2022년 3월 드디어 인간 유전체 정보가 모두 해석되었다. ‘인간 지놈 프로젝트’는 1990년에 시작되었다. 13년 후인 2003년 마무리되었는데 그후 아무리 해도 기술의 한계로 다 해독하지 못한 일부 염기서열이 8% 남아 있었다.
새로 발견한 유전체 정보를 바탕으로 특정 질병을 일으키는 유전자를 찾는 과정이 단축된다. 이로써 인류가 겪는 암과 알츠하이머 등의 새로운 치료법 개발이 급속하게 진전될 것으로 기대한다.
1. 과학자들 연합 ‘텔로미어 투 텔로미어 컨소시엄(Telomere To Telomere Consortium)’
지난 20여 년간 과학자들이 지놈(유전체) 정보를 지속적으로 업데이트하며 미지의 영역을 8%까지 줄였다. 그리고 2022년 이 8%의 미지의 염기서열도 해독되었다.
미국 인간지놈연구소와 캘리포니아주립 산타쿠르즈 대학 등 세계적인 과학자들로 구성된 텔로미어 투 텔로미어(T2T) 컨소시엄’이 3년에 걸처 연구해서 빈틈을 채웠다. 컨소시엄은 연합체라는 뜻이다.
해당 내용과 새로 발견된 사실과 염기서열 해독에 쓰인 신기술에 대한 논문 여러 편이 학술지 ‘사이언스science’와 네이처 메소즈Nature Methods에 실렸다.
2. 텔로미어 관련 새로 밝혀진 사실과 적용된 신기술
새 준거 염색체 T2T-CHM13
T2T컨소시엄은 미지의 영역인 텔로미어의 T를 따서 지은 이름이다. 염색체의 끝 부분 텔로미어에서 다른 쪽 텔로미어까지의 염기서열을 모두 밝히겠다는 의지를 담았다. 그간 기술적인 문제로 해독이 어려웠던 부분이다.
새 준거로 발표한 염색제 T2T-CHM13은 염기쌍이 30억 개 이상이고 단백질 코딩 유전자가 2만 개로 되어 있다. 이는 2003년 지놈 프로젝트의 연구결과인 GRch38보다 염기쌍이 2억 개가 추가된 획기적인 발견이다.
새로 발견한 단백질 코딩 유전자 2천개
또 연구진은 단백질 코딩 유전자를 2천 개 새로 발견했다. 이중 115개는 특징을 발현하는 유전자이다. 염색체 끝부분인 텔로미어와 세포분할에 관여하는 센트로미어 등의 염색체 주요 부분은 염기서열에 같은 내용이 매우 길게 반복된다.
텔로미와 센트로미어의 새로운 역할
이 영역에는 단백질 코딩이 일어나지 않는다. 그래서 생명 활동에 도움이 주지 않는다고 오해해서 쓰레기 DNA라고 간주되었다.
그러나 이번 연구로 중요 역할이 드러났다. 노화가 진행되면서 텔로미어가 짧아지는 현상은 진작에 발견했다. 세포 기능에 중요한 역할을 하며 이것이 잘못될 경우 암의 원인이 된다.
센트로미어 주변 DNA염기서열은 인류 유전자 화석
진화와 질병 연구에 새로운 실마리를 얻을 수 있다. 연구진은 센트로미어 주변의 DNA염기 서열을 파악해 인류 공통의 유인원 조상까지 거슬러 올라가는 연구를 할 수 있다.
센트로미어의 중심부에서 멀어질수록 열성화된 과거의 서열이 나타난다. 이는 먼 조상 유인원이 물려준 센트로미어가 나타난다는 의미이다. 센트로미어는 유전자 안에 있는 화석에 비유할 수 있다.
새 유전체 정보를 1600명의 세계 각지의 사람의 센트로미어 DNA와 비교해 보았다. 결과는 주요한 변이는 가까운 조상 중에 아프리카 사람이 있는 사람에게 주로 나타났다.
센트로미어centromere는 세포분열 시 DNArk 2배로 복제되면서 염색체가 X자 모양을 보일 대 염색체가 붙어있는 X자의 가운데인 중심을 뜻한다.
세포분열시 염색체 분열세포의 분배에 센트로미어가 중심적인 역할을 담당한다. 따라서 센트로미어의 기능에 이상이 생기면 분열 후의 낭세포 염색체에도 이상이 생긴다.
나노포어 시퀀싱 신기술(Nanopore sequencing)
극도로 긴 이러한 염기 서열을 읽어내는 새로운 첨단 기술이다. 이를 활용해 미지의 영역에 적용해서 유전정보를 밝히게 됨에 따라 향후 생물학과 암 치료 연구에 활용활 수 있다.
“지난 20년간 우리가 연구하지 못했던 이 유전자 영역은 유전자의 작동 원리와 유전병, 인간의 다양성과 진화 등을 이해하는데 중요한 역할을 할 것입니다.” (카렌 미가 교수, T2T 컨소시움 공동 창립자)
https://nanoporetech.com/applications/dna-nanopore-sequencing
나노포어는 나노 미터 크기의 매우 작은 초소형 구멍이다. 생물 세포내에 존재하는 나노포어는 주로 외부의 물질을 내부로 보내는 역할을 한다.
1세대, 2세대 나노포어 시퀀싱 기술을 넘어 현재 3세대 기술이 개발되었다. 2세대 기술은 반복서열, 복제수변이와 같이 유전체의 복잡한 구조를 이해하는데 한계가 있었다.
3세대 나노포어 시퀀싱 기술에도 여러 가지가 개발되고 있다. 대표적인 두 가지는 미국 일루미나(Illumina)회사의 스마트 시퀀싱과 영국 옥스퍼드 나노포어 테크놀로지스의 ‘미니온'(MiniOn)이다.
인간 지놈 해석 완료로 인간 유전체에 대한 더 정확한 지도가 생겼다. 이 지도를 작성하는데 관련 과학자들이 연합하며 헌신했다. 협업의 힘은 굉장하다. 이로써 인류의 진화와 질병연구에 대한 연구가 손에 쥐는 결과물을 낼 것이다.
인간 지놈을 해독한 T2T컨소시엄 연구진은 한 인간의 유전체 분석을 넘어 여러 사람의 유전체 정보를 모아 분석하는 단계로 나아갈 계획이다. 이를 위해 ‘인간 판지놈 리퍼런스 컨소시엄’과 협업중이다.
