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유전자 치료

1. 유전자 치료의 원리

다른 개체의 유전자를 주입하여 발현시킨다

첫째, 돌연 변이가 있는 유전자를 정상 기능을 하는 유전자로 치환(replacement)시키는 방법이 있을 수 있다. 이 방법은 아직 이론적인 것이며 기술적 배경이 확립되어 있지는 못하다.

둘째, 대상 개체의 다른 유전자는 건드리지 않으면서 돌연 변이 부위를 정상 염기 서열로 만드는 선택적인 교정(correction)이 있을 수 있다. 이것은 이론적으로는 가장 이상적인 방법이긴 하지만 기술적으로 상당히 어려운 방법으로, 외부의 유전자를 대상 개체의 게놈 내에로의 선택적인 재조합(site-specific recombination. Targeted recombination)을 유도하는 방법이다.

셌째, 유전자 치환이나 선택적 교정보다는 좀더 확립된 방법으로 유전자 보충(gene augmentation)방법이 있다. 이것은 질병 세포 내로 외부의 정상 유전자를 주입하여 돌연 변이 유전자의 발현을 억제 또는 보충해 주는 방법으로, 최근에 여러 가지의 효과적인 유전자 전이 방법이 개발되었다. 이 경우는 돌연 변이 유전자는 그대로 남겨 두고 정상 유전자를 게놈 내의 아무 곳에나 삽입시켜 발현을 유도하는 방법으로서, 외부의 유전자가 삽입되는 과정에서 다른 정상 유전자의 배열을 깨뜨려 문제를 일으킬 소지가 있음에도 기술적으로는 가장 편리한 방법이라 할 수 있다.

이 방법은 이러한 위험성에도 불구하고 높은 유전자 삽입률에 따른 효과로 인하여 유전자 치료 모델 중에는 가장 주목을 받으며 시도되고 있는 방법이다.

2. 유전자 주입의 방법

유전자 치료에 있어서 가장 기본적인 기술적인 문제는 어떠한 방법으로 유전자 주입(gene transfer)을 시행하느냐 하는 것이다.

현재까지 연구자들에 따라 여러 가지 방법들이 고안되어져 왔으나 그 중 대표적인 것들로는 cell fusion, calcium phosphate coprecipitation, microinjection, retrovirus vector, electroporation 및 liposome fusion등을 들 수 있다

유전자를 포유동물 세포 내로 주입하는 것은 물리적 방법을 쓰는 것보다는 바이러스를 매개체(vector)로 하여 대상 세포를 모두 감염시킴으로써 보다 효과적으로 시행할 수 있다. 바이러스 매개체를 개발하는 데 있어서는 대부분의 연구자들이 숙주 세포의 게놈 내로 삽입되어 안정적으로 발현시킬 수 있는 tumor virus에 많은 관심을 가지고 이용하여 왔다. 포유동물 세포를 대상으로 한 유전자 주입에서 초기에 이용되었던 바이러스 매개체는 SV40, polyoma virus 등의 transforming DNA virus였다.

Retrovirus를 이용한 유전자 주입 방법은 효율적이고 대량의 세포를 대상으로 할 수 있다는 이점이 있다. Electroporation이나 transfection을 이용하는 경우는 여러 개의 유전자가 삽입되는 경우가 흔하나 retroviral vector를 이용한 경우는 대상 세포의 게놈 내에 삽입되는 유전자가 대개는 하나씩(single copy)이라는 장점도 있다.

Retroviral vector의 문제점으로는 vector에 삽입할 수 있는 유전자의 크기가 대개 8kb 이내로 한정적이라는 것이다. 이러한 방법을 이용하는 데 있어서 앞으로도 해결되어야 할 과제는 다음과 같다.

첫째, 주입된 유전자의 발현 조절과 안정성에 관한 것으로, 주입된 유전자의 발현은 retrovirus의 LTR(long terminal repeats) 부위의 promoter의; 조절을 받게 된다. 그러나 이것이 생체 내에서 어느 정도 작용할지는 불명확하며, 치료가 가능한 정도로 발현될 수도 있지만 실험적으로는 발견 가능하더라도 치료 목적으로는 도움이 안되는 정도만으로 발현될 수도 있다. 또, 무작위적인 삽입으로 인하여 유전자 발현의 조절에 이상이 생길 수도 있다.

둘째, viral vector의 농도(titer)로 유전자 주입의 효과를 높이기 위해서는 대상 세포를 모두 감염시킬 수 있는 충분한 양의 바이러스를 얻는 것이 중요하다. 이런 고농도의 viral titer를 얻는 데는 helper cell line이 중요한 역할을 한다.

셋째, 대상 조직으로의 유전자 주입 방법이다. 대상 조직에 따라서는 골수의 간 세포(stem cell)나 백혈구 등을 목표로 하여 비교적 쉽게 세포를 얻을 수 있는 방법도 있으나. 신경 조직이나 간조직 등과 같이 얻기나 조작하기 어려운 조직이 대상이 될 수도 있다. 이런 것은 해당 유전자가 주로 어떤 조직에서 발현이 되는지에 따라 결정된다.

넷째, 암 유발의 가능성으로 가능성은 크지는 않으나 숙주 세포의 게놈 내로 외부의 유전자가 세포성 암 유전자(cellular oncogene)의 부위에 삽입되면서 해당 유전자를 활성화시켜 암을 유발할 수도 있다는 사실 등을 들 수 있다.

Retrovirus의 promoter는 이러한 작용을 최소화 하도록 조작되어 있고 현재 실험적으로도 보고된 바는 없으나 가능성은 고려해야 한다.

Retrovirus는 분열하는 세포만 감염시킬 수 있으므로 분열이 되지 않는 세포는 다른 형태의 유전자 전달 방법을 필요로 하게 된다. 그 중 대표적인 것이 adenovirus라고 할 수 있다. 이것은 double strand의 DNA virus로, 때로는 백신 제조에 쓰이기도 한다.

삽입시킬 수 있는 유전자는 retrovirus와 마찬가지로 약 7~8kb 정도가 한계이다. 유전자 주입 전에 retrovirus와 마찬가지로 복제가 불가능하도록 사전 조작이 필요하다.

단점으로는 숙주의 게놈 내로 adenovirus가 삽입되지 않으므로 결국은 소실된다는 것이고 따라서 반복적인 주입이 필요하다는 것이다.

3. 유전자 치료의 대상

유전자 치료의 대상으로 삼을 수 있는 세포는 크게 생식 세포와 체세포를 들 수 있다.

생식 세포는 정자나 난자를 대상으로 하며, 체세포의 경우는 질병의 병태 생리에 따라 적절한 체세포를 대상으로 할 수 있다.

생식 세포를 대상으로 하는 경우는 체세포의 경우와 기술적인 면은 차이가 없으나 생식 세포에 조작을 가함으로써 변형된 유전적 정보가 다음 세대로 계속 유전될 수 있다는 문제가 있으며, 따라서 윤리적인 문제점도 생길 수 있다. 생식 세포에서의 이와 같은 문제점 때문에 체세포에 대한 유전자 치료가 더 많은 관심을 끌어 왔고 연구되어 왔다. 그 방법으로 환자에게서 적절한 체세포를 추출하여 체외에서 조작하거나(ex vivo therapy),또는 체내에 있는 상태로 조작하는 방법이 있다(in vivo therapy).

세포 형질에 따라 유전자 치료의 적합성에는 차이가 있을 수 있으나 체세포 중 추출이 쉽고 수명이 긴 것이 최적의 조건이라 할 수 있다. 그 중에서도 분열을 많이 하는 세포일수록 정상 유전자를 포함하는 벡터(vector)가 세포의 DNA 내로 삽입될 가능성이 많으므로 더 적합하다. 골수의 간 세포(stem cell)는 이러한 모든 조건을 충족시키는 최적의 대상이라 할 수 있다. 그러나 실제로는 모든 골수 세포가 간 세포는 아니므로 이들 간 세포의 조작이나 분리가 어렵다는 단점은 있다.

그 밖에도 섬유 세포(fibroblasts), 근 세포(muscle cells), 혈관 내피 세포(vascular endothelial cells), 간세포(hepatocytes) 및 백혈구(lymphocytes)등을 들 수 있다

유전자 치료의 대상이 되는 질환은 아직은 모든 질환을 대상으로 할 수는 없으며 몇 가지 전제 조건을 고려해야 한다.

그러한 조건으로는 ① 기존의 치료 방법으로 큰 기대를 할 수 없는 치명적 질환, ② 단일 유전자 이상에 의한 질환이면서 해당 유전자가 분리되어 있는 경우, ③ 해당 유전자의 발현 조절의 정확성이 요구되지 않는 질환, ④ 유전자 주입 방법이나 발현에 있어서 기술적인 문제가 해결된 경우 등이다.

4, 앞으로의 전망

유전자 전이를 위한 방법으로는 바이러스 매개체 중 retrovirus가 가장 많고 그 밖에 adenovirus, adeno-associated virus 등이 이용되고 있다.

체세포의 유전자 치료의 필요성과 가능성에 대해서는 분자 생물학적으로나 의학적으로 또는 윤리적인 측면의 많은 부분이 이미 검증 되어 졌다고 할 수 있다. 여러 가지 질병에 관련된 유전자의 돌연 변이와 정상 유전자에 대하여 많은 연구가 진행되어 왔고 갈수록 많은 유전자 치료 방법이 실험적으로 시행되고 있다.

과거에는 불가능할것으로 여겨졌던 cystic fibrosis(CF)환자에서도 유전자 치료가 시도되어 Aerosol delivery system을 이용하여 기도 점막으로 유전자를 주입하는 방법이 시도되고 있다.

암의 경우도 분자 수준에서의 병태 생리가 더 많이 밝혀지면서 tumor supperessor gene이 이상인 경우는 정상 유전자 주입후 발현을 통하여 oncogene이 activevation된 암의 경우는 해당 유전자의 발현 역제를 통하여 임상적 효과를 얻기 위한 방법들이 시도되고 있다.

생식 세포에 대한 유전자 치료는 앞에서 언급한 문제들로 인하여 아직은 현실화에 장애가 많고 연구 진행도 더딘 편이다. 따라서 앞으로도 생식 의학이나 발생학적 측면의 많은 연구를 통한 실제적인 문제의 해결이 선행되어져야 할 것이다.

현재 유전자 치료의 임상적 응용에 문제점이 없는 것은 아니다. 그러나 단점보다는 장점이 더 많다는 것에는 의견의 일치가 되어 있는 상태라 할 수 있고, 또한 앞으로도 많은 연구와 투자가 있을 것으로 예상된다. 그러한 과정을 통하여 실제적인 문제들이 해결된다면 가까운 장래에 유전자 치료를 임상적으로 이용할 수 있을 것으로 기대한다.