생물복제

생물 복제 또는 생명 복제란 체세포 핵이식 또는 수정란 분할 등의 방법으로 유전 정보가 같은 생명체를 복제하는 것이다.생명 복제는 1996년 말 영국의 월머트 박사가 체세포 복제술을 이용해 양 '돌리'를 탄생시킨 이후 국내에서도 1999년 2월 세계 5번째로 서울대 황우석교수가 젖소 복제에 성공하였다

 

1. 생식세포 핵이식법

난자와 정자의 수정란이란 생식세포의 결정체가 되고 이어 난분할이 진행된다. 이 수정란을 16세포기 또는 32세포기 등의 단계에서 체외로 채취하여(채란) 단백질 분해효소인 pronase를 이용하여 외막인 투명대를 제거하고 각할구의 결합을 이완시키면 동일한 유전정보를 지닌 16개 또는 32개의 핵을 분리할 수 있다(공핵, Donor nuclei).

도축된 소의 난소 또는 생존우의 난소로부터 직접 채취한 난자에서 핵을 빼어내고(탈핵), 세포활성화 과정을 거쳐 metraphaseⅡ 단계의 수핵난자를 준비한다. 수핵난자에 미리 준비된 S 또는 G2 단계의 할구핵을 넣어주면 핵이식 수정란이 되는 것이다.

그후 이 핵이식 수정란에 전기자극 등의 처리에 의해 세포융합이라는 과정을 거쳐 인큐베이터에서 7-8일간 배양하면 16∼32세포기의 수정란이 16개 또는 32개가 만들어진다. 이것을 핵이식 복제수정란이라하며 이런 과정을 반복하면 이론적으로는 하나의 수정란으로부터 수백, 수천개의 복제수정란을 만들어 낼 수 있는 셈이다. 이런 복제 수정란을 수란축의 생식기에 이식하여 외모나 유전형질이 같은 복제동물을 생산하는 것이다.

쌍자생산 기술은 효율성이 적기 때문에 실용성이 낮은 반면에 핵이식 기술은 산업화의 가능성이 매우 높은 기술이다. 즉, 체외배양기술의 개선으 로 핵이식된 수정란의 체외 발달율을 높이게 된다면 고능력 가축의 조기증식을 위해 유용하게 이용될 수 있다. 이를 위하여 세포수준의 핵이식과 핵이식된 수정란의 질적 향상을 위한 연구가 필요하다.

핵이식 기술은 1952년 개구리에서 최초로 행해졌다. 이후 초기 발생을 연구하는데 많이 활용되었다. 이 연구를 통하여 수정 후 초기 세포분열에 의해 새성된 세포는 전능성, 즉 완전한 동물을 형성할 수 있는 모등 세포 형태로 발생할 수 있다는 것을 알았다. 배가 계속 발달하게 되면 세포는 이러한 성질을 잃어 버리고 핵이식의 성공률은 급격히 떨어진다. 몇몇 핵이식 실험에서 성숙한 개구리의 세포를 사용하여 살아있는 배를 얻기도 하였지만 이들은 올챙이 단계를 지나 더 이상 발달하지는 못하였다.

 

2. ES 세포 이식법

포유동물의 핵이식기술은 더 어렵다. 1977년 생쥐에서 초기 배 (embryo) 상태에서 핵을 이용한 복제 기술이 처음 보고되었으나 이 연구는 재현성이 없었고 발생 생물학자 사이에서만의 관심거리였다. 소에서의 핵이식에 대한 연구는 우량의 배를 다량으로 만들 수 있다는 잠재적인 상업적 이익 때문에 계속되어왔다. 인공 수정을 함으로서 개개의 황소는 수천마리의 자손을 가질 수 있지만 암소는 일생동안 5마리 내지 6마리의 송아지 밖에 낳지 못한다. 다량으로 배란한 배를 이식하는 기술 (Multiple ovulation embryo transfer-MOET)과 배 분할 (embryo splitting)에 의한 cloning은 이러한 불균형을 부분적으로 제거하기 위해 사용되었으나, 이 기술들은 더 발전할 수 없는 근본적인 한계를 가지고 있었다. 대조적으로 핵이식은, 적어도 이론적으로는 무수한 수의 동일한 동물을 만들어 낼 수 있는 가능성이 있다.

1980년대 중반까지 세계의 몇몇 연구 그룹들은 초기 배로부터 직접 핵을 이식해서 cloned 양과 소를 만들어 왔다. 1985년 미국의 Steen Wilesden은 배로부터 핵을 이식함으로서 64-128 단계까지 분열한 살아있는 송아지를 만들었는데, 이 결과는 포유동물에서의 핵이식이 적어도 부분적으로 분화한 세포들에서부터 가능하다는 것을 처음으로 제시하였다.

1980년대 초기에 Animal Breeding Research Organisation은 우유에서 사람의 단백질을 분비하는 transgenic 양과 소를 만드려는 프로그램을 시작했다. Beta-lactoglobulin promoter를 사용해서 John Clark와 그의 동료들은 transgene을 유선으로 직접적으로 발현시킬 수 있었다. 이 성공은 1987년 PPL Therapeutics의 설립되고, 우유에 35g의 사람 단백질, alpha-1-antitypsin,을 분비한 transgenic 양인 Tracy를 만들어 냈다. 같은 기간 동안 다른 그룹들은 다른 transgenic 가축을 개발해왔다. 예로서 환자에게 이식할 장기를 제공하는 유전적으로 변형된 돼지를 들 수 있다.

이때까지는 형질전환동물을 pronuclear injection 과정으로만 만들 수 있었다. 이 과정은 금방 수정된 수정란에 transgene의 200-300 복사본을 주입한 다음 대리모에 착상한다. 이 과정은 비효율적이다. 약 2-3%만이 형질전환동물로 태어나고 이중 일부만이 상업적인 가치가 충분할 정도로 유전자가 발현된다. 또한 이 방법은 특정 유전자를 첨가해 주는 것만 가능하다.

만약 세포로부터 동물을 만들어낼 수 있다면 이는 특정 유전자의 제거나 치환 등을 포함한 좀 더 특이적인 유전적 변형을 가할 수 있는 길을 열어준다. 이러한 유전 조작은 생쥐의 경우 ES 세포를 이용하여 벌써부터 이루어져 왔다.

 

2-3. 체세포 핵이식법

그러나 소, 양, 돼지 등의 가축에서는 아직 ES 세포를 얻지 못하고 있다. 이러한 상황에서 Willesden의 성공은 윌머트 박사로 하여금 핵이식기술을 고려하게끔 하였다.

 

2-4. 핵이식 기술의 장점

유전적으로 변형된 동물의 생산은 pronuclear injection이 가지지 않는 여러 가지 실용적인 이익들이 있다. 먼저 같은 세포 계통으로부터 유전적으로 동일한 (Cloned) 여러마리의 동물 (same sex)을 만들 수 있다. Transgenic 동물의 성별을 구분시킬 수 있어서 유전자 발현을 촉진시킬 수 있는 과정을 빠르게 할 수 있다. (trnasgenic 양인 우유에서 상업적으로 유용한 양의 사람의 단백질의 생산). 여러마리의 동일한 동물을 만들어내는 것은 임상적인 실험을 하기에 충분할 정도로 동물이 많아지는데 필요한 시간을 단축시킨다.

양의 경우 microinjection에서 우유가 생산될 때까지 암컷의 경우 3.5년이 수컷의 경우 2.5년이 소요된다. 핵이식 방법으로 이 시간이 1.5년으로 단축될 수 잇다. 이런 시간의 절약은 암소의 경우 더욱 커지게된다.

핵이식에 의해서 생산된 transgenic founder 동물은 pronuclear injection에 의해서 만들어진 실험동물의 반수 이하로 사용된다.