생명공학, 철학, 논술 등 방통대 생명공학과 인간의 미래 요점 정리 7. Genome era와 그 함의
7강 Genome era와 그 함의
7.1 인간 유전체 해독 프로젝트
이전 강의에서 생명현상을 유지하고 다음 세대의 유사개체를 만들어 내는 생명의 정보를 담고 있는 DNA에 대한 이야기 하였다. 이번 시간에는 개체가 가지고 있는 유전정보 전체를 이르는 말인 게놈 또는 지놈에 대해 생각해 보고자 한다. 인간을 인간으로, 바나나를 바나나로 즉 다양한 생물체 각각을 만들 수 있는 유전정보 전체를 우리는 그 생물체의 유전체, 즉 게놈(genome)이라고 부른다. 우리 몸을 구성하고 있는 수십 조 개의 세포 각각에 유전체 정보가 담겨 있다. 인간 유전체를 해독 한다는 것은 인간 DNA 전체의 A(아데닌), T(티민), G(구아닌), C(시토신) 네 종류 염기의 개수와 그 순서를 결정하는 작업이다. 인간 유전체의 DNA 염기서열을 해독하는 작업은 ‘인간 게놈 프로젝트’를 통해 1990년부터 13년간 진행되어 2003년 공식적으로 완성되었다. 이 작업에 총 30억 달러 (한국 돈으로 3조 원)의 막대한 예산이 투입되었다. 이 작업은 미국의 에너지성(Dept. of Energy)과 국립보건연구소 (NIH)에 의해 주도되었다. 시작 당시 막대한 예산을 당장 인간에게 유용한 AIDS 등의 질병 연구에 이용해야 한다는 많은 학자들의 반대에도 불구하고 생명과학 분야에서 주도권을 갖고자 하는 미국 정부와 유전체 정보가 궁극적으로 유전병의 치료에 꼭 필요하다는 일부 과학자의 주도로 진행되었다.
이 거대 프로젝트는 국민의 세금인 연구비가 어떤 우선순위를 가지고 사용되어야 하고 연구주제는 어떻게 결정되어야 하는가의 연구비 배분의 우선순위 문제를 제기하였다. 또한 맨하탄 프로젝트 이후 거대과학이 성공을 거두게 되어 다시 한 번 과학연구의 거대과학화와 과학의 정치에 대한 예속을 초래하였다. 인간유전체 프로젝트 이후 각 나라들은 앞다투어 막대한 비용, 엄청난 물리적 자원, 인력, 기술력의 투입하는 방향으로 생명과학 연구 방향을 수정하여 생명현상에 대한 호기심이 그 목적이 아닌 거대프로젝트 위주로 연구를 진행하는 결과를 초래하였다.
그렇다면 인류는 왜 이토록 많은 인적, 물적 자원을 투입하여 (인간 유전체 사업은 주로 미국을 중심으로 영국, 일본 등의 협력을 통해 진행되었다) 인간 유전체의 정보를 해독하고자 한 것일까. 어렸을 때 모두 플라스틱 부품과 순차도를 주고 비행기나 탱크 등을 조립하는 장난감을 가지고 논 기억이 있을 것이다. 간단한 장난감을 조립하기 위해서도 부품의 리스트가 필요하듯 보잉 747 같은 매우 복잡한 기계가 어떻게 조립되는가를 이해하는 것도 부품 리스트를 확보하는 작업부터 시작 되어야 한다. 마찬가지로 매우 복잡한 인간이라는 유기체를 이해하기 위해서는 먼저 그 부품
리스트가 필요하다. 인간 게놈 프로젝트를 통해 우리는 이제 생명체의 부품 리스트를 얻어낸 것이다. 이 부품리스트를 이용하여 앞으로 어떻게 이들이 조립되어 복잡한 생명체를 만들고 유지 하는지 알아갈 수 있을 것이다. 이런 이유로 선진국들은 거대한 연구비를 지원하여 그 비밀을 풀고자 하였다. 또한 ‘인간 게놈 프로젝트’는 유전체 정보는 인류 공동의 유산이라는 믿음 속에 진행되었고 그 귀중한 정보가 우리 모두에게 공짜로 공개되었다.
7.2 인간 유전체는 어떤 특징이 있는가?
‘인간 게놈 프로젝트’ 결과 사람의 유전체는 약 30억 개의 염기쌍으로 구성되어진다고 알려졌다. 그 정보의 양을 이해하기 쉽게 환산해보면 여백 없이 A, T, G, C글자로 가득 채운 A4 용지를 90미터 이상 쌓아올리는 정도의 정보량이다. 인간 유전체 전체의 염기서열이 발표되었을 때 가장 놀라웠던 사실 중 하나는 인간을 만들고 유지하는 유전자의 수(數)가 예상보다 엄청 작다는 것이었다. 인간은 예상과 달리 고작 2만 5천 개 정도의 유전자를 가지고 있다는 것을 알게 되었다. 또한 그 놀라움은
인간과 다른 생물체의 유전자 수를 비교하면서 더욱 커졌다. 매우 고등한 동물로 자부하는 인간은 맥주나 빵을 만들 때 넣는 효모보다 겨우 5배 많은 유전자를 가지고 있고, 과일 주변을 날아다니는 초파리의 2배, 그리고 아주 작은 지렁이(꼬마 선충)보다는 겨우 1.5배 많은 유전자를 가지고 있다. 인간과 다양한 생물체의 유전체 정보가 알려준 가장 놀라웠던 사실은 전혀 연관성이 없어 보이는 다른 생물체들이 가지고 있는 유전체들의 유사성이었다. 예를 들면 빵이나 맥주를 만들 때 넣는 우리가 보통 생물체라고 인식조차 하지 못하는 효모의 유전체에 의해 만들어지는 단백질 중 약 46%가 인간에게도 존재한다. 또한 크기가 1 mm인 꼬마 선충의 유전체에 의해 만들어지는 전체 단백질의 43%, 우리가 먹는 바나나 전체 유전체 단백질의 50%, 초파리의 전체 단백질의 61%, 그리고 매운탕으로 즐겨먹는 복어 전체 단백질의 75%가 인간의 유전체에 의해 만들어지는 단백질 과 매우 뚜렷한 유사성을 보인다. 즉, 겉보기에는 이토록 다른 생명체들이지만 적어도 유전자 수준 에서는 생명현상을 유지하는 데 필요한 메커니즘들이 진화하면서 그대로 보존되어 사용되고 있다. 2005년 밝혀진 진화 상 인간과 가장 가깝다는 침팬지 유전체의 염기서열은 침팬지와 인간이 98% 정도의 유전정보를 공유하고 있음을 제시하였다. 침팬지와 인간의 차이는 전체 유전체에서 겨우 2% 유전자의 차이가 만들어낸 결과라는 것이다.
인종, 외모, 능력 등 우리 눈에 매우 다르게 보이는 인간은 99.9% 이상의 동일한 유전정보를 가지 고 있다. 즉, 단 0.1% 미만의 유전정보 차이가 인간 사이의 다름을 만드는 이유인 것이다. 정말 대동소이(./01)란 이럴 때 써야만 하는 단어가 아닌가 싶다. 또한 인간의 역사에서 반목과 전쟁 등의 원인을 제공했던 민족이나 인종의 차이를 유전체 정보로는 구분할 수 없다고 한다. 역사적으로 인종 이나 종족은 늘 인간 차별의 원인이 되어왔다. 이를 이유로 20세기에도 나치의 유대인 학살과
1994년 르완다의 후투족에 의해 80만 명의 투치족 학살이 잔행 되었다. 인간의 유전 정보를 해독 하는 인간 유전체 프로젝트를 진행하면서 관심사 중 하나도 인종을 유전 정보로 정의할 수 있는가 이었다. 2003년 공식적으로 인간유전체 프로젝트가 종결된후 유전체 연구를 진행했던 연구자들은 정부의 지원을 받아 ‘인간 유전체의 차이와 인종(Human genome Variation and Race)’에 관한 연구와 워크샵을 진행하였다.
현재 우리가 인종이라 부르는 각기 다른 여러 개인의 염기서열을 비교하였으며 인종을 과학적으로 정의할 수 있는가에 대한 연구와 토론을 진행하였고 그 결과를 2004년 네이쳐 유전학(Nature Genetics)지에 발표하였다. 그들의 결론을 인용하면 ‘DNA 연구는 현대 인간 내에서 피부나 머리 카락 등의 색깔은 개인차이가 있으나 인종이라 부를만한 유전자들 간의 차이의 패턴은 존재하지 않는다’는 것이다. 이 발표 이후 인종 차별주의자(racist)에 대한 사전적 정의는 ‘분리할 수 있는 인간의 인종들은 존재하지 않는다는 인간 유전체 프로젝트의 결과에도 불구하고 여전히 인간이라는 종(species)내에 인종이 존재한다는 믿음을 계속 가지고 있는 개인이나 집단’으로 규정 되어졌다. 아무런 과학적 근거가 없는 종족이나 인종을 구별하며 미움과 분노를 투사하는 우리를 유전체의 시각에서 바라보면 정말로 ‘도토리의 키 재기’를 하고 있는 것이다.
7.3 Genome을 알고 난 후 우리가 알 수 있는 것은 무엇이고 우리에게 남겨진 질문은 무엇인가
유전정보의 해독은 우선 인간의 질병 중 우리 몸을 구성하는 유전자 정보의 이상으로 발생하는 암 이나 당뇨병 등 일반적으로 유전병이라고 통칭되는 질병들에 대한 이해와 진단을 매우 쉽게 만들 었다. 또한 태아의 경우 양수를 채취하여 시행하는 유전자 검사를 통해 많은 유전병들에 대한 가능 성을 예측할 수 있다. 물론 현재 유전병에서 어떤 부품이 어떻게 잘못되었는지 진단한다고 하여 그 치료가 모두 가능한 것은 아니다. 이미 유전정보에 따라 개체가 만들어지고 난 후에 유전자를 대체 할 수 있는 방법 (유전자 치료라고 불림)이 아직 성공을 거두고 있지 못하기 때문이다. 그렇기에 우리가 이전에는 운명으로 받아들였던 유전정보에 대한 사실을 치료법도 없이 꼭 알아야만 하는가 의 논쟁은 지금도 현재 진행형이다. 태아의 경우 양수검사로 유전자 검사를 할 수 있을 때는 이미 임신 6개월이므로 이때 유전병의 존재 가능성을 안다면 부모들은 이미 거의 사람의 형태를 갖춘 태아를 낙태할 것인가 아닌가의 어려운 도덕적 선택을 해야만 한다. 따라서 요즘은 가계에 유전병에 해당하는 유전인자가 존재할 경우 자연임신이 아닌 인공수정을 통하여 태아의 유전정보를 검사한 후 유전정보에 이상이 없는 태아를 감별해 착상시키는 시험관 아기 시술이 많이 시행되고 있다. 이
는 우리가 기능을 알고 있는 유전자들을 중심으로 어느 정도 ‘맞춤아기’가 가능하다는 것을 시사 한다. 현재 유전체 정보를 상업적 목적에 이용하는 몇몇 회사들은 ‘DNA 스캔’이라는 검사를 제공 하고 있다. ‘DNA 스캔’은 개인의 유전체로부터 변형되어 있는 유전자들을 모두 찾아내 질병의 가능성을 예측해주는 서비스로 ‘어떤 유전자에 이상이 있으니 어떤 질병을 조심하라’, ‘어떤 질병에 걸릴 가능성은 몇 % 이다’ 등등의 검사결과를 제시하여 이익을 올리고 있다. 또한 인간 유전체 정보를 바탕으로 미래의 신약은 머리가 아플 때 타이레놀을 먹는 것같이 모든 사람에게 동일한 약을 처방하는 것이 아닌 개개인의 유전정보에 따라 가장 적합한 약을 찾는 ‘맞춤형 약’으로 발전 해갈 것으로 예측하고 있다. TV 범죄 수사극에서 쉽게 볼 수 있듯이 우리 개개인은 모두 조금씩 다른 DNA 염기 서열을 가지고 있으므로 유전정보는 개인의 신원을 확인하는데도 유용하게 이용 되고 있다. 재미있는 예가 오래 전 영화로도 만들어졌던 잉그리드 버그만 주연의 러시아의 마지막 황녀 ‘아나스타샤’ 이야기다. 볼세비키 혁명으로 총살된 러시아 황실 가족 중 가장 어린 자신만 살아남았다고 주장하며 ‘아나스타샤’를 자처하던 여인의 신원이 그녀의 사후 병원에 남겨져 있던 조직에서 추출된 DNA 정보로부터 가짜로 판명되었다. 그러나 거꾸로 개개인의 유전정보가 데이터화 되고 유출된다면 엄청난 사회문제가 발생할 수 있다. 예를 들어 개인 의료 보험이나 생명 보험이 현재는 나이에 따라 가입자를 차별하고 있지만 병에 걸릴 가능성을 유전정보로부터 예측할 수 있다면 이를 근거로 가입자를 차별하게 될 것이다. 또, 우스운 이야기 일지 모르지만 집안이 나 경제력 뿐 아니라 그 유전자 때문에 부모가 결혼을 극심히 반대하는 일이 일반화 될 수도 있다.
아마도 결혼정보 업체에서는 유전자를 근간으로 ‘귀골’이 아닌 ‘귀 DNA’ 그룹을 선별하고자 할 것이다. 즉, 사회에서 유전정보에 근간을 둔 인간의 차별이 가능해질 수 있다. 따라서 개인의 중요한 프라이버시로서 혈액 등 생체 샘플에 대한 관리 및 그로부터 쉽게 얻어낼 수 있는 유전정보에 대한 관리와 사용에 대한 법적 장치 등의 마련이 매우 필요하다.
7.4개인 genome sequencing 100만원 시대의 도래는 무엇을 의미하는가
- ‘개인 유전체 해독 단 하루 100만원 시대’를 바로 눈앞에 맞으며, 아기가 태어나자마자 그 자리 에서 피 한방을 뽑아 유전정보를 읽어내 부모에게 아이가 앞으로 특정 질병에 걸린 확률과 신체적 능력을 설명한다. 1997년 발표된 생명과학이 가져올 미래에 대한 앤드류 니콜 감독의 명작 ‘가타카 (GATTACA)의 한 장면이다. 수업시간에 이 영화를 보고 학생들에게 ’본인이나 자식의 유전정보에 대해 알고 싶은가?‘를 주제로 토론을 하게 하였다. 학생들은 알고 싶은 쪽과 알고 싶지 않은 쪽이 반반 정도였다. 그러나 최근 급속도로 발전하고 있는 유전체 해독 기술은 곧 이런 토론 자체를 무의미하게 만들 것 같다. 왜냐하면 우리의 의사와 관계없이 병원에서 X-ray를 찍는 것처럼 개인 유전체 정보를 해독하는 시대를 바로 눈앞에 두고 있기 때문이다.
네 종류 염기, A(아데닌), T(티민), G(구아닌), C(시토신) 서열이 이중나선 구조로 쌍을 이루고 있는 인간 유전체 DNA를 읽어내 유전정보를 해독할 수 있게 된 것은 DNA 시퀀싱(sequencing) 이라는 염기서열 해독 기술 덕분이다. DNA 시퀀싱은 1977년 미국 하버드 대학 교수 길버트 박사와 그의 학생 막삼에 의해, 그리고 영국 캠브리지 대학의 생어 박사에 의해 처음 개발되었다. 막삼-길버트의 방법은 네 종류의 염기 각각에 특이적인 화학반응을 일으켜 잘리게 한 후 그 자리를 읽어내는 화학
적 접근이었다. 생어 방식은 DNA 이중 나선을 복제할 때 특정 염기에서 더 이상 복제가 일어나지 않고 끝나게 하여 끝 부분을 비교해 읽어내는 것이다. 길버트와 생어박사는 이 공로로 1980년 노벨 화학상을 수상하였다. 그러나 생어 방법이 더 효율적이어서 이후 DNA 염기서열 해독은 주로 생어 방식으로 이루어졌다. DNA 염기서열 해독이 가능해 지자 인간 유전체인 30억 염기쌍의 서열을 읽
고 해석하려는 인간게놈프로젝트가 1990년에 미국 에너지부(Department of Energy)와 보건원 (National Institutes of Health)을 중심으로 발족되었다. 인간 게놈 정보는 의학 및 생물학의 발달을 가져오고 암이나 알츠하이머 등 유전자 이상에 의한 질병 치료에 도움이 될 것으로 기대되었다. 이 프로젝트는 미국과 영국을 중심으로 16 개국 연구소가 참여하였고 약 3조원의 막대한 자금이 투입되었으며, 2003년에 완료되었다. 2000년 인간 유전체 지도의 초안이 완성되어 6월 26일 클린턴 미국 대통령과 블레어 영국 수상에 의해 발표되는 역사적인 자리에서 클린턴 대통령은 ‘인류는 오늘 역사에서 가장 중요한 지도를 갖게 되었다’고 이야기 하였다. 이후 지속적 으로 정확도를 높이는 보완작업이 수행되어 2003년 완성된 인간 유전체 염기서열이 인류에게 공개 되었다. 이 정보에는 인간 유전체 99%의 염기서열이 99.99%의 정확도로 포함되어 있었다.
인간게놈프로젝트는 성공적으로 완료되었지만 가장 큰 문제는 막대한 비용과 시간이었다. 프로젝트가 종료된 후에도 유전체 염기서열 해독의 비용과 시간을 줄이려는 노력은 계속되었다. 또한 2008년 미국, 영국, 중국이 중심이 되어 1000 유전체 프로젝트 (1000 genomes project)가 발족되었다. 이 프로젝트는 한, 두 명의 유전체 정보를 읽는 것이 아닌 적어도 다양한 종족 1000명 이상의 유전체를 빠른 속도로 읽어내는 것이다. 인간마다 존재하는 1%미만의 미세한 유전적 차이 중 질환과 관련된 차이를 발견하고 의학적으로 유용한 정보를 얻는 것이 목적이었다. 2010년 1000명 유전체 초안이 발표되었고 올해 3월 아마존을 통해 이 정보가 일반에게 공개 되었으며, 현재는 세계 27개 인종 2500명의 유전체 정보를 읽는 일이 진행 중이다.
이렇게 빨리 여러 명의 유전정보를 읽어낼 수 있게 된 것은 2007년 차세대 유전체 해독기술인 NGS(Next Generation Sequencing)가 개발된 덕분이다. 1세대라 불리는 생어 염기서열 기술은 정확도는 높지만 대규모 시퀀싱이 불가능하고 시간과 비용이 많이 드는 단점이 있었다. 일루미나(Illumina)사에 의해 처음 개발된 2세대 NGS는 대량 병렬염기해독기술을 사용하여 한번 읽어낼 수 있는 유전체의 양이 매우 크고 시간을 엄청 단축시켜, 2011년 10월 기준 인간 유전체를 읽는데 800 만원이 들었고, 2014년에는 100 만원으로 하루 만에 가능할 것으로 예측한다. 또한 올해 1월 라이프 사이언스사는 개인 유전체를 100 만원으로 하루에 읽어낼 수 있는 사무실 프린터기 크기의 이온 프로톤 염기서열 해독기를 개발했다고 발표하였다. 현재 3세대, 4세대 염기서열해독기가 개발되고 있어 그 비용과 시간은 앞으로 더 빠른 속도로 감축될 것이다.
이에 따라 의료서비스의 혁신적 변화가 예측되고 있다. 개인의 유전정보에 따라 미리 취약한 질병에 대한 예방과 자신에게 가장 효율적인 치료법을 찾는 유전자 맞춤형 치료가 곧 가능해질 전망이다. 그러나 이에 수반되는 개인 유전체 정보 프라이버시와 차별 문제 또한 수면에 떠오르고 있다. 우리 사회는 과학과 기술의 발전 속도를 따라가고 있는 것일까?
7.5 인간 게놈프로젝트 이후의 과학
인간 게놈프로젝트 성공으로 생명과학의 거대화 및 상업화에 대한 자신감이 만연하게 되었다. 또한 국가가 과학기술의 목표설정 및 연구과정 개입하는 것이 당연시 되는 이유를 제공하였다. 또 생명과학 연구가 국제적으로 과도한 경쟁과 속도전으로 전개되고 있는 것이 현실이다.