Genome editing 기술에 관한 pros and cons

[요약문]

2015년 일본에서 방송된 드라마 「designer baby」를 보며, 배우가 실험재료를 구입한 영수증에 CLISPER/Ces7이라고 구입물품명이 기재되어 있어서 웃은 적이 있다. 그와 동시에 CRISPR-Cas9이 벌써 이렇게 드라마의 모티프가 될 정도로 대중화되고 있구나 싶어 놀란 기억이 있다. 지놈상의 목적배열을 간편하게 치환 및 제거 가능한 지놈 편집 기술 CRISPR-Cas9이 등장하였고, 이를 이용하여 인간의 유전정보를 바꾸는 것이 ‘이론적으로’ 가능하게 되었다. 인간의 지놈을 수정란 단계에서 편집할 경우 아이가 태어나기 전에 유전병을 치료 가능한 점 등의 긍정적 효과를 기대할 수 있다. 반면에 지놈 편집으로 인해 변이가 발생할 경우 그 부작용이 다음세대에 이어질 수 있는 위험성 및 생명체의 지놈을 편집하는 것에 대한 논리적인 문제가 거론된다. 지놈 편집 기술이 제대로 이해되고 적절한 형태로 응용되도록, 우리들은 무엇을 알아야 하며 어떠한 논의를 펼쳐나가야 하는가.

[목 차]

1. 서론
2. 본론
  2.1 지놈 편집 기술
  2.2 응용 예
    2.2.1 농수산물 품종개량
    2.2.2 질병치료 등의 의약분야
  2.3 위험성 및 생명윤리
    2.3.1 불가역적 변이
    2.3.2 수정란 지놈 편집
  2.4 각국의 견해
3. 결론
4. 참고문헌

1. 서론

CRISPR를 주축으로 한 지놈 편집 기술을 통하여 유전정보의 배열을 간편하게 변화시킬 수 있게 되었다. 이 기술은 유전자 기능 해명 및 질병 메커니즘 규명을 포함하는 기초연구 및 유용생물의 창출, 의약분야에까지 그 응용 가능 범위가 광범위하게 확장되고 있다. 특히, 수정란 및 초기배아 단계에서 표적배열에 특이적으로 DNA를 도입하는 것이 가능하기 떄문에 ES 세포 및 iPS 세포를 이용한 치료가 불가능한 생물종에서도 이용할 수 있어, 지금까지 유전자치료를 수행하기 어려웠던 생물종을 대상으로 적용 가능하다. 이렇게 지놈 편집 기술이 급속히 발전함에 따라, 기술상의 문제점 및 한계가 신중히 고려되고 있다. 예를 들어, 생체 내에서 표적하는 유전자만을 편집할 수 있는 효율이 현시점에서는 매우 높다고 말할 수가 없다. 따라서 표적한 배열 이외의 영역에 의도하지 않게 변이가 도입되는 점에 주의가 필요하며, 정확도를 높이기 위한 기술개량이 행해지고 있다.

본 동향리포트에서는 먼저 지놈 편집의 개념에 대해 간략히 설명하고, 긍정적으로 응용되고 있는 예 및 위험성과 윤리적 문제를 포함하여 현재까지 논의되고 있는 장단점을 정리함과 동시에 왜 논의가 되고 있는가를 설명함으로써, 지놈 편집에 대해 신중히 생각해볼 기회를 제공하고자 한다.

2. 본론

2.1 지놈 편집 기술

 지놈 편집은 유전자의 특정부분을 잘라내거나 삽입하는 기술이다. 제1세대 ZFN, 제2세대 TALEN, 제3세대는 CRISPR-Cas9로 분류될 수 있으며, 각각의 차이는 다른 브릭동향리포트 등에 잘 정리가 되어있으므로 참조 가능할 것이라 여기고, 본 리포트에서는 CRISPR-Cas9를 이용한 지놈 편집을 다루도록 한다.

CRISPR-Cas9은 편집하고자 하는 표적 유전자 배열에 상보적인 single guide RNA (sgRNA)와 Cas9 누클레아제에 의해 표적배열을 변형하는 기술이다. sgRNA의 디자인 및 작성이 간편한 점으로부터 기술개발이 활발히 진행되고 있으며 다양한 생물종의 지놈 편집에 가장 많이 사용되고 있다. CRISPR-Cas9은 원하는 염기서열을 먼저 손상시킨 후(Double Strand Break, DSB), 그것이 회복되는 과정을 통해 원하는 부분에 새로운 유전자를 삽입하거나 원래 있던 유전자를 재배열한다. 포인트가 되는 Cas9누클레아제는 DNA상의 표적배열을 인식하는 부분과 DNA를 절단하는 효소가 합쳐진 것으로, 원하는 곳을 자를 수 있는 가위라고 할 수 있다. 삽입하고자 하는 새로운 유전자 단편(도너템플릿)을 누클레아제와 동시에 세포에 가하였을 때, 세포가 ‘실수로’ 도너템플릿을 이용하여 잘라진 단편을 연결시키는 것을 기대한다. 문제가 되는 것은 뜻하지 않게 같은 장소에서 변이에 의한 기능 결손이 일어나 버릴 수가 있는 것이다. 또한 누클레아제가 특정 배열을 제대로 인식하지 못하여 잘못된 장소에서 유전자를 절단해버릴 위험성이 있다. 더욱이 이러한 의도하지 않은 변이 및 절단 장소의 착오에 의한 지놈 편집의 부작용은 현 상황에서는 예측이 불가하므로 실제 임상치료에 사용될 경우 큰 문제가 된다. 따라서 지놈 편집 기술의 정확성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 행해지고 있으며 가까운 장래에 보다 확실한 기술이 확립될 것이 요구된다.

2.2 응용 예[1, 2]

 2.2.1 농수산물 품질개량

1) 농산물

 농산물의 기능성을 향상시키기 위해 지놈 편집을 응용한 예로, 알레르기를 일으키지 않고 제초제의 피해를 입지 않으며 꽃가루가 퍼뜨리지 않는 우수한 성질을 갖는 벼가 개발되었다. 또한 탄력성을 줄어들게 하는 식물호르몬을 억제하여 쉽게 상하지 않게 한 토마토, 유해물질을 포함하지 않는 싹을 갖는 감자 등이 개발되었다. 또한 제초제를 뿌려도 상하지 않는 야채가 판매되고 있으며, 트랜스지방산을 포함하지 않는 콩이 개발되었다.

2) 수산물

 수산업에 지놈 편집이 응용된 예로는, 거칠게 헤엄치지 않아 양식하기 쉬운 참치의 개발이 진행되고 있다. 또한 참돔의 수정란상에서 오스타틴이라는 근육성장억제유전자를 절단함으로써 지놈 편집이 이루어진 후 6개월후에 보통의 참돔과 비교하여 1.5배의 크기가 되었음이 보고되었다. 이 밖에도, 생체 내부에 많은 기름을 지니는 해조류 algae를 지놈 편집 기술을 사용하여 보다 많은 기름을 생산하도록 하는 연구가 진행되고 있다. 그리고 algae의 생체 내부에는 기름 이외에 전분이 포함되어 있는데, 지놈 편집에 의해 전분을 생성하는 유전자를 기능하지 않도록 함으로서 종래보다 기름의 양을 1.5배 증가시키는 것에 성공하였다. algae를 건조시킨 후 기름을 추출하는 것이 가능하므로 자동차의 연료로서도 사용 가능한데, 상기한 방법으로 지놈 편집된 algae로부터 대량으로 기름을 생산 가능하다면 바이오 연료용으로서의 이용가치가 비약적으로 증가할 것이라 사료된다.

2.2.2 질병치료 등의 의약분야

1) 에이즈

 에이즈를 유발하는 바이러스는 세포의 표면에 존재하는 CCR5라 불리는 ‘창문’을 통하여 체내에 침투하여 증식된다. 이때 지놈 편집을 통하여 CCR5 발현 유전자를 절단하면 에이즈바이러스는 세포 내에 들어갈 수 없으므로 바이러스의 증식을 막을 수 있다. 실제로 CCR5 발현 유전자를 절단하여 에이즈환자를 치료하였고 완치되었다고 보고된 바 있다.

2) 근위축

 인체에는 근육을 증가시키는 유전자가 있는가 하면, 더 이상 늘어나지 않게 억제하는 유전자도 있다. 근력이 점점 퇴보되는 근위축환자의 iPS 세포를 작성하여 지놈 편집으로 유전성 난치병을 치료하고 그 후 정상적인 근육 세포로 성장시키는 실험에 성공하고 있다. 지놈 편집으로 근육의 성장을 억제하는 부위를 잘라내어 근육이 계속 성장되게 할 수 있는 것이다. 영화 속 슈퍼맨을 ‘만들 수’ 있는 것이다.

3) 백혈병

 백혈병은 혈액을 만드는 골수세포가 암화(化)되어 혈액이 정상적으로 만들어지지 않는 병이다. 골수세포가 암화되면, 암세포를 공격하는 면역세포의 진행 정도가 저하되므로 암세포가 증식한다. 이 면역세포에 지놈 편집에 의해 특정 유전자를 부가하여 면역세포의 진행을 활발하게 함으로서 암세포의 증식을 억제하는 효과가 있음이 밝혀졌다.

4) 혈우병

 피가 응고되지 않는 유전병의 하나인 혈우병은, 혈액을 응고시키는 factor VIII유전자가 제대로 위치하지 않고 뒤집어져 있기 때문에 발생한다. 지놈 편집으로 유전자를 절단한 후 서열을 제대로 뒤집어서 집어넣을 수 있으므로 원상태로 복귀시킬 수 있다. 한국의 툴젠에서 CRISPR-Cas9 기술을 활용해 혈우병의 치료 가능성을 선보인바 있고, 2017년에 미국의 상가모 테라퓨틱스에서 임상실험을 진행 중에 있다. 참고로 상가모테라퓨틱스는 제1세대 지놈 편집 기술인 ZFN을 이용하고 임상실험에까지 응용범위를 넓히는 대표적인 기업이며, 2017년 세계최초로 인체 내 ZFN지놈편집을 행하여 헌터증후군 임상치료를 행하였다.

2.3 위험성 및 생명윤리

 이처럼 지놈 편집은 유전병 등의 질병을 갖는 환자를 대상으로 하는 치료를 포함하여 무한한 가능성을 제공한다. 하지만 과연 지놈 편집으로 이러한 치료를 행하여도 되는가? 지놈 편집을 이용하여 체세포를 타겟으로 한 유전자치료를 행하는 것은 비교적 큰 논리적 문제가 되지 않고 있다. 논의가 되는 것은, 인간의 수정란에 지놈 편집 이용한 유전자치료가 이론적으로 가능하게 되었기 때문이다.

2.3.1 불가역적 변이[3]

인체설계도라 할 수 있는 DNA의 유전정보는 mRNA에 의해 읽혀져서, 그것을 바탕으로 신체의 내부에서 다양한 기능을 하는 단백질이 만들어진다. 많은 질병의 원인은 DNA→mRNA→단백질 단계의 어딘가에서 생기는 불완전한 기능 및 양의 과부족으로 설명할 수 있다. 질병을 치료하기 위해 약을 투여하여 mRNA및 단백질의 양을 조절한다고 해보자. 일시적으로는 효과가 나타나지만 약의 투여를 지속하지 않으면 원래의 상태로 돌아가버린다. 반면에, DNA, 즉 설계도 그 자체를 처음부터 아예 변화시키면 세포가 살아있는 동안에 그 효과는 계속된다. DNA에 변이를 가한 세포가 분열을 하여 늘어나는 세포라면 같은 변이를 지닌 세포가 점점 증식해나가는 것이다. DNA를 유전자 치료에 의해 바꾼다면 한번에 근본적으로 치료가 될 수 있다. 그러나 이를 반대로 생각하면, 한번 바꿔버리면 원래대로 되돌릴 수가 없다. 원하는 효과가 얻어져도 얻어지지 않아도 그 효과는 일생 동안 계속되는 것이다. 지놈 편집을 통해 목적하지 않은 부분이 잘릴 수 있고, 이는 질병을 치료한 후에도 심각한 부작용으로 나타날 수 있다. 따라서 정확성을 ‘100% 까지’ 높일 수 있는 기술 개발이 필요하다.

2.3.2 수정란 지놈편집

 만능세포라고 불리는 인공다능성줄기세포(iPS 세포) 및 배아줄기세포(ES세포)는 세포의 수를 증가시켜 인위적으로 다양한 종류의 세포로 변화해 나가는 것이 가능하지만, 태반세포가 될 수 없기 때문에 완전한 개체가 될 수는 없다. 반면에 인간의 수정란은 여성의 체내에서 자립적으로 완전한 하나의 개체(아이)가 된다. 단 하나의 수정란이 분열에 의해 수를 증가시키고 다양한 기능을 가진 세포로 분화하여 수십조 개의 세포로부터 형성되는 생명체를 구성한다.

만약 수정란 상에서 지놈 편집이 행해졌을 경우, 부가된 변이는 인체내의 모든 세포에 도달한다. 그것은 최종적으로 난자 및 정자가 되는 세포도 예외는 아니다. 다시 말하면, 인위적인 지놈 편집에 의한 변이가 본인의 일생뿐만 아니라 후세대에까지 전해지는 것이 된다. 그리고 지놈 편집 기술은 최근에 행해지고 있기 때문에 몇 세대가 경과한 후에 나타날 지놈 편집의 영향은 아직까지 아무도 알지 못한다.

2.4 각국의 견해 [4]

전세계에서 지놈편집에 관한 연구가 빠른 속도로 행해지고 있다. 하지만 ‘어디까지 괜찮은가’라고 하는 지놈편집에 대한 세계적으로 공통적인 가이드라인은 확립되어있지 않다.

인간지놈 해석이 본격화 된 1990년대, 기술의 진보에 따른 지놈 변형에 관한 논의도 활발히 행해졌다. 당시 발표된 세 개의 조약을 정리하면 다음과 같다.

1) 유럽평의회인권(Council of Europe) 생물의학조약(1997) 제13조

 인간지놈을 변형하는 것은, 예방, 진단, 치료목적에만 한정됨과 동시에 자손의 지놈에 변형을 일으키지 않는 경우에만 실행할 수 있다.

2) 유네스코 인간지놈과 인권 선언(1997) 제1조

 인간지놈은 인류사회의 모든 구성원의 근원적인 단일성 및 앞으로의 구성원 고유의 존엄 및 다양성의 인식의 기초가 된다. 상징적인 의미로서 인간지놈은 인류의 유산이다.

3) 유네스코 인간지놈과 인권 선언(1997) 제11조

 인간복제물의 작성과 같은 인간의 존엄에 위배되는 행위는 허가될 수 없다.

즉, 유전정보는 부모로부터 자손에게 대대로 전해지는 인류의 유산이며, 살아가는데 있어서 유리한 유전자도, 유리하지 않은 유전자도 전부 소중히 해야 한다. 인간의 지놈은 인류의 존엄성의 총체로서 귀중하게 다뤄야 한다라는 견해를 알 수 있다. 수정란상의 지놈 편집은, 장래에 난자/정자가 되는 세포의 유전자도 변형시키기 때문에 상기 조항에 위반될 가능성이 있다.

현재 전세계의 각 국가는 인간수정란에의 지놈 편집에 대해 어떠한 대응을 취하고 있는가. 앞으로 더욱 높아질 기술의 진보에 부응하여 각국의 대응이 변할 가능성도 있지만, 현재는 전세계의 생각이 통일되지 않고 있다.

필자가 알고 있는 한, 멕시코와 중국에는 규제 자체가 없다. 캐나다, 독일, 프랑스는 법률로 명확히 금지하고 있다. 미국, 영국, 일본은 어느 정도의 규제는 있지만 명확히 금지하고 있지는 않다. 미국은 공적인 연구비로 사용한 시술은 금하고 있지만 그 외의 연구비를 사용하는 연구에 관한 규제는 없다. 영국은, 생식보조의료전반 및 수정란을 사용한 연구에 관한 법률에 따라 국가의 승인을 받아야 할 필요가 있으나, 지놈 편집 그 자체는 금지되어있지 않다. 일본에서는 지놈 편집에 관한 법규제는 없지만, ‘현시점에서는’ 수정란의 유전자 변형을 허용하지 않는 방침을 취하고 있다. 한국에서는 인간수정란의 유전자를 변형하는 연구는 불법이다.

2015년 4월, 중국의 한 연구팀이 인간 수정란의 지놈 편집을 행하였다고 발표하여 전세계에 큰 파문을 일으켰다. 같은 해 12월에 미국, 영국, 중국의 과학기관이 중심이 되어 인간 지놈 편집에 대해 의론하는 국제서미트가 개최되었다. 국제서미트에서는 현재의 문제점을 기술안전면, 논리적인 문제로 나누어 다음과 같이 설명함과 동시에 생식세포계열의 지놈 편집을 임상 이용하는 것은 무책임하다는 성명을 발표하였다.

1) 기술 및 안전상의 문제: 부정확하고 불완전한 편집이 일어날 가능성이 있고 기술적인 제어가 충분하지 않다. 동세대와 후세대에 걸쳐 일어날 영향이 예측 불가능하다. 등.

2) 논리상의 문제: 후세대에 영향을 남길 변형을 현 세대에서 행하는 것이 과연 타당한가. 지놈 편집 기술이 부유층이 원하는 대로 이용될 경우가 많으며 이에 따른 격차문제가 심각해질 수 있다. 등.

현재의 기술수준과 그 기술을 어떻게 다루는가에 대한 사회전체의 의견이 확실시되지 않은 상태에서, 수정란의 단계에서 이미 지놈이 편집이 된 아이가 태어나게 되는 연구는 하지 말자고 말하고 있는 것이다.

재생의료 및 불임 치료 클리닉이 폭주하여 지놈 편집이라고 칭하는 사기꾼이 진료를 행하는 것도 진지하게 생각되어야 할 문제이다.

3. 결론

 지놈 편집은 획기적인 기술의 진보임에 틀림이 없고, 의료사회 전반에 걸쳐 광범위하게 긍정적인 영향을 미칠 것이 분명하다. 하지만 인간 수정란의 지놈 편집은 태어나는 생명을 인위적으로 디자인하는 가능성으로 이어질 수 있기 때문에 다양한 분야의 사람들이 모여 수 차례에 걸친 의논을 거듭하는 것이 필요할 것이다.

4. 참고문헌

==> PDF 참조

Citation 복사
정희진(2018). Genome editing 기술에 관한 pros and cons. BRIC View 2018-T11. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2932 (Mar 20, 2018)

...................(계속)

출처:생물학연구정보센터(BRIC)   (바로가기)