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미생물이야기 인간 유전체의 서열이 (99%이긴 하지만) 밝혀지고, 앞으로의 주요 과제는 각 유전자의 기능을 밝히는 일이다.
2013-08-14 16:02:35
이엠생명과학연구원

인간 유전체의 서열이 (99%이긴 하지만) 밝혀지고, 앞으로의 주요 과제는 각 유전자의 기능을 밝히는 일이다. 유전자의 구조와 기능 연구를 통해, 생물의 각종 형질이 자손에 전해지고 발현되는 기작을 연구하는 분야는 유전학 (Genetics)이다. 유전자의 기능을 밝히는 고전적인 유전학적 방법은 크게, 정방향 접근법(forward approach)역방향 접근법(reverse approach)으로 나눌 수 있다. 발현되는 형질을 이용해서 가상적인 유전자를 상정해 놓고 연구를 해야 했던 초창기 유전학자들은, 찾아낸 형질 변화나 차이가 어떤 유전자에 의한 것인지를 밝히는 것이 주요 접근 방법이었기에, 이를 정방향 접근법이라고 이름 붙인 거 같다. 한편, 유전자의 구조가 밝혀지고, 작용이나 발현 형질은 모르지만, 서열이나 유전체 상에서의 위치정보 등을 알게된 유전자들이 알려지면서 이들의 기능을 밝혀나가는 접근법을 전통적인 방법과 반대방향이라고 해서 역방향 접근법이라고 부르게 된 듯 하다.

 

정방향 접근법은 유전병을 가진 개체, 혹은 방사선을 쬐어서 돌연변이를 유도한 개체와 정상 개체의 유전자 중 달라진 유전자를 찾아내 해당 형질에 해당하는 유전자를 찾아가는 방법이다. 살아있는 생물체에 X선을 쬐어 돌연변이를 유발할 수 있다는 연구는 멀러 (Hermann Joseph Muller)에 의해 수행되었으며, 1946년 이 공로로 노벨 생리의학상을 수상했다.

 

역방향 접근법에서는 기능을 알고자 하는 해당 유전자를 유전공학기법을 이용하여, 유전체에서 없애버리거나 (녹아웃, Knockout), 과발현(over__EXPRESSION__) 시켜서 정상적인 개체와 어떤 형질이 달라지는 지를 관찰하여 유전자의 기능이 무엇인가를 유추하는 방법이 사용된다. 그러나, 어떤 유전자는 설사 없애버리더라도 생체의 보상 기작에 의해 다른 단백질이 대신 기능을 수행하는 경우도 있어서, 형질의 변화가 나타나지 않거나, 나타나더라도 영향이 미미하여 뚜렷하게 관찰하기 어려운 경우도 있다. 한편, 형질 변화를 관측한 경우에도 해당 유전자 자체의 변화에 의한 것인지, 다른 중요한 단백질의 역할에 영향을 미쳐 나타난2차 혹은 3차의 간접적인 결과일 수 도 있기 때문에 세심한 검증과정이 필요하다. 또한, 이처럼 유전체 자체를 변화시키는 경우에는 배아의 발달 단계에서부터 해당 유전자의 변화가 미치는 영향이 누적되므로, 제대로 개체로 자라지 못하고 죽는 경우도 있으며, 해당 유전자가 발달과정의 각 시기별로 다른 역할을 수행하는 경우라면 관찰하고자 하는 유전자의 기능을 제대로 연구할 수 없을 수도 있다.

 


                                                     정방향, 역방향 접근법 그림

따라서 때로는 형질변화를 관측하고자 하는 시점에 일시적으로 해당 유전자의 발현을 억제하는 방법이 유용할 수 있는데, 이런 목적으로는 mRNA에 결합하여 단백질 합성을 저해하는 안티센스(antisense) 올리고머RNAi 등이 일부 생물계에서는 성공적으로 사용되고 있다. 

 

안티센스 올리고머는 DNA나 RNA 유사체로서, mRNA의 일부 서열과 상보적인 서열을 가지고 있어서, 해당 유전자의 mRNA에 선택적으로 결합하여 단백질 합성을 방해한다. 여기서, mRNA의 서열은 단백질 합성정보를 담고 있으므로, 센스 (sense) 서열이라고 생각할 수 있고, 센스 서열과 결합하는 상보서열을 안티센스 혹은 complementary 서열 (cRNA나 cDNA에서처럼)이라고 부르는 것이다. 안티센스 올리고머가 mRAN에 결합해서 이중가닥을 형성하면, 이중가닥의 RNA만을 선택적으로 절단하는 RNase H에 의해 분해를 유도하는 것이다. RNAase H가 작용하지 못하는 경우에는 mRNA의 정보를 단백질로 만드는 과정이 억제되는 것으로 생각할 수 있다. 이 방법은 유전자치료의 한 방안으로 오랫동안 연구되어 왔는데, 천연물 상태의 전하를 띠고 있는 DNA나 RNA가 다수의 음전하를 띠고 있어 세포내로 주입하는 데 어려움이 있었다. 또한 생체내의 핵산 분해 효소에 의해 올리고머들이 단시간안에 파괴되는 문제도 있어서, 안티센스 올리고머의 구조를 변형하여 전하를 없애거나 양전하를 띤 폴리아민 등의 전달체를 이용하여 세포막을 투과하는 전략이 사용되고 있다.

 

현재까지 연구용으로 가장 성공적으로 사용된 안티센스 올리고머로는 모폴리노올리고머 (Morpholino oligomer: http://gene-tools.com/)를 한 예로 들수 있고, 이 분야에 초창기부터 뛰어 들어 임상용 약으로 개발을 추진하고 있는 회사로는 ISIS사를 꼽을 수 있다. ISIS의 초창기 시도는 인산기의 산소를 황으로 치환한 티오인산유도체였고, 이 중 몇 개는 현재 임상 시험이 진행중이다. 그러나 티오인산유도체들은 친화력이 떨어진다는 문제점과 함께 구강 투여시 흡수율이 낮고, 여러 가지 부작용이 나타나는 단점들을 가지고 있다. 이러한 문제점들은 첨가된 황 원자에 의한 것으로 생각되며, 이러한 제한점을 극복하기 위해서 인산에스터 부분 대신 탄수화물 부분을 변형하는 시도도 이루어졌는데, 탄수화물부분 중 2번 수산기를 메톡시에톡시 등의 치환기로 바꾸면 목표 RNA에 대한 결합이 현저하게 증가하고, 분해효소에 대한 저항성도 높아졌다. 황 원자를 갖지 않음으로써 이 화합물들은 티오인산 유도체에 비해 독성도 낮았으나, 목표 RNA에 결합했을 때 이합체가 RNase H에 의해 인지되지 않아서 단백질 합성에 대한 신호가 파괴되지는 않는 것으로 밝혀졌다. 한국 벤처 기업 중에는 Welgene이 고리형 올리고머를 이용한 보다 더 안정한 신약의 개발에 나서고 있다. 

 


                                           안티센스 올리고머 작용 그림

 

RNAi는 RNA interference를 줄여서 부르는 용어로서, 이중 가닥의 RNA를 이용하여 같은 서열을 가진 mRNA의 작용을 방해하는데 사용된다. RNAi는 1995년 C-elegans에서 안티센스 올리고머 실헝을 하다가 처음 발견되었는데, 안티센스만 넣어준 경우보다 센스를 같이 넣어준 경우에 mRNA 발현 억제 효과가 훨씬 더 증가한다는 것이 우연히 관측된 것이다. 추가적인 실험 결과 극미량의 이중가닥 RNAi만으로도 충분한 효과를 나타낸다는 것이 밝혀져 생체내에서 자체적인 증폭이 이루어지는 것으로 짐작된다. 단백질 생성만이 억제되는 것이 아니라, 몇 시간만에 mRNA 자체의 양도 급감한다는 사실도 알려졌다. 아직도 명확한 기작이 밝여지지는 않았지만, 현재의 모델은 바이러스나 트랜스포존에 대한 자연 방어기작에 의한 것으로 보고 있다. 일반적인 생물은 이중가닥의 RNA를 생성하지 않으므로, 만약 몸속에서 이런 구조가 발견된다면 외부에서 침입한 적으로 간주하고, PKR이라는 키나제를 활성화해서 세포 전반의 단백질 합성을 억제하고, 아폽토시스를 유발한다.

 

이것은 일반적으로 인터페론의 작용을 설명하는 기작의 하나이다. 한편으로는 투여된 이중가닥RNA가 21-23개의 핵산 조각으로 먼저 분해되고, 헬리케이즈 (helicase)에 의해 단일가닥으로 나누어진 다음 mRNA에 결합한다. 결합한 부위는 다시 이중가닥을 이루므로, 효소에 의해 절단되어 더 많은 짧은 가닥들을 만들게 되어 증폭사이클을 돌게 되는 것으로 설명하고 있다.




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