제7장동물 복제

1. 서론 공상과학소설의 일반적인 주제: 인간과 동물의 복제에 관한 것 1996년 돌리 (Dolly)라는 양이 수정과정 없이 복제 배아에 의하여 탄생 동물 복제 (animal cloning)를 둘러싼 논쟁 소나 양 같은 포유동물들은 이미 복제를 하는 데 성공했음 대기업 및 다국적 생명공학 회사들은 동물 복제기술 발달을 위해서 막대한 양의 시간과 자금을 투자 그림 7.1 공상과학 소설에서는 항상 복제의 결과로 괴물이 되는 것을 보여준다.

2. 왜 우리는 복제 동물을 만들기 원하는가? 복제는 자연 속에서 실제로 발생하고 있다. 자연적으로 태어난 모든 일란성 쌍둥이는 같은 유전적 구성을 가지고 있기 때문에 복제물이다. 복제 동물에 관심을 갖는 이유 유전적 우월성 동물과 생산물의 동일성 멸종위기종의 보존 실험동물로서의 가치 <일란성쌍둥이 v.s 이란성 쌍둥이> 그림 7.2 자연적으로 태어난 모든 일란성 쌍둥이는 실제로 복제물이다.

<유성생식> <복제> 수컷 암컷 수컷 암컷 새로운 개체

>>> 유전적 우월성 한 개체가 가지고 있는 유전적 우수성을 이용할 수 있다. 우수한 동물의 몸에서 나온 각각의 세포들을 이용하여 같은 유전자를 가진 새로운 동물로 무한정 생산할 수 있다. 세포들이 품종 개량을 위해서 선택될 수 있고, 실험실에서 배아로 키워질 수 있으며, 대리모로 이식될 수 있다면 유전적 개량은 더 빠르게 일어날 수 있다. 이론적으로 유전적 조작과정을 통해서 유용한 유전자만을 가진 슈퍼클론은 가장 이상적인 경제동물로 개발될 수 있다. 탄생되어진 동물은 복제과정의 반복을 통하여 무한정 번식할 수 있다. 그림 7.3 DNA를 동물 세포에 주입하는 것은 매우 복잡하면서도 많은 시간이 소비되는 과정이다.

>>> 동물과 생산물의 동일성 만약 동물이 유전적으로 모두 동일하다면 사양환경, 건강관리, 사료를 포함한 동물관리 기술들이 무리 내의 모든 동물에 맞추어져 균일하게 이루어질 수 있음 복제된 동물이 생산하는 생산물 역시 더욱 일정한 규격을 유지할 수 있다. 복제된 닭 전체가 같은 관리 방침을 가지고 동일한 환경에서 사육될 수 있다면 결과적으로 생산된 닭의 도체는 동일한 규격을 가질 수 있을 것이다. 소비자가 선호하는 생산물 생산과정을 더 효율적으로 만들 수 있으며 궁극적으로 생산물의 질을 높이고 가격을 낮춤으로써 소비자에게 이익을 줄 수 있다. 그림 7.4 복제된 닭의 닭다리는 크기 면에서는 더 균일하다.

>>> 멸종위기종 복제기술이 멸종의 위험을 가진 동물 종을 구제하는 해결책이 될 것이라고 생각한다. 과학자들은 보존된 DNA의 복제를 통해서 오래 전에 멸종된 동물종의 복원을 꿈꾸어 왔다. 맘모스와 같은 동물의 냉동잔해가 북극 지방에서 발견되고 있기 때문에 이를 이용한 동물복제 시도가 이루어지고 있다. 동물의 배아를 인위적으로 생산하여 코끼리를 대리모로 이용해서 복제할 수 있다. 복제과정에 이용될 만한 손상받지 않고 완전한 DNA가 발견되지 않았기 때문에 성공을 거두지 못함 그림 7.5 수년간 과학자들은 얼은 DNA를 이용해서 울리 맘모스를 복원하는 것을 꿈꿔왔다.

멸종위기종 (endangered species)의 복제 성공사례 2000년에 멸종위기종이 성공적으로 복제 아시안 가우어는 인도와 미얀마가 원산지인 소과동물이다. 과도한 사냥과 그들 서식지의 지속적 파괴는 이 동물의 개체수를 멸종위기에 빠질 정도로 급격히 감소시켰다. 핵이 제거된 소의 난자를 이용해서 죽은 가우어의 피부세포에서 얻은 DNA를 그 난자에 이식시키고 그 결과물인 복제 배아를 소의 생식기관에 이식하였다. 노아라고 이름 붙여진 복제된 가우어는 비록 생후 2개월 만에 죽었지만 이를 통하여 과학자들은 복제기술이 멸종동물의 복원에 이용 가능하다는 것을 증명하였다.

>>> 연구 복제동물의 가장 큰 이점은 실험동물로 그들을 이용할 수 있다는 점일 것이다. 유전적으로 동일한 동물이 복제기술에 의해서 생산된다면 연구를 위하여 필요한 동물의 숫자가 감소될 뿐만 아니라 더욱 의미 있는 실험 결과를 얻을 수 있게 될 것이다. 실험집단 동물들 사이에서 유전적 특성의 차이로부터 비롯되는 차이가 제거될 수 있을 것이다. 그림 7.6 동물 연구의 진행중 부딪히는 한 가지 문제는 동물 사이의 유전적 차이이다.

3. 동물 복제의 과정 모든 세포가 동물 개체를 위한 유전자 암호를 담고 있다는 사실을 알고 있음 난자라고 불리는 생식세포가 또 다른 생식세포인 정자와 수정될 때 완전한 유전적 암호를 가지게 되며 이것을 수정란이 보유하게 된다. 그림 7.7 난자가 수정되었을 때 비로소 완전한 유전적 암호를 가지고 있는 수정란이 된다.

<유성생식> <복제> 수컷 암컷 수컷 암컷 새로운 개체

수정란은 동일한 세포로 분열을 시작하고 세포분열의 과정은 상실배라고 불리는 공 모양의 세포집단이 형성될 때가지 3~12일 동안 지속적으로 일어난다. 이 같은 시점의 세포들은 성질이 균일하며 배반포기를 거친 후 뼈, 근육, 피부 등으로 나누어져서 자라게 될 서로 다른 형태의 세포들로 변화해서 발달한다. 이를 분화라고 하며 분화가 시작되기 직전의 세포를 줄기세포라고 부르며 주로 배반포기 배아로부터 확립한다.

>>> 개구리 복제 분화된 세포에서 유래한 복제 동물은 옥스퍼드대학교의 존 고든이 1962년에 핵이식 (nuclear transfer) 기술을 개발했을 때 처음으로 현실이 되었다. 성체 개구리의 소장세포에서 DNA를 꺼내어 그것을 복제 개구리로 탄생시키는데 이용하였다. 개구리 난자 핵을 제거: 제핵난자 (핵이 제거된 난자)를 만듦

다른 개구리의 장세포를 제핵난자로 이식하였다. 핵이식이라는 이 과정을 통해서 고든은 새로운 핵들을 가진 많은 세포를 창조해냈다. 비록 대부분의 세포들은 죽었지만 핵이식된 세포의 몇몇은 수정된 난자와 거의 비슷하게 발생하기 시작했다. 이 같은 세포들은 분열하기 시작하였고 후에 상실배를 형성하였다. 이 후 세포는 분화하기 시작하였고 올챙이로 발달하였다. 그림 7.8 복제된 난자는 개구리의 소장세포에서 온 핵을 핵이 제거된 난자에 이식함으로써 만들어졌다.

고든은 체세포 핵이식에 의하여 세포분화가 역으로 진행될 수 있음을 처음으로 증명하였다. 그러나 역분화에 의하여 생성시킨 올챙이가 정상으로 보였으나 개구리로 전혀 발달하지 못하였다. 명확하게 이유가 밝혀지지 않았다. 다른 과학자들은 돼지나 소 같은 포유동물을 복제하는 것에 관심을 가졌다. 1980년대 말에 양, 소, 토끼를 성공적으로 복제하였다. 이 같은 복제 동물은 수정란을 나누는 것에 의해서 성취된 것이었고 성체 세포의 DNA 핵이식을 통한 결과는 아니었다. 그림 7.9 핵이식으로 복제된 배아.

>>> 포유동물의 복제 수년간 과학자들은 몇몇의 세포들이 다른 세포보다 더 빠르게 분열한다는 것을 알게 되었다. 즉 피부, 머리카락, 내장기관을 구성하는 세포들이 다른 세포들보다 더 빠르게 그들의 분열주기를 진행시킨다는 것이다. 피부처럼 환경에 노출된 부위에서 세포가 상처를 입거나 점점 없어질 때 회복되어야 하는 것이 그 이유이다. 세포들이 불활성화 주기로 들어간 상태를 생장중지기 (quiescent)라고 부른다. 이 기간 동안 세포는 분열하지 않으며 세포가 필요해지면 아직 알려지지 않은 몇몇의 작용에 의해서 다시 분열하게 된다. <cell cycle>

1990년 스코틀랜드 로슬린 연구소의 과학자들은 포유동물을 복제하기 위한 방법으로 생장정지세포를 가지고 실험하였다. 임산한 흰 얼굴 양의 젖샘에서 빠르게 분열하는 세포를 얻어내서 실험실에서 키우기 시작했다. 그들은 그 세포들의 성장을 멈추기 위해서 영양분을 극도로 제한한 환경에서 세포를 키웠다. 검은 얼굴을 가진 암양의 난자에서 핵을 제거하고 흰 얼굴을 가진 양의 젖샘세포 (DNA)를 제핵난자에 넣어주었다. 전류를 흘려 외래 DNA가 제핵난자의 세포막에 결합할 수 있도록 해주었다. 그림 7.10 전류의 흐름을 이용해서 외래의 DNA가 제핵난자의 세포막과 결합해서 안으로 들어가게 된다.

얼굴 색이 검은 대리모로부터 태어난 그 양의 얼굴 색은 흰색이었기 때문에 과학자들은 복제과정을 통해 태어났다는 것을 확신했다. 새로운 세포 (복제배아)가 분열을 시작할 수 있도록 영양분이 추가되었으며, 분열하는 배아는 검은 얼굴을 가진 양의 생식기관에 이식하였다. 과학자들은 277개의 새로운 배아를 이 과정 (체세포 핵이식)으로부터 만들어냈고 암양에게 이식하기에 충분한 생존력을 가진 29개 만을 회수하였다. 13마리의 암양에게 한 개 또는 두 개의 배아들을 이식하였고 13개 중에서 단지 한 개 만이 전 기간 동안 자라서 정상적으로 건강한 어린 양으로 탄생하였다. 얼굴 색이 검은 대리모로부터 태어난 그 양의 얼굴 색은 흰색이었기 때문에 과학자들은 복제과정을 통해 태어났다는 것을 확신했다. Dolly Rebecca Parton

DNA 지문법에 의해서 돌리라고 불리는 복제 양의 DNA가 젓샘으로부터 얻어진 조직의 세포와 같다는 것이 밝혀졌다. 돌리가 보통 양들보다 빠르게 늙는다는 생각: 돌리는 일찍 죽었지만 더 자세한 조사를 통해 돌리의 관절에 생긴 관절염은 그 나이대의 일반 양에게서도 보통 발생될 수 있는 것으로 판명

>>> 유전변형 클론 후에 로슬린 연구소는 몰리 (Molly)와 폴리 (Polly)라고 하는 유전적으로 변형된 두 마리의 양을 생산하였다. 이 동물들에는 상처가 난 후 혈액의 응고를 도와주는 단백질 생산을 책임지는 인간 유전자가 도입되었다. 그 단백질은 혈우병으로 고통받는 환자들을 치료하는 데 약학적으로 많은 유용성이 있을 것이다. 유전적으로 변형된 동물이 많이 생산되면 기존 방법보다 훨씬 낮은 가격에 치료 물질을 상업적으로 생산할 수 있다.

유전적으로 변형된 (genetically altered) 복제 송아지는 1998년에 처음 생산되었다. 조지 (George)와 찰리 (Charlie): 스티븐 스타이스 박사와 제임스 노블 박사에 의해 유전적 표지인자와 항생제 저항성 유전자를 보유한 세포를 홀스타인 제핵난자에 이식하여 송아지를 탄생시켰다. 스타이스 박사는 인간 혈청 알부민을 가진 우유를 생산할 수 있는 유전자를 갖고 있는 복제 송아지를 만들기 위해 노력 그림 7.11 조지와 찰리는 처음으로 유전적으로 변형된 복제 송아지이다.

매년 440톤 가량의 인간 알부민이 병원에서 환자를 치료하는데 사용되고 있다. 만약 이 방법이 상업적으로 이용 가능하다면 보다 저렴하게 대량으로 환자에게 공급될 수 있어 의료기관에 큰 도움이 될 수 있을 것이다. 2002년 스타이스 박사는 죽은 지 48시간이 지난 소에서 채취한 세포로 복제 송아지를 만듦 그 세포는 도살된 사체의 신장에서 채취한 것 이 기술은 우수한 유전자를 가진 동물에서 도살 후 세포를 채취하여 동일한 유전자 특성을 가진 동물을 생산하는 것을 가능하도록 해준다. 그림 7.12 매년 병원에서는 수백 톤의 인간 알부민을 사용하고 있다.

4. 실험 방법의 완성 다양한 실험을 통하여 포유동물이 완전하게 인공적으로 복제될 수 있다는 것이 증명되었다. 앞으로의 과제는 그 과정을 더욱 쉽고 효율적으로 만드는 것이다. 돌리가 복제되었을 때, 277개의 복제된 배아 중 단 하나의 배아만 새끼로 발생 이러한 성공률은 실용적으로 쓰이기에는 너무 비효율적이다. 스타이스 박사는 2001년 한 마리의 소에서 8마리의 송아지를 복제해 냄으로써 획기적인 성과를 거두었다. 도살장에서 얻은 소의 난소에서 채취한 난자를 사용 그림 7.13 이 8마리의 송아지들은 모두 같은 성우로부터 복제되었다. 그림 7.14 소의 난소에서 채취한 난자.

5. 복제 동물들 간의 차이 복제 과정에서의 흥미로운 현상은 복제 생물들 사이에 눈에 보이는 차이가 존재한다는 것이다. 송아지들 사이의 몸집 및 피모반점의 차이가 난다. 동물의 유전형은 실제적인 유전적 성질이고 표현형은 유전자의 발현 방법 혹은 동물의 실제적인 외모 환경적인 요소가 동물의 표현형에 큰 영향을 미칠 수 있다. 모든 송아지는 다른 대리모에서 태어났다. 태아의 영양과 태반의 상태, 열 흡수의 차이 등이 각각 송아지의 색깔 패턴에 영향을 미칠 수 있다. 그림 7.15 복제 송아지들도 무늬가 다를 수 있다.