차세대 염기 서열 분석과 생명 방정식 해독의 꿈, 그리고 맞춤형 아기의 등장.

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애플의 창업자 스티브 잡스(Steve Jobs)는 췌장암에 걸려 죽음과 맞서 싸우던 시절, 유전체 분석에 마지막 희망을 걸었다. 췌장암을 처음 확인한 게 2003년 10월, 잡스는 수술을 거부하고 채식과 민간 요법, 심령술에 의존했고 종양이 걷잡을 수 없이 확산된 2004년 7월에서야 수술을 받았으나 효과가 없었다.

잡스가 죽고난 뒤에 알려진 사실이지만 잡스의 자서전에 따르면 죽기 직전 유전자 분석에 쏟아부은 비용이 10만 달러에 육박했다고 한다. 스탠포드대와 하버드대 등의 최고의 의료진이 합류했으나 안타깝게도 췌장암을 유발하는 유전자 변이를 치료할 수 있는 약을 찾지 못했고 결국 2011년 10월 세상을 떠났다. 조금 더 일찍 유전자 분석을 시작했거나 유전자 분석 기술이 조금 더 발전한 이후에 시도했더라면 성공했을 수도 있다.

잡스가 남긴 이 말은 거의 사실에 부합한다고 할 수 있다.

“나는 유전자 분석으로 암을 치료한 최초의 사람이거나 이런 방법을 썼음에도 죽은 거의 마지막 사람 중 한 명이 될 것이다.(I’m either going to be one of the first to be able to outrun a cancer like this, or I’m going to be one of the last to die from it.)”

유전체 분석과 정밀의학의 시대.

스티브 잡스는 스마트폰 뿐만 아니라 유전체 분석과 정밀의학의 태동에도 중요한 업적을 남겼다.

암은 유전자가 복제되는 과정에서 계속해서 돌연변이가 일어나 세포 분열이 무한 반복되는 질병이다. 유전자 정보를 정확하게 분석할 수 있다면 정상 세포와 암 세포의 게놈을 분석한 뒤 변형이 일어난 DNA를 찾아 비정상적인 세포 기작을 일으키는 유전자를 확인한 뒤 이 유전자를 타겟으로 하는 약을 처방하거나 시술하는 치료가 가능하게 된다.

아무리 치료법이 없는 췌장암이라고 하더라도 정확한 원인을 알면 해법을 찾을 수 있다. 스티브 잡스의 경우처럼 끝내 찾지 못할 수도 있지만 시도조차 해보지 않는 것보다는 훨씬 가능성이 높다.

차세대 염기 서열 분석(Next Generation Sequencing, NGS) 기술이 생명 연장의 꿈을 현실로 끌어내고 있다. 사람의 유전자 정보를 탈탈 털어서 데이터베이스로 구축할 수 있다면, 그리고 그 방대한 정보를 다시 조합하거나 현실의 데이터와 결합할 수 있다면 지금까지 상상도 할 수 없었던 많은 일이 가능하게 될 것이다.

1990년에 시작한 인간 게놈 프로젝트(HGP·Human Genome Project)는 2003년이 돼서야 처음으로 전체 염기 서열을 해독할 수 있었다. 32억 쌍에 이르는 인간의 게놈 염기 서열 정보를 처음 완성하기까지 13년의 시간과 3조 원 상당의 비용이 필요했다. 그나마도 당초 15년을 예상했는데 컴퓨터와 데이터 기술의 발달로 앞당겨진 것이다.

유전체(SNPs: single nucleotide polymorphism) 분석은 2006년에 처음 상용화된 데 이어 전산 기술의 발달과 맞물려 엄청난 발전을 거듭해 왔다. 미국 국립인간게놈연구소(NHGRI)에 따르면 유전체 정보 분석 비용은 2001년에는 9526만 달러에서 2003년에는 4016만 달러로 줄었다가 2005년에는 1380만 달러, 2007년에는 714만달러까지 줄었다. 2014년부터는 1000달러 수준으로 낮아졌다. 100만 원 남짓이면 하루 만에 유전체 정보를 판별해 주는 업체도 등장했다. 가까운 미래에 10달러 미만까지 떨어질 것이라는 언론 보도도 있었다.

NGS는 하나의 유전체를 수많은 조각으로 분해한 뒤 각각의 조각을 동시에 읽어들여 다시 조합하는 방식으로 유전체 정보를 빠르게 해독하는 기법이다. 조각들을 병렬적으로 한꺼번에 2000만 개씩의 염기를 분석하기 때문에 비용과 시간을 크게 줄일 수 있다.

23개의 염색체의 전체 염기 서열을 분석하는 전장 유전체 분석(Whole Genome Sequencing, WGS)의 경우 한 사람에 120GB의 데이터를 분석해야 한다. 그래서 일반적인 분석에서는 단백질로 전사되는 엑솜(Exome) 부위만 시퀀싱하는 엑솜 시퀀싱(Whole Exome Sequencing)이라는 기법을 쓴다. 엑솜의 염기서열은 30억 개 염기 가운데 4500만 개 정도인데 이 경우 데이터가 8GB 정도로 줄어든다.

세계 최대 유전자 분석 업체인 일루미나(Illumina)는 DNA를 단편으로 자른 뒤, 양쪽에 다른 종류의 어댑터를 붙여 만든 라이브러리를 이용한다. 분석 단가를 획기적으로 줄였다는 장점이 있지만 한번에 읽을 수 있는 염기 서열의 길이가 상대적으로 짧다는 게 단점으로 지적된다. 일루미나의 세계 유전자 정보 분석 시장의 점유율은 70% 이상이다.

일루미나는 2014년 헬스케어 컨퍼런스에서 1000달러 게놈 시대를 예고 했는데 3년 뒤인 2017년에는 100달러 시대가 가능한 날이 멀지 않았다고 선언했다.

루카스 와트맨과 안젤리나 졸리.

유전자 치료의 미래를 가늠하게 하는 두 가지 사례가 있다.

먼저 루카스 와트맨(Lukas Wartman)의 사례. 혈액종양 전문 외과 의사인 루카스 와트맨(Lukas Wartman)은 의과대학 졸업을 앞둔 2002년 급성 림프구 백혈병에 걸렸다는 사실을 알게 된다. 화학 치료를 마치고 완치됐다는 평가를 받았으나 5년 뒤에 다시 암이 재발한다. 결국 시한부 6개월이라는 진단을 받고 최고의 의료진이 모두 포기할 무렵, 와트맨도 잡스처럼 유전자 치료에 마지막 희망을 걸기로 한다.

여기까지는 잡스와 크게 다를 바 없었다. DNA를 분석한 결과 변형 DNA가 여럿 발견됐지만 마땅한 치료약을 발견하지 못했다. 대신 FLT3이라는 유전자의 변이가 문제라는 사실을 확인했다. FLT3는 정상 세포에서 세포를 성장시키는 역할을 하는데 이 FLT3이 암 세포의 성장을 돕고 있을 가능성이 있었다. 다행히도 화이자에서 만드는 신장암 약 가운데 하나가 FLT3을 억제하는 기능이 있었지만 한 번도 혈액암에 투여한 사례는 없었다.

와트맨은 직접 임상 실험을 자처했고 놀랍게도 2주 만에 완전히 백혈병을 치유할 수 있었다. 와트맨은 맥도넬게놈연구소에서 IBM 왓슨을 이용해 암 유전체학 연구를 계속하고 있다.

두 번째 사례는 안젤리나 졸리(Angelina Jolie)다. 졸리는 2013년 5월 뉴욕타임스 기고에서 유전자 검사를 받은 뒤 자신이 유방암에 걸릴 확률이 매우 높다는 사실을 알게 됐고 예방 차원에서 유방을 절제했다고 밝혔다. 졸리의 어머니는 난소암으로 세상을 떠났는데 유전자 검사 결과 졸리 역시 브라카(BRCA)라는 유전자에 돌연변이가 있어 유방암에 걸릴 확률이 일반인보다 수십 배나 높은 것으로 확인됐다.

브라카 유전자는 유방이나 난소세포 안에서 DNA 복제에 이상이 생기면 수리해주는 역할을 하는데 지금의 의학 기술로는 브라카 유전자를 치료할 방법이 없다. 졸리가 70세까지 생존할 경우 유방에 걸릴 확률이 87%까지 올라갈 수도 있는 상황이었다. 결국 졸리는 13%의 가능성에 기대를 걸기 보다는 수술을 받기로 결정했다.

졸리가 받은 유전자 검사가 바로 NGS 기술을 활용한 것이다. 브라카 유전자의 변이를 확인하려면 BRCA1 유전자는 7000개, BRCA2는 1만1000개의 염기 서열을 해독해야 한다. 이 경우는 여러 유전자의 복제수를 동시에 측정하는 MLPA(Multiplex Ligation dependent Probe Amplification) 기법을 사용했다.

루카스 와트맨이 우리가 미지의 질병을 치유할 수 있는 가능성을 보여준다면 안젤리나 졸리는 예방과 선제적 치료의 가능성을 보여준다.

2013년 4월 미국에서는 간 이상으로 생명이 위태롭던 생후 2개월 아기를 유전자 검사로 살린 사례도 있었다. 아이와 부모의 유전자 정보를 검사한 결과 희귀 돌연변이 유전자를 발견했고 면역 억제제를 투여해 목숨을 구할 수 있었다. 유전자 돌연변이 때문에 면역 시스템이 과도하게 활성화되면서 이상이 나타났다는 사실을 유전체 검사를 통해서 확인한 것이다.

한국에서도 2017년 보건복지부가 NGS 검사를 건강보험 급여 항목에 포함시켜 비교적 저렴한 가격에 유전자 검사를 할 수 있다. 위암과 유방암, 난소암 등 고형암 10종과 혈액암 6종, 유전질환 3종 등에 대해 50%까지 급여 지원을 받을 수 있다.

유전자 정보 분석 비용이 낮아지면 낮아질수록 질병을 조기에 발견할 가능성이 높아질 것이고 건강검진에 포함시킬 수도 있을 것이다. 안젤리나 졸리 뿐만 아니라 모든 국민들에게 브라카 유전자의 변이 여부를 확인하는 검사를 실시하는 것도 가능하게 된다. 유방암은 물론이고 발병할 가능성이 있는 질병을 미리 예측하거나 조기에 발견해 치료할 수도 있다.

한국 사람들이 많이 걸리는 폐암 역시 EGFR이라는 유전자의 돌연변이가 원인이라는 연구 결과가 나와 EGFR의 활동을 저해하는 약품으로 폐암을 치료하는 임상 실험이 진행 중이다.

최근 주목받고 있는 유전자 가위 기술을 활용하면 불치병을 치료하거나 유전자를 교정하는 치료도 가능하다. 특정 DNA에만 결합하는 RNA와 특정 DNA를 잘라낼 수 있는 기술이다. 최근의 연구에서는 혈우병의 원인이 X염색체 8번에 부분적 변형이나 소실 또는 중첩 때문인 것으로 확인되기도 했다. 변형된 유전자를 잘라서 뒤집어줄 수 있다면 혈우병의 근본 원인을 해결할 수 있게 된다.

퍼스널라이즈가 아니라 세그먼티드 또는 타켓티드.

구글이 투자한 23앤드미(23andMe)는 질병 위험도 예측 검사를 가장 먼저 사업화한 기업이다. 침(타액)만으로도 65만 개의 유전체를 분석해 50개 이상의 유전적 질병의 위험 인자 보유 여부, 120개 이상의 질병의 발병 확률 등의 분석 결과를 제공한다.

미리어드제네틱스(Myriad Genetics)는 안젤리나 졸리의 유방암 발병 가능성을 진단했던 그 회사다. 2015년 기준으로 100만 명 이상의 BRCA 유전자를 분석한 결과를 보유하고 있다. 미국 연방대법원은 2009년 이 회사가 보유하고 있는 유전자 정보의 특허권을 취소해 달라는 시민단체의 청구를 받아들였다. 그 결과 특허는 취소됐지만 여전히 매출은 꾸준히 성장하고 있다. 방대한 고객 데이터가 특허 못지 않게 중요한 핵심 기술이라고 할 수 있다.

유전자 연구는 개인화 수준을 넘어 세분화된(segmented) 정밀의학(Precision Medicine)이 본격화하는 시대를 앞당기고 있다. 이미 IoT와 빅데이터 기술을 활용한 생활 습관과 개인 건강 정보를 결합해 맞춤의료(Personalized Medicine)로 진입한 지 오래다.

여기에 유전자 정보가 결합되면 선천적인 조건과 후천적인 영향에 대한 광범위한 정보를 조합할 수 있게 된다. 병원 진단 기록과 의약품 복용 기록 등의 정보는 병원에 저장되지만 식사 습관과 운동량, 미세먼지 등 유해 물질 노출 정도, 흡연과 음주 기록 등을 모두 종합할 수 있다면 후천적인 변수를 크게 줄일 수 있다. 활동량은 물론이고 심박수와 심전도 데이터를 축적하는 애플워치 같은 스마트 디바이스의 보급도 생명 방정식의 해독을 앞당기고 있다.

생명 방정식 해독을 위한 도전.

술을 잘 못 마시는 사람들은 ALDH 유전자에 돌연변이가 있어 아세트알데하이드가 체내에 오래 머물기 때문일 가능성이 크다. CYP1A2 유전자에 변이가 있는 경우 커피의 대사가 느려져서 카페인 효과가 더 크게 나타난다. CYP1A2 유전자는 유방암을 억제하는 효과가 있는 것으로 확인됐다. 이처럼 이미 밝혀진 유전자의 원인도 있지만 밝혀지지 않은 것들은 어느 정도인지 가늠하기도 쉽지 않다.

이를 테면 당뇨병이 발병하는 사람과 아닌 사람의 차이가 생활 습관의 차이일 수도 있지만 근본적으로 유전자의 차이일 수도 있다. 우울증에 걸리는 사람과 걸리지 않는 사람의 차이 역시 마찬가지다. 좀 더 나가서 민주당 지지자와 공화당 지지자의 정치적 성향 역시 유전자의 영향과 무관하지 않을 수도 있다.

음식이나 꽃가루 알러지를 완벽하게 파악할 수 있을 것이고 한 번도 마셔보지 않았지만 내가 좋아할 것 같은 와인을 추천 받을 수 있는 세상으로 가고 있다. 맞춤형 화장품과 맞춤형 건강식품은 물론이고 맞춤형 식단에 자연스럽게 의존하게 될 것이다.

유방암 뿐만 아니라 다른 질병에 대한 유전자 변이를 추적하게 될 것이고 단순히 개인화가 아니라 세분화된 타겟 진료와 예방적 진단이 가능하게 된다.

만약 부부가 희귀 질환 유전자를 보유하고 있다면 자녀들에게도 이 질환이 발병할 가능성이 매우 높다. 유전체 정보를 정확히 분석할 수 있다면 이 유전자가 없는 난자를 선택해서 인공 수정을 하는 것도 가능하게 된다. 비침습적인 태아 진단도 가능하게 됐다. 임신부의 혈액에서 태아 세포를 추출해 다운증후군 등의 유전 질환을 조기에 진단할 수 있다.

좀 더 나가서 유전체 정보에 대한 분석이 집적되면 우성 유전자만 모아서 인공 수정을 하려는 시도도 생겨날 것이고 가까운 미래에 ‘맞춤형 아기(Designer baby)’가 사회적 문제로 등장할 가능성도 있다. 유전자 금수저와 유전자 흙수저의 계급 사회로 가는 것 아니냐는 우스갯 소리가 황당무계하게 들리지 않는 것도 이런 배경 때문이다.

이미 중국에서는 유전자 가위 기술을 활용해 에이즈에 대한 면역력을 갖도록 유전자를 편집한 쌍둥이 아기들이 탄생하기도 했다. 이 경우 CCR5라는 유전자의 기능을 인위적으로 제거한 것인데 자칫 웨스트나일 바이러스 등의 감염에 취약해질 우려가 있다는 지적도 나왔다. 에이즈에 걸릴 확률이 줄어들었지만 알 수 없는 다른 질병에 노출될 가능성을 고려하지 않은 것이다.

이른바 크리스퍼(CRISPR) 가위라고 불리는 유전자 가위 기술은 21세기 생명과학 분야 최고의 발명으로 꼽히지만 심각한 윤리적 문제와 부작용에 대한 논란을 안고 있다.

대표적인 문제가 ‘표적이탈 효과’와 ‘모자이크 현상’이다. 유전자 가위가 다른 유전자 염기 서열을 건드려서 예상하지 못한 부작용을 만들 수도 있지만 일부 세포에만 작용해 여러 버전의 유전자 서열을 만들 수도 있다. 족집게처럼 비정상적인 유전자만 치료할 수 있으면 좋겠지만 중국의 크리스퍼 아기의 경우 이런 우려가 명확하게 검증되지 않았다.

경험하지 못한, 이미 다가온 미래.

생명 연장의 꿈은 단순히 희귀 질병을 치료하거나 예방하는 데 그치지 않고 좀 더 완벽한 유전자를 대물림하는 욕망으로 나타날 것이다. 김은기 인하대 교수는 중앙일보 기고에서 치료와 개량의 경계를 지적한 바 있다.

“말 타면 종 부리고 싶다. 치료를 넘어 더 좋아진다면 부모로서는 욕심을 낸다.”

우리는 한 번도 겪어보지 못한 미래로 진입하고 있다. 가까운 미래에 모든 신생아의 유전자 정보를 국가가 관리하는 시대가 올 수도 있다. 이미 중국은 국가 차원에서 유전자 정보 지도를 구축하고 생체 실험까지 서슴지 않고 있다. 일루미나의 장비를 가장 많이 사들이고 있는 나라가 중국이다.

애플과 구글 등 유전자 정보와 헬스케어 데이터를 취합하려는 테크놀로지 기업들의 경쟁도 더욱 치열해질 것이다. 개인이 유전자 정보 공유를 거부할 경우 상대적으로 질병에 걸릴 확률이 높아질 뿐만 아니라 예방적 진단과 진료에서도 배제될 수도 있다. 아마도 개인의 의지에 따라 건강 정보를 제공하고 실제로 생명 연장의 꿈을 이룰 수도 있겠지만 빅 데이터와 빅 메트릭스의 결합이 인류를 거대한 빅 브라더와 파놉티콘의 세계로 이끌 가능성을 배제할 수 없다.

단순히 의료 윤리를 경계하는 것 만으로는 부족하다. 유전자 정보의 공적 관리와 프라이버시 보호, 정보의 독점과 남용, 인간의 존엄성과 존중에 대한 지구적 합의가 필요한 때다.

죽음을 앞두고 있던 루카스 와트맨은 내 몸을 내가 책임진다고 생각했겠지만 지금의 유전체 분석과 조작 기술은 자칫 프랑켄슈타인이나 지킬 앤 하이드를 낳을 위험을 안고 있다. 생명 방정식을 해독한다면 인류의 수명이 획기적으로 늘어날 수도 있겠지만 그 부작용에 대한 고려가 부족한 상황이다.

(학교 과제로 쓴 에세이. 기록 차원에서 저장.)