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그림 1. ENCODE project ( from : https://www.nature.com/collections/aghcdefffg )

1. ENCODE project

유전정보를 담은 DNA가 인체를 구성하는 단백질로 전환되는 과정에서 생산되는 중간 산물로 여겨졌던 RNA가 자체적 기능을 가지고 유전자의 발현¹⁾을 조절²⁾하는 스위치로 작동한다는 사실을 알게 된 과학계는 충격에 빠졌다.

DNA 서열만 읽어내면 생명의 신비를 풀 수 있으리란 믿음은 물거품이 되었고, 우리가 정작 알아야 할 것은 단백질 정보를 지닌 2%의 coding DNA³⁾⁴⁾가 아니라 그것을 조절하는 98%의 non-coding DNA⁵⁾⁶⁾라는 사실 또한 놀라웠다. 인간게놈프로젝트는 이렇게 답보다 더 많은 질문을 남긴 채 인간 게놈의 92%를 완성하고 2003년 일단락되었다.⁷⁾(2021년 5월 99.7% 완성. 2022년 1월 100% 완료)

하지만 과학계는 인간 게놈에 인체를 구성하는 물질의 설계도뿐 아니라 그것을 인간답게 만들어내는 작동 원리까지 담겨있다는 사실에 희망을 품었다. 그리고 그 원리를 밝히기 위해 암흑물질(dark matter)⁸⁾이라 불리던 미지의 98% 게놈을 분석하여 기능을 가진 유전 요소로 분류하고 그것들을 모아 백과사전을 만드는 ENCODE(Encyclopedia of DNA Elements, DNA 요소에 대한 백과사전) 프로젝트^9)10)11)를 시작했다.

2003년 미국 국립보건원(National Institutes of Health, NIH) 산하 국립인간게놈연구소(National Human Genome Research Institute, NHGRI)가 주도하고 미국, 중국, 영국, 일본, 싱가포르, 스페인 등 전 세계 32개 실험실, 440명의 과학자가 참여한 ENCODE 컨소시엄은 활동을 시작한지 10년이 되던 2012년 9월 Nature, Cell, Science 등 주요 학술지에 40여 편의 논문을 동시에 게재하며 그간의 성과를 발표했다.¹²⁾ 

그림 2. junk DNA ( from : https://blog.drwile.com/study-of-mice-highlights-the.../)

그들은 우리가 junk(쓰레기)라고 여겼던 98%의 non-coding DNA 중 최소 80%가 기능을 가진 RNA로 전사된다는 놀라운 사실을 알렸고, 그렇게 전사된 RNA 속에는 유전자의 발현을 제어하는 유전자 조절 스위치가 최소 4백만 개 들어 있다고 발표하여 학계에 충격을 안겼다.¹³⁾

당시 학계는 인류에게 심각한 질병이 나타나는 이유는 단백질을 생산하는 coding DNA의 돌연변이 때문이라고 생각했다. 하지만 ENCODE 팀은 이런 질환의 원인이 대부분 DNA의 발현을 조절하는 기능적 요소, 즉 non-coding DNA가 전사되어 만들어진 non-coding RNA에 있음을 밝혀 이전까지의 생각을 완전히 뒤집었다. 실제로 질병과 관련된 대부분의 DNA 변형은 단백질을 코딩하는 유전자를 변경하는 것이 아니라 이를 제어하는 ​‘RNA 스위치’가 변하여 발생한다.¹⁴⁾¹⁵⁾

 그림 3. ENCOD 검색 엔진( from : https://www.encodeproject.org/ ) 

ENCODE 컨소시엄은 단백질로 번역되지 않는 non-coding DNA의 기능적 단위에 주석을 달고 그것을 백과사전 형식으로 편집하여 유전자 조절에 기초한 생물의학 연구에 새로운 통찰력과 광범위한 정보를 제공했다.¹⁶⁾ 학자들은 이를 통해 인류가 어떻게 DNA의 돌연변이 없이 환경 변화에 적응해 왔는지, 즉, 환경이 인류의 유전자 발현을 어떻게 지배해왔는지 설명할 수 있게 됐고, 일란성 쌍둥이가 환경의 차이로 어떻게 다르게 성장할 수 있는지도 이해할 수 있게 됐으며 인간과 침팬지가 98%의 유전자를 공유하면서도 서로 다른 이유를 설명할 수 있게 됐다,¹⁷⁾

그림 4. 합성 RNA 스위치( from 

: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0958166912000171 )

ENCODE 팀이 제공한 15조 바이트에 달하는 엄청난 양의 데이터는 과학자들이 유전자를 정의하는 방식을 바꾸었고, 그들에게 실험실에서 합성할 수 있는 RNA로 유전자의 발현을 조절하여 암과 심장병, 치매와 당뇨, 알레르기와 류마티스 등과 같은 질병을 제어할 수 있다는 자신감을 가져다주었다. 또한 전통적 접근 방식을 선호하여 유전자의 활용을 거의 포기했던 제약업계는 제약 산업의 미래를 이끌어갈 새로운 활로를 유전학에서 찾게 된다.^18)19)20)

2. genetic terms

coding과 non-coding, DNA와 RNA, 염색체와 유전자, 전사와 번역, 유전자와 유전체 등, 유전학은 사용하는 용어만으로도 대중과 멀어지기에 충분하다. 이는 일반 대중뿐 아니라 의료계 종사자에게도 별반 다르지 않다. 현재의 교육과정은 다를 수도 있겠으나, 2천 년 초반까지 의료 관련 학과를 다니고 현재 의료업에 종사하는 의료인들은 바이러스학이나 유전학 등을 심도 있게 배울 수 없었다.

물론 개인적 관심이 있어 꾸준히 발표되는 논문을 공부하거나 대학원에 진학하여 관련 분야를 전공한 이들은 다를 수 있다. 그러나 이런 학문은 20세기 말 진행된 인간게놈프로젝트로 큰 변혁을 겪었고, 그 후 진행된 여러 프로젝트를 통해 새롭게 밝혀진 사실이 많으며, 그런 사실들은 이전의 상식을 뒤집는 경우가 많았으므로 현업에 종사하는 의료인이 바이러스나 유전학 관련 내용을 잘 모르는 게 그리 이상한 일도 아니다.

하지만 우리는 지금으로부터 150년 전 ‘바이러스’라고 ‘정의’된 물질 때문에 3년 이상 큰 곤욕을 치렀고, 그것을 해결하는 방법으로 ‘mRNA 백신’이라는 생소한 제품을 선택했다. 

이러한 상황은 일반 대중 그리고 이 분야에 있어 대중과 큰 인식적 차이가 없는 의료인에게 분자생물학, 바이러스학, 유전학 등에 대한 좀 더 나은 이해를 요구한다. 특히 의료인의 경우 이들 분야와의 거리를 좁히지 않는다면 머지않은 미래에 새로운 학문을 배운 세대의 비난을 피할 수 없을지도 모른다.

이 글은 하루가 다르게 새로운 사실이 밝혀지고 과거의 상식이 뒤집어지는 21세기 과학 혁명의 시대를 살아가는 우리가, 19세기말 규정된 ‘바이러스’라는 개념을 과거의 것 그대로 사용하는 과정에서 오는 오류를 바로잡고, 대중에게 알려지지 않고 의학 교과서에도 소개되지 않은 발전된 ‘바이러스’의 개념을 설명하기 위한 글이다.

그런데 반복되는 몇 가지 생소한 용어 때문에 전체적인 맥락을 이해하는 데 어려움을 겪는 경우가 있어 본격적으로 새로운 ‘바이러스’의 개념을 논하기에 앞서 유전학에서 사용하는 몇몇 중요한 용어의 구체적인 의미를 짚어보고자 한다.

그림 5. Gene ( from : https://www.obgproject.com/2016/07/19/chromosome/ )  

3. Gene

유전 관련 글을 읽을 때 가장 혼란스러운 단어는 아이러니하게도 ‘유전자(gene)’²¹⁾²²⁾라는 용어이다. 이상하게 들릴 수도 있지만 1909년 처음 사용되기 시작한 이 ‘유전자(gene)’라는 단어는 현재까지도 결정된 단일 정의가 없다.²³⁾

그러다 보니 혹자는 핵 속의 DNA 전체를 유전자라고 말하기도 하고, 혹자는 DNA 중 단백질로 번역되는 부분(coding DNA)만 유전자라고 말하기도 하며, 또 다른 이는 coding DNA와 그에 더해 non-coding DNA 중 RNA로 전사되어 유전 현상을 조절하거나 인체 대사에 활용되는 부분까지도 유전자라 칭하기도 한다. 그렇기 때문에 혹자는 인체에 유전자가 2만 개라고 하고, 또 어떤 이는 4만 개라고 하며, 또 어떤 이는 10만 개 이상이라고 하는 웃지 못할 상황이 연출되는 것이다.²⁴⁾

 그림 6. 유전자 스위치 네트워크 ( from : https://www.mdpi.com/333870 ) 

시대가 변하여 ‘유전자 치료’²⁵⁾라는 말이 유행처럼 번지고 있는데, 이 말도 대중에게 오해를 불러일으키기에 충분하다. 우리 몸에서 유방암이나 고지혈증 등 개별 질병을 유발하는 단일 유전자는 없다.²⁶⁾ 앞에서 논한 400만개의 유전자 스위치도 하나하나가 독립된 기능을 가지는 게 아니라 생명의 유지라는 공통된 목표를 달성하기 위해 복잡한 네트워크를 구성하여 상호 소통하며 작동한다.²⁷⁾²⁸⁾ 그러므로 한두 개의 유전자를 제어하여 질병을 치료하거나 예방한다고 말하는 것은 과학적 진실을 논할 문제가 아니라 과학을 상업적으로 이용하는 일부 사람들의 도덕성을 의심할 만한 문제가 될 수도 있다.²⁹⁾ 

분자생물학의 역사서인 ‘창조의 제8일(The eighth day of creation)’을 저술하고 존스 홉킨스 대학과 조지 워싱턴 대학에서 교수로 재직했던 호레이스 프리랜드 저드슨(Horace Freeland Judson)³⁰⁾은 2001년 nature 기고문에서 이런 현상을 지적한다. 그는 인간은 모두 다른 유전자를 갖기 때문에 세계에는 수십억 개의 게놈이 존재하며 인간게놈프로젝트에서 주장하는 인간의 표준 게놈은 존재하지 않는다고 말했다. 또한, 대중이 유전학에 대해 오해하지 않도록 유전학자들은 유전학 용어를 올바르게 사용하는데 책임감을 가져야 한다고 강조했다.³¹⁾

이런 이유로 이 글에서는 ‘유전자(gene)’라는 용어의 개념을 단백질로 번역되는 2만여 개의 DNA 서열, 즉 coding DNA에 한정하여 사용하고 있으며, coding DNA와 non-coding DNA의 구분이 필요한 경우엔 유전자라는 용어 대신 coding DNA라는 용어를 사용하고 있다.

====================(11편에 계속) 

[참고문헌]

1) https://en.wikipedia.org/wiki/Gene_expression

유전자 발현

2) https://en.wikipedia.org/wiki/Regulation_of_gene_expression

유전자 발현 조절

3) https://en.wikipedia.org/wiki/Coding_region

변역 영역, Coding region

4) https://byjus.com/biology/difference-between-coding-and-noncoding-dna/

번역 DNA와 비번역 DNA의 차이점

5) https://en.wikipedia.org/wiki/Non-coding_DNA

비번역 DNA, Non-coding DNA

6) https://www.genome.gov/genetics-glossary/Non-Coding-DNA

비번역 DNA, Non-coding DNA

7) https://www.genome.gov/about-genomics/educational-resources/fact-sheets/human-genome-project

인간 게놈 프로젝트 Human Genome Project

8) https://en.wikipedia.org/wiki/Biological_dark_matter

생물학적 암흑물질

9) https://en.wikipedia.org/wiki/ENCODE

엔코드 프로젝트 ENCODE project

10) https://www.genome.gov/Funded-Programs-Projects/ENCODE-Project-ENCyclopedia-Of-DNA-Elements

엔코드 프로젝트 ENCODE project

11) https://www.encodeproject.org/

엔코드 백과사전

12) https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24846964/

ENCODE 프로젝트 및 기능유전체학 연구

13) https://www.genome.gov/27549810/2012-release-encode-data-describes-function-of-human-genome

ENCODE 데이터는 인간 게놈의 기능을 설명합니다. 

14) https://www.broadinstitute.org/news/mapping-genetic-world-beyond-genes

유전자 너머의 유전적 세계를 매핑하다

15) https://www.darkdaily.com/2012/10/22/encode-project-reveals-4-million-critical-gene-switches-in-junk-dna-of-humans-1016/

ENCODE 프로젝트, 인간의 "정크" DNA에서 400만 개의 중요한 유전자 스위치 공개

16) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3439153/

인간 게놈의 DNA 요소에 대한 통합 백과사전

17) https://www.nytimes.com/2012/09/06/science/far-from-junk-dna-dark-matter-proves-crucial-to-health.html

'정크'와는 거리가 먼 미스터리 DNA의 비트가 중요한 역할을 합니다.

18) https://www.nbcnews.com/health/health-news/new-dna-project-shows-us-living-beyond-our-genes-flna980609

새로운 DNA 프로젝트는 우리가 유전자 너머의 삶을 살고 있음을 보여줍니다.

19) https://www.darkdaily.com/2012/10/22/encode-project-reveals-4-million-critical-gene-switches-in-junk-dna-of-humans-1016/

ENCODE 프로젝트, 인간의 "정크" DNA에서 400만 개의 중요한 유전자 스위치 공개

20) https://web.archive.org/web/20121023180523/http://www.sciencenews.org/view/generic/id/343850/title/Team_releases_sequel_to_the_human_genome

팀, 인간 게놈의 속편 공개 

21) https://www.genome.gov/genetics-glossary/Gene

유전자(gene)

22) https://en.wikipedia.org/wiki/Gene

유전자(gene)

23) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6683844/

유전 연구의 개념 및 용어 - 입문서

24) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5378099/

"유전자"라는 용어의 진화하는 정의

25) https://en.wikipedia.org/wiki/Gene_therapy

유전자 치료 Gene therapy

26) http://www.genomicglossaries.com/content/gene_def.asp

유전자 정의 및 분류 신흥 기술을 위한 진화하는 용어 - 설명? 제안? 질문?

27) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26872/

유전자 스위치의 작동 원리

28) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6162385/

네트워크 의학을 향한 복잡한 생물학적 시스템을 탐구하기 위한 네트워크 기반 접근법

29) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3601693/

게놈 연구의 윤리

30) https://en.wikipedia.org/wiki/Horace_Freeland_Judson

호레이스 프리랜드 저드슨, Horace Freeland Judson

31) https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11236976/

게놈에 대해 이야기하기