우리 학교 의과학대학원 주영석 교수 공동연구팀은 전체 유전체 해독(whole-genome sequencing) 기술을 이용해 인간 발생과정을 규명하는 데 성공했다고 지난 8월 26일 밝혔다. 연구팀은 배아 파괴 없이 유전체 서열을 바탕으로, 인간의 발생 과정을 추적할 수 있는 길을 열었다. 해당 연구는 향후 발생과정의 이상으로 발병하는 희귀난치병을 이해하는데 이바지할 것으로 기대된다.

인간 발생 연구와 기존 연구의 한계

    인간의 발생은 하나의 수정란이 지속적인 세포 분열을 거쳐 40조 개의 세포로 이루어진 한 개체를 이루는 과정이다. 그러나, 인간의 발생 과정을 긴밀하게 연구하는 것은 기술적으로 매우 어렵다. 직접적인 발생 연구는 대부분 배아의 파괴를 동반하는데, 인간이 될 가능성을 지닌 배아를 파괴하는 연구는 윤리적으로 용납되지 않는다. 따라서 예쁜꼬마선충과 같은 동물 모델에서는 하나의 세포가 성체를 이루는 발달과정이 완전하게 규명되어 있지만, 인간의 경우에는 아직 한계가 있었다.

연구팀의 아이디어는

    이를 극복하고자 공동연구팀이 착안한 방식은 돌연변이를 이용하는 방법이다. 세포 분열을 하는 과정에서 돌연변이는 무작위적으로 발생한다. 즉, 수정란이 2개의 세포로 분열된 2세포기 배아의 두 세포는 DNA 서열이 약간이나마 달라진다. 자손이 부모의 특성을 물려받는 것처럼, 각각의 자손 세포들 또한 부모 세포의 이러한 돌연변이를 전달받게 된다.

    연구팀이 주목한 점은 자손 세포들의 DNA를 분석함으로써 어떤 초기 세포의 자손인지를 규명할 수 있다는 것이다. 주 교수는 이에 대해 “돌연변이를 세포의 바코드로 삼아서 인체를 이루는 40조 개의 세포들이 어떤 초기 세포로부터 발생하였는지 재구성할 수 있다”고 표현했다.

    해당 연구의 아이디어는 주 교수가 2014년 박사 후 연구를 하는 중에 얻었다. 인간 발생과정 중에 나타나는 돌연변이 빈도를 측정하는 연구를 수행했고, 이에 대한 결과를 지난 2017년 <네이처(Nature)>지에 출판했다. 이 선행연구를 통해 발생과정 중에 우연히 나타나는 돌연변이를 바코드로 이용할 수 있음을 입증할 수 있었다.

연구 과정 중 어려움과 극복 방식은

    연구팀은 인간 발생의 연구는 ‘응용’ 연구이기보다는 ‘기초’ 연구이기에 사람들을 설득하고 지원을 받는 과정의 어려움을 밝혔다. 또한, ‘돌연변이 기반 세포 추적’이라는 새로운 접근의 연구의 성공 여부와 단일세포마다 유전체 데이터를 생산하는데 상당히 높은 비용, 그리고 이러한 데이터를 빠르고 정확하게 분석할 수 있는 컴퓨팅 파워와 스토리지를 얻는 것도 어려움 중 하나로 꼽았다. 주 교수는 학교의 연구 중심의 우수한 환경, 뛰어난 동료 교수님들과 학생들, 그리고 지원해주신 많은 분의 도움을 통해 위의 어려움들을 극복할 수 있었다고 밝혔다.

인간 초기 배아 발생 과정

    연구팀은 비 파괴적인 방식으로 인간 배아의 발생 과정을 추적하였고. 배아 내 세포들이 발생 초기부터서로 동등하지 않다는 것을 발견했다.

    마지막으로, 주 교수는 “유전체 분석은 생명과학의 한 분야이지만, 실제로 수행하는 연구는 거의 컴퓨터 과학과 통계학에 가깝다”며 수학이나 공학에 능통한 과학자들이 이 분야에서 더 큰 혁신을 이룰 수 있음을 강조하고, 많은 학생들의 관심을 부탁했다.