서울대학교 수의과학대학 발생유전학교실Lab. of Developmental Biology and Genomics

Laboratory Mouse를 이용한 연구는 1902년 프랑스 생물학자 퀴에노(Lucien Cuenot)가 포유동물에게 멘델의 유전학이 적용되는 것을 증명하면서 시작되었다. 이후 클라렌스 쿡 리틀(Clarence Cook Little)이 근친교배 마우스인 DBA(Dilute Brown Non-Agouti)로 암의 유전적 연구를 진행하면서 실험동물로서 널리 이용되고 있다.

Laboratory Mouse는 해부학, 생리학, 유전학적으로 인간과 많은 유사성이 있다. 특히 마우스 Genome의 95%이상이 인간과 유사하여 암, 당뇨병, 노화, 동맥경화증, 면역질환, 자가면역질환, 신경장애 등 수많은 인간 질병의 연구 모델로 각광받고 있다.

Laboratory Mouse는 다른 실험동물에 비해 크기가 작아 사육이 쉽고 유지비용이 적게 든다는 장점이 있다. 또한 마우스의 Genome을 조작할 수 있는 기술(링크: 2.GEM)로 인해 원인 유전자가 알려져 있는 특정 질병의 연구에 매우 용이하다.

유전자변형마우스(GEM:Genetically-Engineered Mouse)는 첨단생명공학기술인 유전자조작기술을 이용하여 특정 유전자를 변형 혹은 제거한 마우스로서 유전자의 기능을 확인하는 주요 도구로 활용된다. 또한 유전자 조작을 통해 사람과 유사한 상태의 질병을 나타내도록 만든 “질환모델 실험동물”로 인간질환의 의학적 연구 및 신약개발을 위해 필수적인 실험생물자원이다.

유전자 변형에는 마우스의 본래 유전자 중 특정 유전자만을 더하거나 제거하는 방법에서부터 특정 유전자의 발현정도를 인위적으로 조절하거나, 인공적으로 제작된 유전자를 추가하는 기술 등이 포함된다.

1) 유전자 과발현 마우스(Transgenic Mouse, TG) : 마우스에 특정 유전자를 삽입하여 그 유전자의 발현을 정상보다 증가시킨 마우스를 말한다.

– 일반적 유전자 과발현 마우스(Classical transgenic mouse) : 조직특이성 없이 모든 조직에서 특정 유전자를 과발현 시킨 마우스

– 조건적 유전자 과발현 마우스(Conditional transgenic mouse) : 특정 장기나 조직, 또는 특정 시기에서만 특정 유전자가 과발현 되도록 인위적인 제어가 가능한 마우스

2) 유전자 적중 마우스(Knock-out Mouse, KO) : 마우스의 전체 유전자 중 특정 유전자를 파괴 혹은 제거하여 그 유전자의 발현을 제거한 마우스를 말한다.

– 고전적 유전자 적중 마우스(Classical knockout mouse) : 조직 특이성 없이 모든 조직에서 특정 유전자가 파괴 혹은 제거된 마우스

– 조건적 유전자 적중 마우스(Conditional knockout mouse) : 특정 장기나 조직, 또는 특정 발생 시기에서만 특정 유전자가 파괴 혹은 제거 되도록 인위적인 제어가 가능한 마우스

3) 유전자 치환 마우스(Knock-in Mouse, KI) : 유전자 적중의 한 방법으로 특정 유전자를 제거하면서 동시에 그 위치에 인위적으로 조작된 다른 유전자를 삽입함으로써 본래의 유전자 대신 다른 유전자가 발현되는 마우스를 말한다.

4) Mutagenic 마우스 : 최근 대량생산을 위해서 개발된 질환 모델동물로서 먼저 유전자의 돌연변이를 무작위로 발생시켜 생산한 후, 그 돌연변이에 의하여 변형된 유전자를 나중에 찾아 연구에 이용하는 마우스를 말한다. Gene trap 및 Chemical-induced mutagenesis의 두 가지로 나눌 수 있다.

– Gene trap 마우스 : Gene trap 벡터가 유전자 내부에 삽입됨으로써 특정 유전자가 파괴 또는 발현이 제한되는 일종의 유전자 적중 마우스(특성상 Gene trap 벡터의 삽입이 무작위적이어서 유전자 적중 배아줄기세포의 대량 생산이 가능)

– Induced mutant 마우스 : Chemically-induced mutant와 radiation-induced mutant의 두 종류가 있으며 각각 화학물질 혹은 방사선을 조사한 후 표현형을 관찰함으로써 타겟 유전자를 찾게 되는 Mutant 마우스를 말함(표현형의 정도에 차이가 있는 돌연변이를 대량으로 찾을 수 있음)

표현형(Phenotype)이란 신장, 체중, 피부색부터 대사, 행동, 질병 혈중지표 등 생물로부터 관측 가능한 매개변수들을 의미하며 생물 내부의 유전자에서 기인한다. 마우스 표현형 분석(Mouse phenotyping)은 이러한 표현형 관측을 통해 해당 유전자의 기능을 밝히는 것을 목표로 한다. 다양한 GEM을 활용하여 많은 연구가 진행되고 있으며, 표현형 분석을 이용한 인간 질병연구로 확장되고 있다. 이는 표현형이 유전자에서 기초하지만, 환경, 음식, 나이 등 외적요인(environmental factors)의 영향을 받을 수 있어 이러한 외적요인을 통제할 수 있다는 점과, 유전자와 표현형에 연결시켜 유전자의 기전을 밝히는데 이점을 갖고 있어 널리 사용되고 있다.

마우스 표현형 분석은 수정란(embryo)부터 성체에 이르기까지 생존기간 동안 이루어진다. IMPC(4 링크)에서 지정한 분석 항목으로는 체중, 체성분, X-선, C.T. 촬영과 같은 형태학적(morphological) 표현형부터 혈구세포, 혈중지표(혈당, 중성지질, 콜레스테롤 등), 조직(histology), 대사율(metabolic rate)과 같은 생리학적(physiological) 표현형, 활동성, 운동능력(근력, 지구력, 순발력 등)과 같은 행동학적 표현형 까지 다양하다. 이러한 분석에는 시간적, 경제적으로 많은 비용과 연구 인력의 투입이 필요하기 때문에 최근 들어 마우스 표현형을 고속 대량 스크리닝하기 위한 국제컨소시움(4 링크)이 시작되었다.

1) 글로벌 컨소시움 동향 국제마우스표현형분석컨소시움(International Mouse Phenotyping Consortium, IMPC)(링크: http://www.mousephenotype.org/)은 GEM의 특성을 분석하여 인간 유전자의 기능을 연구하기 위해 설립되었으며, 마우스 표현형 분석을 공유하는 국제 컨소시움이다. 유전자변형마우스의 표현형 정보를 제공하고, 궁극적으로는 포유류의 유전자 기능을 확인할 수 있는 시스템 확립을 목표로 하고 있다. IMPC를 통해 마우스 표현형 데이터를 중앙 집중화 하고, 구축된 자료는 제한 없이 이용 가능하도록 무료개방 함으로써 인간 질병 연구에 마우스 모델을 이용할 수 있도록 체계를 확립하고 있다.

2) 미국 미국은 국립보건원(NIH) 주도의 KOMP(Knock-Out Mouse Project)(링크: https://www.komp.org/)와 같은 글로벌 GEM 프로젝트를 구성하여 운영하고 있으며, 암 모델동물 뱅크인 MMHCC (Mouse Models of Human Cancer Consortium)(링크: http://www.nih.gov/science/models/mouse/resources/hcc.html) 등 특정질환의 마우스를 보존, 개발, 관리하는 국가 주도 GEM 연구 개발이 활발하게 진행 중에 있다. KOMP, MMHCC에서 생산된 GEM은 MMRRC (Mutant Mouse Regional Resource Center)(링크: https://www.mmrrc.org/)를 통해 보존?운영하여 향후 표현형분석을 위한 기반을 구축하고 있다.

3) 캐나다 캐나다는 2004년 NorCOMM(North American Conditional Mouse Mutagenesis project)(링크: http://www.norcomm.org/)을 설립하여 GEM 유전자 기능 분석을 통한 신약개발과 비임상 연구를 위한 기반구축을 목표로 연구개발을 진행하고 있다. NorCOMM에서는 대규모 GEM 제작, 초고속 GEM 표현형분석, GEM의 유전자 발현 분석 등을 통하여 유전자 기능 및 네트워크 규명, GEM 보존, 유지, 생산 및 분배, GEM 정보 공유 및 데이터베이스 관리 등의 사업을 진행하고 있다.

4) EU 유럽은 마우스 실험동물 기능 유전체학 연구의 발전과 유지를 목표로 GEM 제작, 분석, 정보 공유 등의 단계적 발전 프로그램을 진행 중에 있다. 유럽의 GEM 컨소시엄은 대량 제작(EUCOMM 링크: http://www.genoway.com/)과 보존 (EMMA 링크: http://strains.emmanet.org/)의 성공적인 사업 수행의 후속 단계로 현재는 제작된 마우스의 표현형분석 기반 사업을 수행 중이다. 유럽의 GEM 표현형분석 기반 사업은 표현형분석 표준화와 표현형분석 연구실 네트워크 사업 (EuMORPHIA 링크: http://eumorphia.publicwebserver3.har.mrc.ac.uk/)이 있으며, 표현형분석 거점 센터는 EUMODIC(링크: http://www.eumodic.org/)를 통해 운영되고 있다. 사업의 결과로 확보된 표준화된 GEM은 EUMODIC(링크: http://www.eumodic.org/)의 표준형 분석 프로토콜(EMPRESS 링크: http://empress.har.mrc.ac.uk/)에 의해 분석하고 있다. 수집된 GEM은 EMMA (European Mouse Mutant Archive)를 통해 보존?운영되고 있으며, 인간의 질병을 연구하기 위하여 필수적인 포유류 모델인 GEM 보존을 목표로 하고 있다.

5) 일본 (RIKEN 링크: http://www.riken.jp/en/) 일본 이화학 연구소(RIKEN)의 주요활동으로는 마우스 자원의 수집, 청정화, 계통유지, 동결보존과 특수 마우스계통의 유지 보존, 마우스계통의 품질관리(미생물검사, 유전검사), 관련문헌 및 data의 수집과 제공, 국제기구 활동 등이 있다. 바이오리소스센터는 마우스, 애기장대 등 종자, 인간과 동물의 세포 및 유전자, DNA, 미생물 등 연구자원을 수집 자정하여 국내외 연구자에게 제공하고 있다. 일본 내 개발한 동물을 중심으로 뇌-신경, 발생-재생, 면역, 알레르기, 감염증 및 암 등 5대 질환에 대한 모델마우스 및 생명기능 모델마우스를 집중적으로 수집, 보존, 공급하고 있으며, 이와 관련된 기술개발과 기술 확립을 진행하고 있다. 바이오 자원 정비사업, 기반 기술 개발 사업, 바이오 자원 관련 연구 개발 프로그램 운영 등 총 3가지 사업을 수행함에 있어 신뢰성, 연속성, 선도를 목표로 하고 있다.

모든 식물과 동물은 미생물과 긴밀한 관계를 맺고 살아간다. 마이크로바이옴(microbiome)은 ‘제2게놈’이라고 불리며, 생명체의 몸속에 존재하는 미생물들의 유전정보 전체를 말한다. 사람의 경우 인체 세포의 약 10배가 되는 수의 미생물 1만여 종이 장, 입, 피부, 그리고 몸속 다양한 곳에서 살고 있다.

최근 인체에 우리 몸속에 서식하는 미생물들이 미치는 영향력이 크다는 연구결과들이 밝혀졌다. 마이크로바이옴은 당뇨병, 류마티스성 관절염, 근이영양증, 일부 암과 같은 자가 면역질환에도 역할을 하는 것으로 밝혀지고 있다. 뿐만 아니라 장에 존재하는 미생물의 비율에 따라 비만이 발생할 수도 있고, 뇌에서는 신경전달물질 생성에 관여하는 일부 미생물에 의해 정신 분열증, 우울증, 양극성 장애가 발생할 수도 있다. 이렇게 인체 내의 미생물들은 생체대사 조절 및 소화능력이나 각종 질병에 영향을 미치고, 환경변화에 따른 유전자 변형 및 다음 세대로 전달되는 과정 등 인체의 모든 기능에 영향을 미치는 것으로 알려졌다.

이와 관련해 최근 실험동물(링크:1. History of Laboratory Mouse)을 이용한 연구들에서 출생 후에 특정한 미생물들이 존재하는 것이 미래의 면역 반응 발달에 중요한 역할을 할 것이라는 예측이 발표되고 있으며, 이외에도 다양한 미생물과 기능에 대한 연구 결과들과 함께 미생물을 이용한 질병 치료 역시 활발하게 진행되고 있다.

Adipogenesis(지방세포분화)는 Preadipocyte(지방 전구세포;미성숙 지방세포)가 Adipocyte(지방세포)로 분화하는 과정을 총칭하는 말로써, 세포 분화 중 가장 많이 연구된 분야중 하나이다.

지방 조직은 지방세포와 지방으로 구성되어 있으며, 대표적으로 체내 에너지를 축적하거나(백색지방), 지방을 태워 열을 발생시킴으로서 체온을 유지하는(갈색지방) 기능을 하며, 그 외에도 인슐린 등 여러 가지 물질을 분비하여 체내 대사(metabolism)를 조절하는 등 중요한 기능을 담당하고 있다.

현대사회에서는 에너지의 공급과잉에 의해 비만이 사회적 문제로 대두되고 있고, 당뇨병, 고지혈증, 고혈압, 동맥경화, 심장 질환, 지방간, 담석증 등과 같은 성인병을 유발시키는 가장 큰 위험 요인으로 인식되고 있다. 이에 해결책을 제시하기 위하여 관련 연구가 활발하게 진행 중이다.

운동은 몸의 대부분 장기에 영향을 미치는 요소로 구성된 활동이다. 운동은 건강을 위해 필요로 하고, 운동량이 부족하게 되면 다양한 만성 건강 문제를 일으킨다. 지금까지 입증되어온 운동의 효과들을 바탕으로 바이오메디컬 분야에서는 운동의 효과를 더 정확히 정의 내리기 위한 체계적인 연구들이 진행되고 있다.

운동의 효과를 입증하기 위한 몇몇 실험은 직접적으로 연관된 인간을 대상으로 실시되고 있다. 그러나 수명을 보았을 때 인간을 대상으로 한 연구는 비효율 적이며, 신체의 일부를 실험에 사용할 때 윤리적 문제에 부딪히게 되기 때문에 운동의 영향에 대한 연구를 하기 위해서 실험동물이 이용되고 있다.

마우스를 이용한 대표적인 운동방법으로는 트레드밀, 휠러닝, 스위밍이 있다.

생물정보학(Bioinformatics)란 생물학적인 문제를 응용수학, 정보과학, 통계학, 전산학, 인공지능, 화학, 생화학등을 이용하여 설명하고자 하는 학문이다. 1950년대 영국 케임브리지의 알란 투어링(Alan M Turing) 박사가 발표한 자연발생적인 생물학적 패턴에 관한 논문이 생정보학의 최초의 논문으로 알려져 있다. 주 연구 분야는 서열정렬, 유전자 검색, 유전자 조합, 단백질 구조 정렬, 단백질 구조 예측, 유전자발현의 예측, 단백질간 상호작용, 진화모델 등이 있다.

오믹스(Omics)란 현대 생명과학에서 많은 분자들이나 세포 등의 집합체 전부를 뜻한다. 오믹스에서는 대규모의 정보가 생산되므로 생물정보학적 기법을 활용하여 기존의 단편적인 연구에서 탈피하여 복합적이고 총체적인 패러다임을 시도함으로써 대량의 생물정보와 이들간의 상호관계를 종합적으로 연구한다. 생물학에서 오믹스연구는 주로 DNA,RNA,protein level을 중심으로 연구가 이루어졌으며 최근 후성유전체가 추가되어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 하나의 오믹스 데이터는 하나의 분자 level에 대해서만 설명이 가능하여 생명체에 대한 포괄적인 정보를 제공하기 어렵다는 점과, 단일 오믹스 데이터로 설명할 수 없는 복잡한 생명현상으로 인해 해석의 어려움이 있다는 단점이 있다. 다중오믹스(MultiOmics)란 동일한 조건에서 다양한 분자 level의 정보를 통합하여 생명현상을 설명하고자 하는 것으로 대규모 데이터의 통합에 따른 생물정보학적 기법이 필수적으로 필요하며 분석된 결과를 해석할 수 있는 생물학적 경험 또한 필요로 하고 있다.