인간게놈프로젝트(Human Genome Project)의 개요

  사람의 생명에 관한 비밀을 담고 있는 암호로 씌어진 방대한 양의 백과사전을 상상해 보라. 우리는 이 암호체계의 기본적인 요소를 밝혀낼 방법을 알고 있으며 이미 이 사전의 일부를 성공적으로 읽어낸 바 있다. 그렇지만 우리는 이 책의 어딘가 깊은 곳에는 도발적인 새로운 개념들, 그 중 어떤 것은 지금 우리의 능력으로는 이해할 수 없는 개념들이 들어 있을 것으로 생각하고 있다. 이 백과사전의 글자는 너무 작아서 보통의 현미경으로는 보이지도 않는다. 만일 이 책을 글자 만한 크기로 인쇄를 한다면 500권의 책이 될 것이다. 우리의 목표는 사람을 더 잘 이해하기 위해 백과사전 전체를 해독하는 것이다.

이와 같은 백과사전은 우리 생명체의 설계도인 DNA라는 유전체의 형태로 실제 존재한다. 수 년 전 까지만 해도 사람의 DNA 전체의 염기서열을 읽어내는 작업은 상상할 수조차 없는 어려운 것으로 생각되었다. 그러나 DNA를 다루는 기술의 발달과 자동화에 힘입어 현재 과학자들은 10-20년이면 충분히 사람의 염기 서열을 전부 밝힐 수 있을 것으로 예상하고 있으며, 그 의미를 해독할 것으로 고대하고 있다. 사람 유전체(genome)의 지도를 만들기 위한 국제적인 노력이 한참 진행중이다.

1) 염기서열 분석

인체 게놈을 분석하는 기본적인 기법과 기술들이 개발된 것은 1970년 대였다. 당시에는 소규모 게놈분석만이 가능하였으나, 1980년대 들어와서 일부 기술들이 자동화될 수 있는 계기가 마련되면서 대규모 게놈분석이 가능하다는 논의가 생명과학자들 사이에 오가기 시작했다. 그렇지만 1985년 인체 게놈을 완벽하게 분석하자고 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)가 제안했을 때는 그 필요성과 중요성에 대해 많은 논쟁이 있었다. 이는 15년에 걸친 연구비 30억 달러를 투자하는 초대형 사업구상이었다.

이어 학자들은 인간게놈뿐 아니라 여러 가지 면에서 연구가치가 높은 쥐, 벼, 효모, 대장균과 같은 생물체들의 게놈도 분석해야 한다고 주장했다. 인간게놈연구사업이 여러 가지 게놈 연구사업으로 확대되면서 역사이래 최대 규모의 연구 인력이 참여하는 국제적 협동연구사업이 추진되기에 이르렀다.

1990년 10월 1일을 기점으로 공식출범한 국제적 게놈연구사업의 성패는 연구 인력과 연구비 투자규모 뿐 아니라 게놈분석기술과 기법의 혁신에 달려있다. 현존하는 기술들은 너무 느리고 너무 비싸기 때문이다. 게놈분석 기술이 비용면에서 1백배, 속도면에서 1백배씩 개선되어 전체적으로 1만배 이상 개선되어야 한다는 것이 학자들의 공통된 견해다. 이런 점에서 1995년 9월말로 끝난 1차 5개년 사업계획의 주안점이 게놈분석기술과 기법의 혁신이었다.

2) 사람의 유전자 분석

이 시점에서 일부 학자들은 인체 게놈 염기서열 결정에 3-4억 달러를 투자하면 현존 기술로도 5년 내에 전부를 밝힐 수 있다고 주장하고 나서 관심을 끌고 있다. 그러나 게놈 분석 기법과 기술 혁신은 계속될 것이다. 현재도 인간게놈 뿐 아니라 수십 가지의 생물체 게놈이 분석되고 있으며, 앞으로는 한사람 한사람의 게놈을 분석할 시기가 올 것이기 때문이다.

지금은 한사람의 게놈을 완전히 분석하는 데 10~15년 걸리고 있지만 21세기에는 이를 10일 또는 10시간 정도로 단축해 병원에서 특정 환자의 유전적 특징에 대한 완벽한 진단이 가능하게 될 것이다. 지금은 피검사, 소변검사 등을 통해 여러 질환 등을 진단하고 있지만, 21세기 중반 또는 후반에는 피검사만으로 환자의 모든 유전적 요인들, 암유전자와 바이러스유전자의 존재 유무 등을 확실하게 파악할 수 있게 될 것이다.

이러한 측면에서 현재까지 개선되고 있는 게놈분석기법들에 대해 간단히 살펴보고자 한다.

신기술, 신기법들은 크게 두 종류로 구분할 수 있다. 우선 기존 기법을 그대로 사용하되 모든 동작을 로봇이 수행하게 함으로써 인건비를 줄이고 정확도를 높이면서 속도를 향상시키는 것이다. 이는 반복적인 작업으로부터 과학자를 해방시켜 보다 창의적인 연구활동에 몰두할 수 있게 하는 효과도 있다.

게놈분석의 1차적인 목표는 게놈을 구성하고 있는 DNA 염기들의 순서를 밝히는 것이다. 염기서열이 모든 유전적 생명 현상을 결정짓기 ?문이다. 즉 염기서열만 알면 궁극적으로 모든 생명현상을 이해하고 예측할 수 있다.

3) 생명의 설계도

게놈프로젝트는 30억쌍 인체 염기서열을 분석해 그것을 지도로 만드는 일이다. 이 유전자지 도가 완성되면 이제껏 우리가 신비하게만 여겨왔던 각종 생명현상을 이해하고 단계별로 설명하는 것이 가능해진다. 왜, 어떻게 질병이 생겨나고 자라나 노화와 사망을 가져오는가를 이해하게 된다. 이제껏 베일에 가려 있던 '신의 영역'인 생명의 설계도를 인간의 손에 넣는 셈이다. 단백질 합성과 세포복제를 명령하는 DNA 안의 23개 인간염색체의 염기서열 지도를 들여다보면 어느 부분이 손톱을 만들고 심장과 머리카락을 만드는 곳인지, 피부나 눈동자의 색을 결정하는 곳인지 알 수 있게 된다. DNA에 어떠한 변이가 생겨나 세포가 제구실을 못하고 결국 질병과 노화를 일으키게 되는지, 그 메커니즘을 이해하게 된다.

콜린스 박사는 '새로운 유전자검사법의 개발에 따라 20∼30년 안에 개인이 어떤 유전적 질병에 걸릴 위험이 있는지 알아내 적합한 서열의 유전자를 교체 투입하는 방법으로 병을 예방·치료할 수 있을 것으로 본다. 이러한 희망은 (서유럽계 백인의 치명적 유전병으로 여겨졌던) 낭포성 섬유종의 치료에서처럼 이미 현실화 하기 시작했다. 유전학은 지금 막 황금광시대를 지나고 있는중"이라고 말한다. 인간게놈의 약 6%, 1억 7,500만쌍의 서열 분석이 진행된 지금 6,000여개의 질병유전자가 발견되었고 그 중 500개는 지도작성이 끝나 450개 질병에 대해서는 유전자 검사가 가능하다. 유전이 주원인인 결장 암, 유방암, 헌팅턴병등은 이제 유전자 검사를 통해 발병유전자를 확인할 수 있게 되었다. 또 한 낭포성섬유증에 대해서는 최근 미국 국립보건원(National Institute of Health; NIH)이 산전검사로 추천하기에 이르렀다. 앞으로는 이처럼 유전자검사를 통해 더 많은 질병에 대해 요긴한 정보를 얻을 수 있게 된다. 유전자 검사로 자신에게 치명적일 수 있는 질병들을 피해가는 것이 가능해지고 개개인 유전자 특성에 따른 맞춤 의약품 시대가 열린다.

생명의 신비를 푸는 야심적인 인간게놈프로젝트(인간유전체 연구계획)는 세포에 있는 DNA 전체의 염기서열 30억개 모두를 밝혀내는 대역사로 6개국 연구원 1천 1백여명 참여하여 13년간 진행되고 있으며, 연구비로 2억5천만달러(약 3천억원)를 투입하여 2000년 6월에 전체 게놈의 90%를 99.9%의 정확도로 밝힌 초안이 완성된 상태에 있다. 이러한 인간게놈프로젝트가 완성되면 의학은 혁명적으로 바뀌고 생명공학(biotechnology, bioengineering)산업은 최첨단 유망산업으로 부상될 것이다. 또한 유전자를 보고 건강을 예측할 수 있으며, 유전자 조작으로 질병을 치유하고 미리 태어날 아기의 성격.체격 등을 설계할 수도 있다.

인간의 DNA는 인간자신을 나타내는 방대한 백과사전과도 같은데, DNA는 4개의 염기, 즉 A, G, C, T들의 반복된 구조로 된 약 30억개의 염기쌍들로 이루어져 있다. 세계 각국의 많은 과학자들이 참여하여 1990년부터 본격적으로 추진하고 있는 이러한 인간게놈프로젝트의 1차적인 목표는 인간게놈에 있는 약 30억개의 염기쌍의 염기서열을 결정(sequencing)하는 것이다.

인간게놈프로젝트의 수행과정에서 게놈의 염기서열을 분석하는 방법에는 두 가지가 사용되었다. 하나는 전체 DNA를 우리가 연구하기 좋은 길이로 적당히 모두 자른 다음 염색체 지도를 만들고, 해당 부분을 하나씩 분석하는 방법이고, 다른 하나는 분석하기 쉬운대로 무작위로 잘라서 모두 서열을 분석하고 컴퓨터에 분석한 서열을 모두 입력하여 잘려진 조각들의 서열을 쭉 잇는 방법이었다. 인간 게놈의 경우 DNA 의 총 길이는 약 30억 염기에 해당되며, 이들은 매우 길기 때문에 한꺼번에 이들을 분석한다는 것은 사실상 불가능하며, 따라서 분석을 위한 접근방법을 달리해야 했다. 이렇게 전체적인 분석이 어려웠던 이유는 서열을 분석하는 기기의 한계성과 DNA를 복제하는 효소의 제한성 때문이었다.

인간게놈프로젝트란 한마디로 인간의 유전체 지도(genomic map)를 만드는 것인데, 유전체 지도에는 다음의 두 종류가 있다. 첫 째로 유전자 지도(genetic map)라는 것은 어느 염색체의 어느 위치에 어떤 유전자가 있는지를 표시하는 것이다. 예를 들어 머리털이나 눈, 피부색 등을 결정하는 유전자 A, B, C가 몇 번 염색체의 어느 위치에 있는가를 알 수 있다. 즉 전체 염색체는 염색체 번호, 팔(완, arm), 영역, 밴드(band)라는 계층적인 구조로 구분되어 있다. 실제로 특정 유전자의 위치를 나타내는 경우 예를 들어 '1q23의 밴드'라고 말한다. 즉 이 유전자는 1번 염색체에 있고, 1번 염색체의 단완(p)에는 3개의 영역이 있고, 그 안에는 각각 몇 개의 밴드가 있다. 장완(q)에는 4개의 영역이 있고, 각각에도 몇 갠가의 밴드가 있다. 따라서 1q23은 1번 염색체의 장완에 있는 2번 영역의 3번 밴드라는 의미이다. 이러한 방법으로 특정 유전자의 염색체상의 위치를 나타내는 것이다.

두 번째로 물리지도(physical map)는 염색체를 제한효소(restriction enzyme)로 절단해서 얻은 몇개의 DNA조각에 유전자 A, B, C에 대응하는 탐침(probe)을 결합시킨다. 이 조작으로 유전자 A, B, C가 염색체의 어느 위치에 있는가를 유전자 지도보다 훨씬 정확하게 상세히 알 수 있다. 여기서 탐침은 이미 염기배열을 알 고 있는 DNA의 한쪽 사슬(chain)을 말한다.

다음으로 DNA 염기서열 결정(sequencing)을 통해 DNA 염기서열을 모두 읽는 것이다. 유전자 지도를 만드는 과정은 우리가 인간의 DNA를 임의로 잘라서 대장균의 DNA에 넣은 다음 (cloning) 그 대장균들에 임의로 이름을 부여하고, 어느 대장균이 인간의 어느 위치의 DNA 조작들을 가지고 있는가를 알아내는 작업이다. 이러한 작업은 우선 우리가 정확히 알고 있는 DNA 표지를 사용하여 확실한 위치의 인간 DNA를 가진 대장균을 먼저 찾고, 이를 기점으로 인접한 인간 DNA를 가진 대장균을 찾는 작업으로 이루어진다. 결국 DNA를 가진 대장균을 인간의 DNA를 가진 순서대로 쭉 나열한 것이 염색체 지도 또는 유전자 지도라 불리는 것이며, 이는 인간의 DNA를 일렬로 나열한 것과 같은 효과를 지니게 되는 것이다. 그 다음에는 인간의 DNA를 꺼내어 DNA 서열분석방법을 통하여 분석하게 된 것이고, DNA의 서열을 분석함으로써 우리가 원하는 유전자가 어느 위치에 존재하고 어떠한 형태의 단백질을 만들어내는 것인가를 알아내게 된다.

모든 DNA 염기서열이 결정되고 나면 다음으로는 이러한 염기들 중 약 10만여개에 달하는 유전자들의 위치를 확인하는 것이다. 유전자(gene)는 DNA 염기들의 그룹으로 단백질(protein)을 만들게 된다. DNA 염기들에 있는 유전자의 확인은 자음과 모음으로만 빽빽히 나열된 백과사전에서 특정한 단어를 찾는 것과 같다. 과학자들은 생물학이나 통계학 등의 관련학문과 연계하여 DNA 염기서열내에서 유전자들이 어디에서 시작되고, 어디에서 끝나는지를 확인한다. 하나의 유전자는 수천내지 수만개의 염기들로 이루어져 있으므로 현대과학으로도 그것을 모두 확인하는 것은 그다지 쉽지 않다.

유전학의 시대인 지금 동성애, 모험심, 수줍음, 불안, 암(cancer), 알츠하이머병(Alzheimer disease) 등의 원인이 되는 유전자에 관한 연구결과가 계속 쏟아져 나오고 있다. 그러나 실제로 유전자 하나에는 단백질(protein) 하나의 정보를 담고 있을 뿐이다. 염기 A, G, C, T중 3개가 모여 하나의 유전암호(genetic code)를 구성한다. 이 유전암호가 특정한 아미노산(amino acid) 하나의 정보이다. 예를 들어 TGG는 아미노산중 트립토판(tryptophane)에 해당한다. 이 아미노산이 이어진 가닥이 적당한 형태로 접히면 하나의 단백질이 된다. 음식물을 소화하는 효소(enzyme), 혈당(blood sugar)을 조절하는 인슐린(insulin), 우울한 기분을 만드는 뇌 속의 화학물질, 2차 성징(secondary sex characteristic)을 나타내게 하는 성 호르몬(sex hormones) 등이 그 예이다. 이처럼 유전자는 분자(molecule)로 쓰인 설계도라고 할 수 있다.

인간의 세포에는 약 10 만개의 유전자가 있으며, 그중 99.9%는 모든 사람이 공통적으로 가지고 있다. 염기 1천개 중 단 하나의 차이가 개인간의 차이를 나타내게 하는 것이다. 인간과 같은 고등생물에서는 한가지 기능을 수행하는 유전자가 여러 곳에 존재하는 경우가 많다. 이것을 유전자 중복성이라고 하며, 또 한가지 유전자가 여러 기능을 수행하기도 하는데 이것을 유전자 다양성이라고 한다. 만일 한가지 유전자에 이상이 생기면 그 기능을 다른 유전자들이 떠맡게 된다. 생명체는 자신을 이중, 삼중으로 보호하고 있는 것이다. 그러므로 한 질병에 관련된 유전자가 여러 가지이고, 이들의 결함여부에 따라 질병의 정도도 다양하다.

인간게놈프로젝트의 부수적인 목표는 인간게놈내에 있는 이러한 모든 정보들을 데이터베이스(database)화 하고, 더욱 신속하고 효율적인 염기서열의 결정기술(sequencing technology) 및 자료분석기술을 개발하며, 인간게놈연구에 내포된 윤리적, 법적, 사회적 문제점들을 제고하는 것 등으로 되어 있다.