바이오인

▲ 서론

2000년 6월 26일 미국 NIH의 Francis Collins 박사와 셀레라사(Celera Genomics)의 Craig Venter박사는 인간유전체 구조의 초안을 발표하였다. 인간 게놈을 규명하기 위한 프로젝트는 2005년까지 인간 DNA 전체를 해독한다는 목표로 1990년에 출범했었다. 당초 미국은 국립 보건원(NIH)과 에너지부 합동으로 연구를 추진했고, 이후 영국 일본 독일 프랑스 등이 참여한 가운데 총 예산 30억 달러 규모의 국제적인 인간 게놈 프로젝트(HGP)가 본격 출범했다. 한편, 민간 생명공학 기업들이 뒤늦게 뛰어들면서, 게놈 프로젝트는 더욱 가속화됐다. 지난 98년 설립된 미국 메릴랜드주 록빌의 벤처기업 셀레라사는 올 6월까지 게놈 프로젝트를 완성하겠다고 공언했다. 이처럼 치열하게 상호 경쟁한 결과, 당초 계획보다 2년 앞당겨 2003년에는 99.99%의 염기서열이 결정될 것으로 보인다.

인간유전체의 염기서열을 완성함으로서 얻는 보물은 무엇인가? 이 유전정보는 분자의학에 가장 큰 영향을 미칠 것이다. 즉 각종 질병의 진단을 정확하게 할 수 있는 정보로 활용될 것이다. 또한 유전자의 기능 연구를 통하여 신약개발에 유용한 자원으로 활용될 것이다. 생물학적 변혁의 다음 단계는 유전체 기능 연구(functional genomics)시대이다. 단지 밝혀진 유전자에 국한하여 기능을 부여하는 것이 아니라 유기체의 생리현상에 관여하는 유전적인 경로의 구성과 조절에 기능을 부여하는 것이다. 유전체 기능 연구는 밝혀진 유전자의 염기서열을 이용하여 세포 및 동물 수준에서 기능을 밝히고 신약개발 및 진단에 응용하는 것을 목표로 한다.

마우스는 기능이 밝혀지지 않은 인간유전자의 생체 내 기능을 밝히는데 가장 적합한 모델동물이다. 인간 유전체와 아주 흡사하게 3.1 × 109 염기쌍으로 구성되어 있고 염기서열도 인간의 염기서열과 상동성이 매우 높기 때문이다.

본론에서는 마우스 유전체 연구가 전세계적으로 어떻게 진행되고 있는지 살펴보고자 한다.


▲ 본론 : 마우스 유전체 연구 동향

Ⅰ. 미국 NIH
미국 NIH의 연구소장인 Harold Varmus박사는 mouse genomics 연구 및 genetics resources 확충을 목적으로 1998년 3월 베데스다에 국내외 전문가 60명을 초빙하여 실천계획을 수립하였다. 그들은 마우스를 활용하여 포유동물 생물학(mammalian biology)를 이해하려고 하는 모든 연구자들의 연구를 돕는데 목적을 두고 두가지 주요분야인 구조유전체학(structural genomics) 및 기능유전체학(functional genomics)를 토의하였다. 즉, 2003년까지 마우스 유전체 염기서열의 초안을 만들고, 조직적 돌연변이작출(systemic mutagenesis) 및 표현형조사 센터(phenotyping centres)를 설치 운영하며, 마우스 계통(strain) 유지, 분양 및 동결보존를 위한 시설을 설치 운영하고, 그리고 마우스 병리학(pathology)의 훈련과정을 설치 운영하는 데 소요되는 재원을 NIH가 지원한다는 내용이다. 그 구체적인 내용을 살펴보면 다음과 같다.

1. 마우스 유전체의 구조 분석

1). 물리적지도 작성용 자원(Physical Mapping Resources)
다음 3가지 형태의 physical maps이 유전자를 클로닝하는데 관심이 있는 연구자들에게 결정적이므로 이 분야에 연구비 지원이 필요하다.

 ⅰ. Bacterial Artificial Chromosome(BAC) Libraries/Map
 ⅱ. High Resolution Radiation Hybrid(RH) Map
 ⅲ. Yeast Artificial Chromosome(YAC) Resource

2). 유전적지도 작성용 자원(Genetic Mapping Resources)
복합 또는 양적 형질의 연구를 용이하게 하도록 마우스의 유전적 변이를 좀더 밝히는 3가지 자원확보에 투자가 필요하다.

 ⅰ. Genotyping Additional Mouse Strains.
 ⅱ. Low Resolution(5 cM) Single Nucleotide Polymorphism(SNP) Map
SNPs는 인간의 공통 질환에 관심 있는 연구자들에게 활용되고 있으나 마우스 생물학 연구에 가치가 있는지는 아직 확인되지 않았다. 고로 유용성을 검증하기 위해 1,500 내지 2,000 SNP markers를 지닌 row resolution(5cM) 마우스 map이 적당할 것이다.
 ⅲ. Consomic Strains


3). Positional Cloning Resources
다음을 확보하는 것이 구조와 기능 연구에 필요하다.

 ⅰ. 3` end Sequencing of ESTs for mapping
 ⅱ. Mapping of ESTs/cDNAs.
 ⅲ. Missing gene을 확인하는데 필요한 특별한 Libraries.
 ⅳ. Full Length cDNA Libraries.

4). Sequencing
마우스 유전체 염기서열의 사용자가 많으므로 대규모로(high-throughput), 고도의 정확성 및 효율적인 태도로 마우스 유전체 염기서열를 해독해야 한다고 제안하였다

2. 마우스 생물학의 기능적 분석

1) Genome-wide mutagenesis and phenotyping
 인간 유전체 프로젝트가 진행되어 많은 유전자가 인간 및 마우스로부터 결정됨에 따라 그 유전자들의 기능을 이해하는 것은 매우 중요하다. 고로 다음 사항이 추천되고 있다.
  ⅰ. 돌연변이생성프로토콜(Mutagenesis protocols)의 표준화
  ⅱ. ENU mutagenesis 및 Phenotyping 센터 설립

2) 표현형조사 프로토콜(Phenotyping protocol)의 개발 
  ⅰ. 기술발전(Technology development)
  ⅱ. 기술전수(Technology transfer)

3) 적중적 돌연변이생성(Targeted mutagenesis) 
  ⅰ. 다른 strain의 마우스로부터 ES 세포주를 확보하여야 하고, ES세포생물학의 이해가 좀더 요구된다.
  ⅱ. 다른 계통의 배경 하에 돌연변이를 연구하는 것이 필요하다.

3. 자원(Resources)
전 세계의 연구자들이 연구에 활용할 수 있도록 하기 위해 다음과 같이 각종 자원과 필요의 확충이 요구된다.

 1) 동결보존
 2) 마우스의 사육시설
 3) 적중된 대립형질(targeted alleles)의 표준배경(standard background)으로의 전환
 4) database resources

4. 교육훈련(Training)
 1) 동결보존 기술
 2) 마우스 병리검사 기술

이상의 실천 계획이 진행되던 2000년 5월 26일 베데스다에서 Second Follow-Up Workshop on Priority Setting for Mouse Genomics and Genetics Resources이 개최되어 그 동안의 진행사항을 점검하고 향후 계획을 설정하였다. 그 내용은 NIH mouse initiative web site에서 볼 수 있다. 간단히 요약하면 다음과 같다.

기능유전체학(Functional genomics) 분야

 1) NIH는 12개의 mutagenesis 및 phenotyping project를 지원하고 있다. 
 2) mutagenesis 및 phenotyping project에 독일, 영국, 프랑스, 카나다, 일본 및 호주가 참여하여 상호보조하고 있다.
 3) NIH는 신경조직(nervous system), 행동(behavior), 면역(immunology), 수면 (sleep), 시각(eye), 및 골(bone) 연구 분야에 개량된 대량 표현형 분석 (high-throughput phenotyping assay)법을 개발하기 위해 35개의 마우스 프로젝트를 지원하고 있다.
 4) 체세포 및 ES세포로부터의 공여핵을 이용하여 마우스를 클로닝하는데 성공한 보고가 있었다. 효율이 낮아 조직적으로 탐구할 인자가 많이 있다.

구조유전체학(Structural genomics) 분야 
 1) NIH는 마우스 유전체의 염기서열을 해독하고, 유전체 염기서열 해독을 위한 자원개발을 위해 10개의 센터를 지원하였다. 
 2) 국제적으로 유전체 염기서열 해독작업을 분담하고 있다.(영국:염색체 2, 4, 13, X의 50 Megabase DNA를 2002년까지 해독 할 예정임. 독일: 염색체 1, 4, 11, 19, X의 2.9 Megabase DNA 염기서열 해독을 계획함. 프랑스도 계획 중임)
 3) NIH는 포유동물유전자수집(mammalian gene collection)을 지원하고 있다. 

자원 및 교육훈련(Resources and training)
 1) NIH는 마우스 병리학자를 확보하기 위해 여러 형태의 훈련 프로그램을 개발하였다.
 2) 4곳의 Mutant mouse regional resources 센터를 추가로 설립하기 위해 지원하고 있다.


Ⅱ. Celera 사는 2000년 10월 129X1/SvJ, DBA/2J, A/J strains의 mouse genome 9.3 × 109 염기쌍의 95%를
해독하였다고 초안을 발표하였다.


Ⅲ. RIKEN Genome Science Center
Mouse Functional Genomics Research Group에서 mouse mutagenesis project를 수행하고 있다.


▲ 결론

이상으로 마우스 유전체 연구 동향에 대해 간단히 살펴보았다. 마우스 유전체학 연구는 인간유전체 프로젝트의 완성을 위해 절실한 연구이며 또한 질환모델동물을 확립한다는 차원에서도 매우 중요하다. 인간유전체 염기서열이 전부 해독되더라도 그 염기서열 자체는 큰 의미부여가 어렵다.

각각의 유전자의 기능 연구가 뒤따라야 한다. 마우스유전체 염기서열은 인간의 유전체 염기서열과 상동성이 매우 높으며 인간의 질환연구에 가장 적당한 모델동물이다. 최근 우리나라도 인간유전체사업단이 가동되면서 유전체의 기능 연구를 마우스 수준에서 일부 수행할 수 있게 되었고, 또한 최근 마우스 유전체 연구에 관심이 있는 연구자들 간의 정보교류 및 연구 활성화를 목적으로 mouse genomics연구회(MGSC)가 발족되고 창립총회 및 세미나를 개최하였다.

우리나라의 인간유전체 프로젝트를 성공적으로 수행하기 위해서는 마우스 수준에서의 기능 연구가 더욱 확대 발전되어야 할 것이다. 가능한 한 마우스 유전체 프로젝트 (mouse genome project)를 인간유전체 프로젝트와 연계하여 확대발전하는 것도 하나의 방안이라고 생각한다.

 

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