최근 과학 기술이 발전하면서 동성부부 또는 솔로 남성이 자녀는 가질 수 있는 시대가 열리고 있습니다. 수컷 마우스의 체세포에서 줄기세포를 만들고 이를 난자로 분화시키고, 다른 정자와 수정을 통해 새로운 생명을 탄생시킨 것입니다. 과연 인간에게 적용될 수 있을까요? 그리고 동성부부 또는 솔로 남성과 여성도 입양이 아닌 생물학적 자녀를 가질 수 있는 시대가 올까요? 어떤 방법으로 이 실험이 가능했는지, 그리고 실현 가능성에 대해 여기서 확인해 보세요. 유튜브 영상으로도 해당 내용을 시청하실 수 있습니다.
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Intro
인간에 능력은 어디까지일까요? 신만 할 수 있다고 여겨지던 일들을 이제 인간이 하니씩 이루어가고 있습니다. 지금까지 자연계 내에 많은 동물들은 암컷과 수컷, 그리고 여자와 남자가 서로 만나 정자와 난자가 수정을 거친 후 새로운 생명을 탄생시킬 수 있었습니다. 그런데! 이 자연법칙을 깰만한 일을 인간이 이뤄가고 있습니다.
영화와 소설에서만 있을 법한 남자가 아이를 갖는 일이 현실로 다가오고 있습니다. 물론 남자가 임신을 하여 출산을 하는 것은 아닙니다. 오로지 남자에 세포만으로 수정란을 만들고 새로운 생명을 탄생시킨 것입니다. 어떻게 이런 일이 가능할까요? 저와 함께 조금 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.
기술 설명
2023년 3월 8일, 영국 런던에서 열린 제3차 국제 인간 게놈 편집 학술회의에서 일본 오사카대 하야시 가쓰히코 교수는 수컷 마우스의 세포로 난자를 만든 뒤 다른 수컷의 정자와 수정시켜 이를 암컷의 자궁에 이식하여 겉으로 보기에 건장한 새기를 탄생시키는 데 성공했다고 발표했습니다. 하야시 교수는 이번 연구 성과에 대한 논문을 국제학술지인 네이처(Nature)에 기고하였습니다.
네이처에서는 2023년 3월 9일 기사를 통해 터너증후군과 같은 일부 불임의 원인을 치료하거나 동성부모가 아이를 가질 수 있는 길이 열리는 초기 단계 연구 성과라고 이야기합니다.
이와 유사한 동성부모로부터 새로운 생명을 탄생시킨 연구는 이번이 처음은 아닙니다. 2018년 중국의 한 연구팀에서 국제학술지인 Cell Stem Cell에 기고한 논문에서는 정자 또는 난자에서 염색체 수가 절반인 반수체 배아줄기세포를 만들고, 이를 난자에 이식하는 과정을 통해 정자는 정자 세포만으로, 난자는 난자 세포만으로 새끼는 만드는 데 성공했습니다. 이때 정자만으로 탄생한 새끼는 오래 살지 못했지만 난자만으로 만들어진 새끼는 정상적으로 성장했다고 합니다.
2018년 연구성과는 생식 세포를 이용해 하나의 개체를 탄생시켰다면, 이번 하야시 교수 연구팀에서는 수컷 마우스의 체세포를 이용해 난자를 만들었다는 점에서 조금 더 진보하였습니다. 하야시 교수는 "포유류의 수컷 세포에서 난모세포를 만든 첫 사례"이며 "10년 안에 사람의 남성 피부 세포를 이용해 사람의 난자를 만드는 것도 기술적으로 가능할 것"이라고 말합니다.
iPSC와 Reprogramming 개념 정리
이렇게 체세포에서 난자를 만들기 위해서는 체세포를 어떤 세포든 분화가 가능한 분화 초기 단계 세포로 되돌리는 리프로그래밍(Reprogramming) 과정을 거쳐 iPSCs를 만들어야 합니다. 여기서 iPSCs란 induced pluripotent stem cells의 약자로 한국말로는 유도만능줄기세포를 의미하며, 2006년 일본 교토대의 야마나카(Yamanaka) 교수가 마우스 피부세포를 이용해 처음으로 iPSCs을 만듭니다. 이때 iPSCs를 만드는 과정에서 OCT4, SOX2, c-Myc, KLF4 등 4가지 야마나카 팩터의 유전적 발현을 증가시켜 만들게 됩니다. 이 과정을 리프로그래밍이라고 합니다. 더 높은 효율과 안전성을 확보하기 위한 리프로그래밍 방법이 다양하게 연구되어 있어 현재는 4가지 야마나카 팩터에서 제외 또는 새로운 팩터가 추가되고 있습니다. iPSCs는 이론적으로 배아줄기세포(ESCs, Embryonic stem cells)와 동일한 능력을 가지고 있는 세포로 원하는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. iPSCs는 질병에 대한 모델링이나 원하는 세포로 분화하는 방법 등 다양한 분야에서 연구되고 있습니다. 또한 세포 노화에 영향이 적기 때문에 다른 세포에 비해 오랜 기간 동안 배양할 수 있다는 특징을 갖고 있습니다.
iPSC를 이용한 난자 만드는 과정
하야시 교수 연구팀은 수컷의 체세포에서 난자를 만들기 위해 체세포에 리프로그래밍 과정을 진행하여 iPSCs를 만들었습니다. iPSCs를 난자로 만들기 전, 해당 iPSCs는 수컷으로부터 만들어져 성염색체는 XY일 겁니다. 난자를 만들기 위해서는 암컷의 성염색체인 XX로 만들어져 할 필요가 있습니다. 이렇게 성염색체를 변화시키는 방법으로 연구팀은 지속적인 계대배양과 리버신(Reversin)을 처리하는 방법을 선택하였습니다.
앞서 말씀드린 것처럼 iPSCs는 오랜 기간 배양할 수 있다는 특정을 가지고 있는데요. 이렇게 오랜 기간 배양하기 위해서는 배양 접시(Culture dish)에 일정 수 이상의 세포가 들어가지 않도록 맞춰줄 필요가 있습니다. 세포 수를 조절하기 위해 새로운 배양 접시에서 잘 떨어질 수 있도록 효소(enzyme) 또는 물리적 충격을 가하게 되는데요. 이때 낮은 확률로 유전자에 변이가 발생하게 됩니다. 연구팀은 이러한 특징을 이용해 변이로 인해 XY에서 XX로 성염색체가 변화된 세포를 찾는 방식을 이용한 것입니다.
또한 세포 분열을 방해하는 리버신(Reversin)이라는 화학물질을 처리하여 X염색체의 복제 효율을 높여 XX 염색체 조합이 나올 효율을 높였습니다. 하야시 교수는 리버신을 처리하는 방법이 이번 연구에서 최고의 기술이었다고 자평하였습니다.
이런 방법을 통해 XX 성염색체를 가지고 있는 iPSCs를 확보하여 이를 난자로 분화시켜 줍니다. 이렇게 만들어진 난자를 성숙시켜질 좋은 난자로 유지한 후 스컷 마우스의 정자와 수정하는 과정을 거칩니다. 이렇게 만들어진 수정란을 암컷의 자궁에 이식하는 방법으로 새로운 개체를 탄생시켰습니다.
여기서 iPSCs를 난자로 만들어 성숙시키고 이를 수정이 가능한 상태로 만드는 기술도 상당히 중요해 보입니다. 난자를 성숙시키고 좋은 난자를 만드는 기술은 2020년과 2021년 이미 하야시 교수팀에서 연구하여 국제학술지에 기고하였고, 이 기술이 있었기에 이번 성과를 이룰 수 있었다고 생각합니다.
연구 평가 및 허들
이번 연구 성과는 상당히 놀랍습니다. 자연적으로 일어날 수 없는 일을 인간이 해낸 것입니다. 하지만 이 연구는 아직 초기 단계라는 점을 잊으시면 안 됩니다. 성공률은 고자 1%라고 합니다. 630개 중 7개만이 새로운 생명으로 태어난 것입니다. 실험 과정을 다시 한번 생각해 봅시다. 체세포를 iPSCs로 만드는 과정은 많은 연구가 진행된 상태라 비교적 쉽게 진행되었을 것입니다. 하물며 마우스 세포를 이용한 연구에서도 이렇게 복잡한 방법을 거쳐 새 생명이 태어났는데 인간은 얼마나 더 복잡하고 어려울지 상상하기 힘듭니다.
하야시 교수 연구팀의 다음 목표는 인간 세포를 이용해 난자를 만드는 것이라고 합니다. 그러나 생애 주기가 마우스보다 훨씬 긴 인간의 난자를 생산하는데 더 오랜 시간이 필요할 것입니다. 난자를 만들고 성숙시키는 시간이 길어지면 그만큼 유전적 변화가 일어날 위험성이 높아진다는 것을 의미합니다. 그리고 마우스와 인간은 다른 생명체이기 때문에 분명 생각치고 못한 어려움에 봉착할 가능성이 높습니다. 이런 이유로 매력적인 연구성과에도 불구하고 인간에게 적용되기까지 오랜 시간과 많은 연구가 필요할 것이라 예상됩니다.
만약 이 기술이 인간에게도 적용될 수 있다고 하더라도 대리모의 도움을 받아 남성 부부 또는 독신 남성이 사진들의 생물학적 자녀를 출산해야 합니다. 사회가 이러한 방법의 출산을 허용할까요?
더 많은 사람들이 자녀를 출산하는 기쁨을 만끽할 수 있게끔 이와 같은 연구를 계속 진행되어야 한다고 생각합니다. 실험적인 측면과 사회, 윤리적 측면에서 현실화될 수 있는 방법이 하루빨리 나왔으면 좋겠네요.
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