 개개인에 맞춤의학을 적용하기 위해서는 다음과 같은 3가지의 연구단계를 거쳐야 한다. 먼저 약물반응의 차이를 유발하는 유전자 변이를 찾아내야 하며, 둘째로 찾아낸 유전자 변이가 인체에서 약물반응에 어떠한 영향을 미치는가를 알기위한 상관성 연구가 수행되어야 하고, 마지막으로 약물반응과 유전자 변이 상관성 연구를 통해 확보되는 자료로부터 개인의 약물반응을 예측하고 이로부터 개인의 유전적 특성을 고려한 빠르고 정확한 진단법이 개발 되어야 한다. 이중에서 각종 질환에 연관된 유전자 변이의 발견 및 검색을 위한 기술은 매우 빠르게 발전하고 있지만, 이들 유전자변이가 임상적으로 중요한가를 규명하는 상관성 연구는 그 연구 범위와 방법에 있어서 엄청난 시간과 노력이 필요한 것이 현실이다.

인간 개인별로 대략 0.5% 정도로 존재 하는 유전적 변이 가운데 가장 많은 비중을 차지하는 것이 바로 SNP이다. 현재까지 발굴된 SNP는 약 400만 개 정도이며 전체 지놈에서 추정되는 SNP 수는 1500만개 정도로서 게놈 상에서 평균 200~300 염기쌍마다 하나씩 존재하는 것으로 알려져 있다.

과학자들이 SNP에 관심을 많이 가지는 이유는 이들 SNP의 정체를 밝힐 경우 개인의 체질에 맞는 치료법이나 약물 투여가 가능할 것으로 보고 있기 때문이다.

천식 및 류마티스 등과 같은 대부분의 면역질환들은 어느 특정 유전자 한개의 이상에 따른 것이 아니라 다수의 유전자와 환경이 관여하여 유발되는 복합형 질병으로, 그런 질병들이 어떤 원인과 과정을 통해 발생하고 진행되며 이들을 치료하는데 있어서 SNP가 중요한 정보를 제공하리라 생각한다.

특히 SNP 연구를 통해 파악된 유전적 변이들은 약 6만 개의 염기서열이 블록으로 움직이는 것으로 여겨짐으로써, 이런 블록에 대한 연구는 소수의 SNP을 대상으로 하는 연구의 한계를 뛰어넘어 유전체와 질병과의 연관성을 밝히는데 매우 효과적일 것이다.

따라서 하나의 단위로 움직여 일배체형(haplotype)으로 불리는 유전체블록의 지도를 작성할 경우 질병유전자 발굴을 촉진하는데 매우 유용하게 사용될 것으로 전망됨에 따라 선진국들은 질병의 발생과 치료를 조절·예측할수 있는 맞춤의학 시대를 앞당기기 위해 각 개인의 유전적 차이인 SNP을 규명하는데 총력을 기울이고 있다.

현재, 면역질환 뿐 만 아니라 각종 질환에 있어서 맞춤의학은 아직 초보적인 단계로서 몇몇의 중간 대사산물 및 면역억제제의 사용에 제한되어 있다.

β2-아드레날린 수용체의 유전적 다형성과 이의 기관지확장 효과에 대한 상관성은 비교적 잘 확립되어 있는 경우의 하나이다. β2-아드레날린 수용체의 변이에서 Arg16 allele에 비해 Gly16 변이 allele를 가지고 있는 소아 천식 환자에서 기관지 천식효과가 상대적으로 크게 나타나는데, 이러한 결과는 Gly16 변이의 경우 수용체의 down regulation이 더 크게 나타나기 때문이다.

알부테롤을 반복 투여시 Arg16의 경우에는 기관지확장 효과에 대한 빠른 내성이 발생하는데 비해 Gly16의 경우에는 더 이상 효과감소가 크게 나타나지 않으며, 이는 Gly16의 경우 이미 이 수용체의 down regulation이 충분히 발생되어 있는 상태이므로 더이상 알부테롤에 의해 down regulation이 발생하지 않기 때문인 것으로 알려졌다.

또 다른 하나의 예로서 6-Mercaptopurine(6-MP)과 azathioprine(AZA)은 purine 유사체로서 불활성 된 전구물질이다.

이들 면역억제제 또는 면역조절제는 생체내에서 hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase(HGPRT) 효소의 기질에 대하여 경쟁적인 길항제로 작용하여 핵산 대사를 방해함으로써 세포증식과 면역을 억제하는 기능을 나타내는 항 대사제(anti-metabolite) 이다.

체내에 흡수된 AZA는 빠른 속도로 6-MP로 변환되는데 AZA의 85~90%가 6-MP로 변환되고 6-MP의 분자량이 AZA의 55% 이므로 이들 약제를 처방할 때에는 AZA와 6-MP 요구량의 비율을 고려하여야 한다.

6-MP/AZA는 그 자체로는 커다란 효과가 없고 세포 내에서 대사되어야 활성 대사산물이 생성된다. 6-MP/AZA가 복잡한 과정을 거쳐 비활성 및 활성 대사산물로 생체 내에서 변환하는 과정에 thiopurine methyltransferase(TPMT), xanthine oxidase(XO) 및 hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase(HGPRT) 등 중요한 효소가 경쟁적으로 작용한다. 6-MP/AZA의 효능과 독성 측면에서 다양한 개인차는 대부분 TPMT의 SNP에 연관되어 있음이 알려졌다.

6-MP/AZA는 난치성 염증성 장질환(inflammatory bowel disease; IBD)의 치료제로 흔히 사용된다. 가장 잘 알려진 역할은 크론병과 궤양성대장염 환자에서 스테로이드 사용을 피하면서 관해를 장기간 유지하는 면역조절 작용이다.

그러나 면역억제제의 안전성에 대한 효과가 늦게 나타난다는 점으로 인하여 적응이 되는 환자 중에서도 상당수는 실제 사용하지 않고 있는 실정이다.

면역질환 중에서 천식(asthma)은 유전적 및 환경적 요인에 의해 발생되는 질환으로 미국에서 1,500만 환자, 영국에서 800만 환자가 있고 매년 이 질환의 치료를 위해 드는 비용도 미국에서 1,450억에 이르는 것으로 추정되며 산업화된 국가들에서 매우 흔히 나타나는 질환이다.

최근 몇 년 동안에 천식의 발생에 연관된 새로운 유전자들이 속속 보고되고 있다. 이들 유전자들은
ADAM33, T-bet 그리고 TIMs 유전자들인데 천식에 연관된 병리 기전에 대한 기초를 제공한다는 측면 뿐만 아니라 천식의 예방과 치료를 위한 치료제 발견과 개발 및 맞춤의학의 대상으로서 주목 받고 있다.

ADAM33는 metalloproteases로서 알려진 프로테아제(protease) 그룹으로서 미국과 영국의 많은 가족 사이의 유전적 스크리닝에 의해 규명되어졌다. Genome Therapeutics와 University of Southampton의 연구팀들은 천식 질환을 가진 450가구 이상의 가족들의 임상 정보와 생물학적 샘플을 조사함으로써 이 유전자를 규명했다.

이 연구에 참여한 University of Southampton 의 Stephen Holgate에 의하면 천식 환자의 기도벽(airway walls) 이 두꺼워지고 연속적으로 기도 통로(airway passage)가 좁아지게 되고 결국 이런 변화는 전체 기도의 반응성(the overall airway responsiveness)에 영향을 미쳐서 천식과 관련된 호흡 문제를 일으킨다고 한다.

ADAM33 유전자가 이런 전체적인 변화 및 리모델링에서 중요한 역할을 하고 기도의 비정상적 기능에 원인을 제공하는 유전자라는데 의의가 있다.

환자에서 천식과 연관된 유전자의 규명과 위치 규명을 위해 이 연구는 가족 중 2명 이상의 아이가 천식을 가진 가족을 대상으로 내과의사로부터 천식으로 진단되어져 천식 치료제를 투여 받은 환자를 연구 대상으로 하였다.

이 유전적 연구는 또 천식이 알러지 또는 면역 성분에 의해 직접적으로 일어나는 것이 아니고 ADAM33가 기도 과민 반응성(BHR)을 유도한다고 밝혔다. 본 면역질환 유전체 연구센터에서도 한국인의 Adam33 유전자에서 새로운 SNP을 찾아내어 보고 하였으며 이들 유전자 변이들은 위에서 언급한 바와 같은 과정을 거쳐서 장차 천식의 맞춤치료를 위한 중요한 정보를 제공할 것이다.

T-bet 유전자가 천식 발달에 관여한다는 연구결과는 미국 하버드대학의 과학자들에 의하여 보고 되었는데, T-bet 유전자가 결핍된 쥐를 만들어, 이 쥐가 정상적인 쥐와 어떤 차이를 보이는지 조사한 결과 사람에게 천식이 발병했을 경우에 나타나는 것과 유사한 기도 염증(airway inflammation)이 발생한다는 사실을 확인할 수 있었다.

이 연구에서 기도를 수축시키는 약물인 메타콜린(methacholine)에 쥐를 노출시킬 경우, T-bet 유전자가 결핍된 쥐의 기도가 정상인 쥐의 기도보다 훨씬 더 좁아지는 것을 확인 하였고, T-bet 유전자가 결핍된 쥐의 기도에서 확인된 물리적인 변화 또한 만성 천식 환자의 기도에서 확인되는 특성과 유사한 것으로 보고 됐다.

또한 CD4라는 면역 세포를 면역계가 약화된 쥐에게 이식한 후 기도의 반응성(responsiveness)에 어떤 변화가 유도되는가를 조사한 결과 T-bet의 발현정도에 따라서 기도의 반응성이 과도하게 민감해진다는 사실을 확인할 수 있었다.

이와 같은 연구 결과들은 T-bet가 항 천식 약물 개발에 매우 유용한 약물 표적(drug target)으로 활용될 수 있음을 의미한다. 본 면역질환 유전체 연구센터에서는 폐 및 호흡기질환 유전체 연구센터와의 공동연구를 통하여 T-bet 유전자의 새로운 SNP을 세계 최초로 찾아내어 보고 하였다.

면역질환을 연구하는 과학자들은 이 질병에 유전적 요인에 의한다는 것을 알고 있지만 서로 독립적으로 작용하는 수십여개의 유전자들이 복잡하게 연관되어 있어서 천식과 관련한 특정 유전자를 규명하고자 하는 노력들이 결실을 맺지 못했다.

최근 Rosemarie DeKruyff 박사를 비롯한 스탠포드 연구팀은 천식의 일차적 주범으로 여겨지는 Tim family 유전자 그룹을 규명하였다. A형 간염에 걸리면 천식 발생이 억제되는 효과가 관찰된 바 있지만 그 이유는 잘 알려지지 않았으나, 새로 밝혀진 `Tim family`에 속하는 `TIM-1`과 A형 간염 바이러스와의 연결고리가이 두 질병 간의 상관관계를 설명하는 실마리를 제공할 것으로 보인다.

A형 간염 바이러스가 수용체와 결합하면 천식 발생을 유도하는 면역반응이 활발한 세포가 제거되는 경향이 있음을 알았다. 본 면역질환 유전체 연구센터에서는 Tim family(Tim-1 및 Tim-3) 유전자들에서 새로운 SNP를 찾아내어 보고 하였으며 이들이 면역질환과 연관되어있음을 보고하였다.

각종 면역질환에 관련된 유전자들의 SNP에 대한 연구가 활발히 진행된다면 십수년후 의사들이 천식이라는 병을 치료하는 대신 환자 개인 특성에 맞춰 약효는 최대로 발휘하고 부작용은 없애는 맞춤의학의 시대가 도래할 것이다.

표준화된 임상 프로토콜 사용중
골다공증 gDNA 600례·관절염 B-cell 400례 확보



2010년 늦가을 만 54세 주부인 홍길순씨는 안면에 홍조, 발열감과 함께 만사가 귀찮고 힘이 없어 내과진찰을 받으러 모 대학병원을 방문한다. 의사가 이것저것(식생활, 음주습관, 운동여부) 묻고 신장, 허리둘레, 체중 등을 측정한다. 그리고 손, 척추, 골반부위 방사선 사진을 찍고 골밀도 측정과 혈액, 소변검사를 받으라고 한다.

이틀 후에 모든 검사결과가 나왔으니 설명을 듣고 치료에 대해서 의논을 하자고 병원에서 연락이 왔다. 진단은 여성호르몬인 에스트로젠 분비가 중지되어 발생하는 갱년기 여성 증후군과 골밀도가 현저히 감소된 골다공증이라고 했다.

의사는 혈액을 채취해 유전자 검사를 해야 된다고 했다. 이유를 물으니 우리병원은 대한민국 여러사람
을 대상으로 골다공증에 대한 표준화된 유전정보가 있어 유전자검사로 어떤 약제가 당신에게 가장 좋으며, 약제용량도 체중에 근거한 것이 아닌 유전자 검사기준으로 결정해야 하고 효과적인 투여기간도 알아낼 수 있다고 했다. 그리고 딸이 있으면 같은 검사를 미리 해보고 모든 정보를 데이터베이스 해 놓자고 했다. 약간은 의아했지만 그렇게 하리라고 마음을 먹고 치료를 시작했다. 3년 후 치료목표를 100% 달성하게 됐다.

요사이 맞춤의학이라는 용어를 자주 접하게 된다. 글자 그대로 개개인의 다른 체형에 아무리 다양한 크기와 모양이라도 기성복은 그 맵시를 내는데 맞춤복을 따라 갈 수 없다. 위에서 기술한 가장 좋은 적절한 용량의 약제선택과 투여기간은 약제 반응성과 감수성을 이야기한다.

폐경 후 여성 골다공증 환자에게 여성호르몬인 에스트로젠이나 프로제스트론과 약물을 같이 투여해도 약 20%에서는 반응하지 않는다고 알려져 있다.

또한 유방암이나 자궁경부암 같은 심각한 부작용을 일으킬 수도 있다. 미리 검사를 통해 개개인에 따른 반응성과 감수성을 알 수 있고, 또 이러한 호르몬을 복용할 경우 암이 합병될 수 있음을 알 수 있다면 다른 약물을 시도할 것이다. 이것이 예측을 가능하게 하는 미래의학의 모델이다.

이 문제는 약물뿐만이 아닐 것이다. 음식물, 건강보조식품, 방사선치료 등 인체에 생물학적 반응을 일으키는 모든 곳에서 상상이 되는 이야기이다. 발병 후 치료에 국한된 것이 아니라, 미리 어떤 사람은 얼마가 지나면 어떤 특정한 질병에 걸릴 확률이 매우 높기 때문에 미리 발생을 막든지 아니면 발병률을 줄이는 조기진단과 예방의학을 가능하게 할 수 있다.

2000년에 이미 우리나라는 65세 인구가 7%를 점하는 고령화 사회에 접어들게 되었으며, 2019년에는 14%를 점하는 고령사회에, 2050년에는 21%를 점하는 노령사회에 진입하리라고 예상되고 있다.

고령사회는 비생산인구 연령층인 어린이와 노약자를 제외한다면 3명의 생산인구가 1명의 비생산 인구를 그대로 돌봐야한다는 것을 의미한다.

2002년 우리나라의 만성 골격계 질환 중 대표격인 골다공증에 약 250만명, 관절염에 약 350만명이 이환되어 고통을 받고 있으며 이로 인한 생산성 손실액은 각각 2조5000억원과 1조3000천억원에 이르는 것으로 추정되어 이에 대한 범국가적이고 체계적인 대책이 필요하기에 이르렀다.

새천년 새로운 세기로 접어든 시점에 인간 게놈 프로젝트가 종료되어 인간 유전자 지도가 완성되면서 많은 정보를 향유할 수 있게 되었고, 이용 접근성이 용이하게 되었다. 약 3만개로 알려진 사람 유전자의 중요 부위는 종족별, 개체별로 크게 차이는 없지만 DNA 염기서열 중 250~1000개마다 한 베이스 정도의 차이가 있기 때문에 개인별, 인종별 차이를 나타낸다.

이 차이 때문에 같은 환경, 같은 가정에서 살아도 여러 질병의 발병과 치료효과 면에서 다른 결과를 나타낼 수 있다. 이것이 맞춤의학을 추구하는 근거가 된다.

여러 선진국에서 국가별로 자기종족이나 심지어 다른 종족들의 유전자원 확보에도 혈안인 것은 어쩌면 당연한 노력이라 할 것이다.우리나라에서도 다행스럽게 각 정부 부처별로 선진문화 질환군을 선정하여 유전체 사업을 시작하게 되어 매우 고무적인 일로 생각된다.

경북대학교병원은 2001년 6월 보건복지부로부터 근·골격계 질환 유전체 연구소로 지정됐다. 연구대상 질환은 골다공증, 관절염, 대퇴골두무혈성괴사 등이다.

연구비는 매년 정부출연 5억, 경북대학교병원 2억, 대구광역시 1억원이며 센터는 경북대학교병원 생명의학연구소 2층에 전용 공간 100평을 사용하고 있다. 5개 세부과제로 구성되며, 센터 전임으로 박사 2명, 연구원 5명, 행정 전무 요원 2명으로 운영되고 있다. 1단계 3년 동안 확보 설치한 주요장비는 질환 동물모델을 만들기 위해 micromanipulator와 무균동물 사육장치를 구비하였으며 Laser capturing microscope, cDNA microarray analyzer and reader, Confocal microscope, Diamond knife- hard tissue microtome, Deep freezer(2), PCR cycler(2), 2-D elsctrophoresis system 등을 갖추었다.

골다공증과 관절염에 대해 국립보건원과 연계하여 표준화된 임상 프로토콜을 확립해 이용중에 있으며, 유전자원 확보는 골다공증 gDNA 600례, 관절염 B-cell 400례를 중앙 유전체 연구센터인 국립보건원에 제공하였고, 개개 연구자들은 골다공증 gDNA 1000예 관절염 1500례를 확보하고 있고 이들을 약제 반응, 특징적인 임상 양상대로 분류작업을 하고 있다.

▲제 1세부에서는 `골다공증 환자의 유전 자원, 후보 유전자군의 한국인 특이 SNP 발굴과 골다공증 관련 유전자 규명`에 관한 연구로 서울아산병원 김기수 교수가 과제를 진행하고 있다.

표준화된 골다공증 임상 프로토콜을 확립하였고 gDNA 600예, B-cell 50예를 이용해 연구를 시행했으며 SNP 연구로 렙틴 수용체, 에스트로젠 수용체, 비타민 D 수용체 다형성과 골밀도의 관계를 조사해 일부 유전자는 서양인과는 다르게 작용한다는 것을 규명했고 렙틴에 의한 골모세포 세포사 기작을 밝혀냈다.

▲제 2세부에서는 `한국인 관절염의 유전체 역학 연구`에 관한 연구로 한양대학교 병원 배상철 교수가 과제를 진행하고 있다. 표준화된 관절염 임상 프로토콜을 확립하였고 gDNA 600예, B-cell 400예를 이용해 연구를 시행했으며 여러 가지 항산화 효소에 관여하는 유전자와 TGF-B SNP 연구를 시행해 유전자 다형성과 골밀도의 관계를 조사했다. 퇴행성관절염에 대한 기초연구로 TNF-a, NK-kappa B, Apoptosis 경로를 규명하여 효과적인 치료제 탐색을 하고 있다.

▲제 3세부 `동물 모델 및 관절 연골 관련 SNP 후보 유전자 발굴`에서는 뼈 및 연골형성에 마스터 유전자로 알려진 Runx2 gene의 연골조직 하부 유전자들을 발굴하고 세포생물학, 분자생물학 및 동물모델을 통한 기능연구를 수행하고 있다(경북대학교 의과대학 생화학 교실의 최제용 교수). 아울러 연골 유전자들의 체계적인 검색을 위해 2000여개의 unigene을 확보해 연골조직용 DNA chip을 김정철 교수 팀과 공동개발했다.

▲제 4세부의 `골형성 관련 유전자 탐색과 신규 SNP 후보 유전자 발굴`은 경북대학교 치과대학 류현모 교수가 분화단계별 조골세포로부터 한국인 기질세포 유전자칩(4.8K; 경북대학교 의과대학 김정철 교수 제작)을 이용해 골형성에 관여하는 유전자를 검색하고 있으며, craniosynostosis 모델세포로부터 cDNA library를 만들고 있으며 검색된 유전자의 발현양상을 조사하기 위해 in situ hybridization기법을 확립하고 있다.

▲제 5세부 `골흡수 관련 유전자 발굴, 기능 연구 및 임상응용`은 경북대학교 병원 김신윤 교수가 사람 골수세포로부터 파골세포를 생성하여 한국인 기질세포 유전자를 칩을 이용해 골흡수에 관여하는 유전자를 검색하고 있다. gp130 유전자 적중 마우스 모델을 이용해 조골세포의 기능 이상이 파골세포의 분화에 영향을 미친다는 것을 밝혀냈고 파골세포 분화에 필수적인 RANKL에 관여하는 약제를 탐색하고 있다.

과제 시작 2년 6개월 동안 연구에 필요한 기반기술과 인력 및 시설을 갖추었고 16편의 국외논문, 30편의 국내논문을 게재할 수 있었고 4건의 특허출원 및 획득했고 골·연골세포 특이 unigene 2000종과 파골세포 unigene 200종을 이용한 칩개발, 유전자원의 지속적인 확보, 골·연골 관련 기초기술 확립, 골·연골 관련 핵심 SNP 후보 유전자를 임상연구가와 국립보건원에 각각 100여종 추천해 과제 목표대비 좋은 성과를 이루고 있다.

2단계에서는 이러한 1단계 성과를 바탕으로 추가적인 SNP 및 haplotype에 관한 연구, 코호트연구(경북 및 경남 각 1개 지역 물색중), 조기진단용 칩과 biomarker 개발, tranomics, proteomics, functional genomics, pharmaco-genomics 등과 협력사업을 통해 연구를 확대, 발전할 계획으로 있다.

최근 미국 하버드의대와 MIT는 협력프로그램으로 매년 3000억원 규모의 유전체 연구를 시작했다. 그 투자 규모와 시설 및 인력의 과제 수행능력은 어느 정도가 될지 우리로서는 상상이 안간다.

하지만 한국인은 백인과 틀리다. 틈새는 있을 수 있다. 허용된 범위 안에서 한국인의 유전자원은 우리 손으로 확보하고 체계적으로 분석, 정리하여 보존하리라는 신념으로 최선을 다하고 있다.

유전자-환경인자 상호작용 분석기술이 우선



인간유전체 염기서열 지도가 완성되고 빠르고 정확한 분석도구들이 개발됨으로써 제2형 당뇨병의 유전적 원인을 규명하는데에도 획기적인 전환점을 맞고 있다. 그러나 제2형 당뇨병은 유전적 다형성이 있으며, 다인자성이고, 유전자-환경간의 상호작용의 영향을 받기 때문에 철저한 유전자 변이분석 이외에도 유전자-유전자 및 유전자-환경인자 간의 상호작용을 분석할 수 있는 기술을 확보하는 것이 성공의 관건이라고 생각된다.

당뇨병의 유전적 원인을 규명한다는 것은 여러 가지 면에서 중요한 의미를 갖는다. 첫번째는 당뇨병 발병의 유전적 원인을 밝혀냄으로써 당뇨병의 발병을 조기에 예측하고, 예방할 수 있는 방법을 개발할 수 있게 될 것이다.

제2형 당뇨병은 유전적인 감수성과 환경인자의 상호작용에 의해 발생하며 인슐린저항성과 인슐린분비장애의 유전적 이상이 있더라도 상당히 오랜 기간 동안 정상혈당을 유지하다가 인슐린분비가 더 이상 보상적으로 증가하지 못하면 혈당이 상승하기 시작하여 내당능장애 단계를 거쳐서 당뇨병으로 진행하게 된다.

현재의 당뇨병 예방 노력은 주로 내당능장애가 있는 사람들을 대상으로 하였는데 이들은 당뇨병이 발생하기 바로 직전 단계에 속하는 사람들이다. 유전적 고위험군을 일찍 발견할 수 있게 된다면 발병시기 훨씬 전부터 보다 체계적인 예방대책을 세울 수 있다.

필자가 책임자로 있는 당뇨 및 내분비질환 유전체 연구센터에서는 반더빌트 대학의 무어 교수와 함께 유전자-유전자 및 유전자-환경인자 간의 상호작용을 비교적 적은 수의 대상에서도 분석할 수 있는 도구를 이용하여 PPARγ와 uncoupling protein 2의 특정한 유전자형 조합을 가진 경우 제2형 당뇨병의 발병률이 매우 낮은 것을 2003년 8월 세계당뇨병학회에서 발표한 바 있다.

또한 유전자와 환경인자와의 상호작용을 파악하기 위해 한국인의 미토콘드리아 유전형을 분석하여, 약 절반 가까운 사람들은 시베리아의 추운 지방을 거쳐서 한반도로 내려왔고, 나머지는 남방의 따뜻한 지방을 거쳐서 한반도에 정착하게 되었음을 알게 되었는데, 놀라운 사실은 미토콘드리아 유전형에 따라서 당뇨병, 비만, 중성지방 농도, 혈압 등 당뇨병의 위험인자들의 빈도가 상당한 차이를 보인다는 것이다.

둘째로는 일단 당뇨병에 걸린 경우에도 합병증 발생의 위험을 예측하여 개개인에 맞는 합병증 예방대책을 세울 수 있게 될 것이다. DCCT나 UKPDS연구결과 혈당을 철저하게 조절하면 당뇨병의 미세혈관합병증의 발생이나 진행을 줄일 수 있다는 것은 잘 증명이 되었고 이 결과를 토대로 거의 모든 당뇨병 환자에게 똑같은 혈당조절 목표를 적용하고 이에 따라 일률적인 지침을 제시하고 있다. 그러나 실제 임상경험을 통해서 보면 어떤 환자의 경우는 혈당이 증가되어 있긴 있지만 합병증이 거의 안 생기는 경우도 있고 또 반대로 혈당을 잘 조절하는데도 불구하고 합병증이 잘 생기는 경우도 있다.

후자의 경우는 혈관합병증에 대한 유전적 감수성을 갖고 있어, 혈당조절을 열심히 해도 합병증이 잘 올 가능성이 있으며 전자의 경우는 합병증 발생을 막는 유전적 소인을 갖고 있거나, 혈당이 그리 높이 올라가지 않아서 혈당조절에 별로 신경을 안 쓰더라도 합병증이 안오는 경우도 있을 수 있다.

만약 이러한 차이를 보이는 유전적 소인을 밝혀낼 수 있다면 모든 당뇨병 환자에게 일률적으로 같은 치료지침을 따르도록 하는 것이 아니라, 개개인의 유전적 특성에 맞는 치료지침을 세울 수 있게 된다.

예를 들면 MODY(maturity onset diabetes of the young) 환자중 글루코키나아제의 유전자 돌연변이에 의해 당뇨병이 발생한 경우에는 HNF1α의 유전자 돌연변이에 의해 당뇨병이 발생한 경우와 달리 미세혈관 합병증 발생이 거의 없다.

글루코키나아제 유전자 돌연변이 경우는 HNF1α변이와 달리 췌장베타세포 기능의 악화가 없고, 정상인보다 약간 높은 혈당에서부터 분비가 시작되지만 인슐린 분비가 혈당의 상승에 따라 비례해서 일어나기 때문에 심한 고혈당을 초래하는 일이 없기 때문이다.

셋째로는, 개개인에 맞는 맞춤치료방법을 개발할 수 있게 될 것이다. 유전적 특성에 따른 치료지침과 더불어 개개인의 약제에 대한 감수성을 같이 파악할 수 있게 되어 부작용을 최소화하고 효과적인 약제를 개발하여, 개개인의 특성에 맞게 맞춤치료를 할 수 있게 될 것이다.

예를 들어보자. 인슐린 감작제로 최근에 임상에 사용되기 시작한 글리타존 계열 약제들(로시글리타존, 피오글리타존)은 다른 경구혈당강하제에 비해 매우 고가임에도 불구하고 인슐린저항성을 낮출 수 있다는 장점 때문에 많이 사용되고 있다. 그러나 이들 약제를 쓰는 환자 중 약 3분의 1은 약제에 대한 반응이 없다. 만약 이들 약제에 대한 반응을 미리 예견할 수 있다면 불필요한 투약을 피할 수 있게 될 것이다. 최근 필자의 당뇨 및 내분비질환 유전체연구센터에서는 이들 약제에 대한 반응성이 아디포넥틴과 레지스틴의 유전자 다형성과 관련이 있다는 예비결과를 얻고 다수의 환자를 대상으로 검증을 하고 있다.

또 한가지 예를 더 들어보자. 경구혈당강하제중 가장 오래전부터 사용해오던 약제가 설폰요소제이다. 설폰요소제에 대해 처음부터 반응이 없는 경우가 약 10% 정도되며, 약제를 사용중 반응이 없어지는 경우도 연간 5~10%에 이른다. 설폰요소제에 대한 반응의 차이는 여러 가지 원인에 의해 설명될 수 있지만 최근 HNF1α 유전자 돌연변이가 있는 당뇨병 환자에서는 설폰요소제 사용시 인슐린 분비반응이 다른 환자들보다 매우 높다는 연구결과가 발표되어 유전적인 원인이 경구혈당강하제에 대한 반응을 결정하는데 중요한 요소중의 하나임이 입증되었다.

이처럼 당뇨병의 유전적 원인을 규명하는 일은 개개인의 특성에 맞는 예방 및 치료방법을 결정하는데 매우 중요한 일이며 현재의 유전체 연구의 진전속도로 볼 때 머지않은 시기에 유전적 정보에 입각한 맞춤 치료 및 예방이 당뇨병 환자에게도 적용이 가능할 것으로 생각된다.

세포신호전달시스템 표적 치료비정상적 시스템 차단…
암세포 사멸보다 성장억제 효과 기대



새로운 암 치료제로 개발되고 있는 생물학적 제제들은 EGFR의 과발현, ras 유전자의 돌연변이, VEGF의 발현 등 암세포의 특이한 유전자 변화를 목표로 하는 약물들이므로 실제 환자의 암조직에 나타난 유전자 변화에 따라 생물학적 제제를 투여함으로써 그 환자의 독특한 유전자 변화를 선택적으로 공격하여 정상 세포의 독성을 줄이고 치료효과를 높이려는 시도가 활성화되고 있다.

적절한 약물과 용량 선택

항암제 약물의 대사에 관여하는 여러 체내 효소가 있으며 이들 효소 유전자의 변이에 따라 실제로 환자의 혈중 약물농도는 큰 차이를 보이게 된다.

항생제나 다른 약물처럼 안전마진이 넓은 약물은 혈중 약물농도 차이에 따른 독성 발생에 큰 차이가 없을 수도 있으나 안전마진이 좁은 항암제는 생명이 위험할 정도의 독성을 초래하기도 한다.

대표적인 약물이 5-FU로 체내에서 dihydropyrimidine dehydrogenase(DPD)에 의하여 대사된다. 선천적으로 DPD 효소의 활성이 없는 환자는 심각한 5-FU의 독성을 겪게 되고 심지어는 사망에 이르기도 한다. DPD 효소의 활성이 낮은 환자는 심한 독성을 겪는 반면 5-FU에 반응을 보일 확률 또한 높다. 5-FU의 산물인 fluoropyrimidine은 thymidylate synthase(TS)를 억제하여 DNA의 합성을 억제하는데 많은 연구에서 종양내 TS의 발현이 낮은 대장암 환자는 높은 환자에 비하여 5-FU에 대한 반응을 보일 확률도 높고 생존기간도 길었다.

또한 TS 유전자의 프로모터 부위의 다형성에 따라 TS 단백 발현 정도가 다르기 때문에 TS 유전자형에 따른 치료 반응률과 생존기간의 차이를 보였다.

Cisplatin과 oxaliplatin 등 platinum 제제는 종양내의 DNA repair enzyme 농도에 따라 반응률이 다르며 특히 excision repair crosscomplementing group 1(ERCC1)은 cisplatin에 대한 내성과 밀접한 관계를 보인다.

유전자 특성 따른 새로운 분류

SNP 기술을 이용하여 암 발생 고위험군의 진단, 독성 발생 예측, 최선의 약물 선택 등이 가능해지고 있다. 특히 cDNA 마이크로어레이를 사용하여 수 천 가지 유전자의 발현 정도를 하나의 슬라이드에서 가능하여짐에 따라 혈액암들의 세부 진단이 가능해졌다.

급성림프구성 백혈병과 급성골수구성 백혈병은 세포유전학적 분류와 더불어 분자생물학적 특성에 따른 분류를 추가하여 예후 예측과 치료법 선택이 변화하고 있다. 악성 림프종에서는 diffuse large B-cell lymphoma(DLBCL)를 세분한 결과 germinal center B-like DLBCL과 activated B-like DLBCL로 나뉘며 두 그룹간의 5년 생존율도 76%와 16%로 큰 차이를 보여 다른 질환임을 입증하였다.

혈액암 뿐 아니라 유방암 등 고형암도 유전자 발현 양상에 따라 다른 특징을 보이는 몇 그룹으로 세분되며 각 그룹간 예후, 치료의 반응, 생물학적 양상 등이 달라 앞으로 각 질환의 세부 분류에 따른 치료법의 선택이 요구된다.

선택적 공격하는 생물학적 제제

현재까지의 암 치료는 유전적 배경이나 암 세포의 유전자 변화와 상관없이 수술, 방사선, 혹은 항암제 치료를 하고 있으나 미래의 암 치료는 암 세포의 특이한 유전자 변화를 목표로 하여 환자별로 선택적인 치료법을 사용하게 될 전망이며 이미 몇 가지 `표적치료(Targeted therapy)` 약물이 임상에 소개되어 주목을 끌고 있다.

특히 기존의 항암제 치료는 암 세포 뿐만 아니라 정상 세포에도 손상을 입혀 암 환자 치료에 저항으로 작용하고 있으나 암 세포의 독특한 유전자 변화를 목표로 선택적인 공격을 하면 부작용을 최소화하면서 치료 효과를 극대화하는 성과를 기대할 수 있겠다.

1) 표적치료(Targeted therapy) 특징

　(1) 환자의 선별이 필요하다- 암 발생 장기별 분류보다는 유전자 변화에 따른 분류에 따라 치료제를 결정.
　(2) 장기적인 치료가 필요하다- 경구 투여를 선호.
　(3) 암 세포 살상보다는 암 세포의 성장 억제 효과를 기대한다- 종양의 크기 감소보다 환자 생존 기간의 연장이 치료의 목표이자 효과 판정의 기준.
　(4) 다른 치료와의 병합이 요구된다- 병용 치료를 위한 이론적 배경과 실험적 뒷받침이 요구됨.
　(5) 약제 투여 후 약물이 작용하고 있는지 여부를 판정할 수 있는 생물학적 표지자가 요구된다- 효과적인 약물용량 결정과 기존의 임상 시험 패러다임의 전환이 필요.
　(6) 항암제 치료와 전혀 다른 부작용 발생에 대한 대비가 요구된다.
　(7) 적절한 투여 기간 결정을 위한 장기간의 임상 시험이 요구된다.

2) 표적 치료의 작용 기전

현재 가장 많이 사용되고 있는 표적치료의 표적은 세포 신호 전달 시스템이다. 많은 종류의 암세포에서