2007년 노벨 생리의학상 – 유전자 표적화 기술의 발견

2007년 노벨 생리의학상 – 유전자 표적화 기술의 선구자들

서론: 유전자를 마음대로 조작하다

2007년 노벨 생리의학상은 생명과학 연구의 새로운 시대를 연 세 명의 과학자들에게 수여되었다. 마리오 카페키(Mario Capecchi), 올리버 스미티즈(Oliver Smithies), 그리고 마틴 에반스(Martin Evans)는 유전자 표적화(gene targeting) 기술을 개발하여, 과학자들이 생쥐의 유전자 하나하나를 선택적으로 ‘끄거나(녹아웃)’ 혹은 ‘수정’할 수 있게 하는 데 결정적인 기여를 했다.

이 기술은 특정 유전자의 기능을 밝혀내는 데 필수적인 도구로 자리 잡았고, 암, 심장병, 유전 질환, 신경퇴행성 질환 등을 연구하고 치료 전략을 개발하는 데 중추적인 역할을 하게 되었다. 노벨 위원회는 이들의 업적을 “기초 생물학과 의학에 혁명적인 영향을 미친 기술적 도약”이라고 평가했다.

배아 줄기세포와 DNA 재조합의 획기적 진보

올해 노벨상 수상자들은 포유류의 배아 줄기세포와 DNA 재조합에 관한 획기적인 발견을 잇달아 발표했다. 이들의 발견은 쥐를 대상으로 한 유전자 표적화라는 매우 강력한 기술의 탄생으로 이어졌다. 현재 이 기술은 기초 연구부터 새로운 치료법 개발에 이르기까지 거의 모든 생물의학 분야에 적용되고 있다.

유전자 표적화는 종종 단일 유전자를 비활성화하는 데 사용되며, 이러한 유전자 '노크아웃' 실험을 통해 배아 발달, 성인 생리학, 노화 및 질병에서 수많은 유전자의 역할이 밝혀지고 있다. 현재까지 포유류 게놈 유전자의 약 절반에 해당하는 1만 개 이상의 마우스 유전자가 노크아웃되었으며, 가까운 미래에는 모든 유전자를 대상으로 '노크아웃 마우스'가 제작될 것으로 예상된다.

이제 유전자 타겟팅을 통해 쥐 게놈에서 거의 모든 유형의 DNA 변형을 생성할 수 있게 되어 과학자들은 건강과 질병에서 개별 유전자의 역할을 규명할 수 있게 되었다. 유전자 타겟팅은 이미 심혈관 및 신경 퇴행성 질환, 당뇨병 및 암을 포함한 인간 질환에 대한 500가지 이상의 다양한 쥐 모델을 생산하는 데 기여하고 있다.

 

Gene targeting

마틴 에반스 – 줄기세포에서 시작된 꿈

1970~80년대 초반, 마틴 에반스는 실험용 생쥐 배아에서 배아 줄기세포(embryonic stem cell, ES cell)를 분리하고 배양하는 데 성공했다. 그는 초기 생쥐 배아에서 정상적인 염색체를 지닌 세포를 배양해 생식선에 도달할 수 있다는 사실을 밝혀냈으며, 이를 통해 유전 정보를 다음 세대로 전달하는 것이 가능해졌다.

이후 그는 ES 세포를 유전적으로 변형하여, 특정 유전자가 마우스의 생식선으로 전달되는 과정을 시연함으로써, 유전자 조작 마우스의 기반을 마련했다. 이 발견은 유전자 표적화 기술의 중요한 한 축이 되었다. 더불어 에반스는 생쥐의 생식세포 형성 과정을 추적하며, 복잡한 유전 현상을 연구할 수 있는 새로운 창을 열었다.

마리오 카페키 – 유전자를 정확히 노리는 기술 개발

마리오 카페키는 미국 유타대학의 유전학자로서, 특정 유전자를 ‘정확하게’ 조작하는 기술에 주목했다. 그는 상동 재조합(homologous recombination)을 통해 세포의 DNA에서 원하는 유전자에 정확히 개입하는 방법을 개발했다.

카페키는 도입된 DNA와 포유류 세포의 염색체 사이에서 상동 재조합이 일어날 수 있음을 입증했으며, 이를 통해 결함이 있는 유전자가 복구되거나 특정 유전자가 제거되는 과정을 실현시켰다. 그는 또한 일반적으로 적용 가능한 표적화 전략을 개발하고, 양성-음성 선택 시스템을 확립했다. 그의 전략은 이후 수많은 유전학 실험의 기반이 되었다.

올리버 스미티즈 – 유전자 편집의 실현과 확장

올리버 스미티즈는 상동 재조합을 활용해 유전자를 정밀하게 편집할 수 있음을 독자적으로 입증했다. 그는 처음에는 인간 세포의 돌연변이를 교정하려 했으며, 그 과정에서 내인성 유전자가 활성 상태와 무관하게 상동 재조합의 표적이 될 수 있다는 사실을 발견했다. 이는 모든 유전자가 표적화의 대상이 될 수 있다는 가능성을 제시했다.

스미티즈는 낭포성 섬유증, 탈라세미아, 고혈압 및 죽상동맥경화증과 같은 다양한 질환에 대한 마우스 모델을 개발하여 질병의 병태생리 이해와 치료 전략 수립에 기여했다. 더 나아가 그는 유전자 교정의 정밀성과 안정성에 대한 연구를 지속하여, 유전자 치료의 가능성을 열어젖혔다.

유전자 타겟팅 기술의 응용과 의의

1989년, ES 세포에서 상동 재조합을 사용하여 유전자 표적 마우스를 생성한 최초의 보고서가 발표되었다. 이후 이 기술은 발달 중 및 성체 동물의 특정 시점이나 조직에서 돌연변이를 활성화하거나 억제할 수 있는 정교한 방식으로 발전하였다.

현재 유전자 표적화 기술은 수백 개의 유전자가 포유류 태아 발달에서 어떤 역할을 하는지 규명하는 데 활용되고 있으며, 유전자 기능 해석 및 인간 질병의 모델링에 있어서 필수 도구가 되었다.

에반스는 인간 유전 질환, 특히 낭포성 섬유증에 대한 마우스 모델을 개발하여 치료 가능성을 연구했으며, 스미티즈는 혈액 질환 및 심혈관 질환에 대한 실험 모델을 창출했다. 카페키는 장기 발달 및 선천 기형에 관여하는 유전자의 기능을 규명해냈다.

결론: 생명설계도를 자유롭게 편집할 수 있는 시대

이들의 업적은 단지 기술에 그치지 않는다. 유전자 표적화는 유전자의 기능을 체계적으로 분석하고, 이를 기반으로 질병의 기전과 치료법을 개발하는 데 핵심적인 플랫폼을 제공했다. 유전자 기능과 인류에 대한 이점에 대한 이해는 앞으로도 수년간 폭발적으로 증가할 것이다.

2007년 노벨 생리의학상 수상자들이 남긴 유산은 생명체의 설계도를 구성하는 유전자를 정밀하게 편집하고 분석할 수 있는 능력을 인류에게 선물한 것이며, 이는 유전자 치료와 정밀의학 시대의 토대를 마련한 역사적 전환점이라 할 수 있다. 이 기술의 발전은 향후 인류가 유전 질환을 극복하고 건강 수명을 연장하는 데 핵심적인 도구가 될 것으로 기대된다.