형광단백질형질전환동물이용성

형광단백질을생산하는형질전환동물의가장큰이

용성은살아있는세포나생체내에서의세포의성장과

분화 양상을 실시간으로 분석이 가능하다는 것이다.

예를들어, 신경세포에서형광단백질을발현하는형질

전환실험동물을생산하고형광단백질형질전환동물

의신경세포를관찰함으로써뇌에서신경세포가성장,

분화및파괴되어가는과정을실험동물이살아있는상

태에서추적할수있다. 이렇듯뇌의신경세포에서형광

단백질을발현하는형질전환모델동물은알츠하이머

병, 파킨스병의발병과정과원인규명연구에활용함

으로써환자치료를위한신약개발및약효검증이가

능하게된다. 따라서특정질환이나세포분화연구를

형광단백질유전자란?

깊은바다속해파리는특유의형광빛을나타내는데

이는해파리세포속의형광단백질이빛을받으면연록

색의빛을발광하기때문이다. 2008년, 시모무라오사무

박사, 마틴챌피박사, 로저첸박사는이러한녹색형광

단백질 (Green Fluorescent Protein, GFP)의유전자

발견과개발공로를인정받아노벨화학상을수상하

다. 해파리로부터 추출한 녹색 형광 단백질 유전자를

세포에주입하면형광단백질이발현하고특정파장의

빛을 쪼여주면 세포가 녹색 빛을 띠게 된다(그림 2).

이러한 녹색 형광 단백질 유전자를 암세포를 포함한

특정세포에주입하면형광단백질이세포에생성되어

세포가살아있는상태에서세포의성장, 움직임그리고

암세포가퍼져가는과정을쉽게눈으로확인할수있

어 생명공학이나 의학 등 다양한 분야에서 활용되고

있다. 현재형광단백질은지속적인연구를통해녹색

뿐만아니라적색 (Red Fluorescent Protein, RFP),

노란색 (Yellow Fluorescent Protein, YFP) 등 매우

다양한형광빛을띠는유전자가개발되어매우폭넓

게사용되고있다(그림2).

과학자들은왜형광빛이나는동물들을개발할까?형광단백질형질전환동물로알아보는유전자변형동물연구개발

서울대학교농생명공학부WCU 바이오모듈레이션전공박태섭책임연구원

KBCH 9392 BioSafety vol.13 no.4 2013

알기쉬운GMO 이야기 과학자들은왜형광빛이나는동물들을개발할까?

그림 1. 형광 빛을내는해파리

그림 2. (A) 녹색 형광단백질을발현하는세포(B) 적색 형광단백질을발현하는세포

그림 3. 형광 단백질을통한암세포성장관찰

위해서는각각의조직별, 기관별로형광단백질을발현

하는실험동물이필요하며, 이러한형광단백질형질

전환실험모델은보다빠르고정확한연구와치료방법

을찾는데큰역할을하고있다. 현재까지가장많이

이용되고있는실험동물은마우스이다. 마우스및형질

전환마우스연구를통해많은학문적진보가있었지만

마우스만으로는충분한실험결과및인간질병에대해

유사한결과를도출하기에는많은제한이있다. 따라서

다양한 연구 목적에 부합하는 다양한 종의 실험동물

및형질전환동물의제작및활용이점점더요구되어

지고있다.

실험동물로써닭은마우스만큼많은장점을보유하고

있다. 무엇보다도닭은포유류와달리모체의 향이

없는알에서배발달을하기때문에배자에대한접근과

처치가 매우 용이하고 배발달 과정을 살아있는 상태

에서실시간관찰이가능하다는장점이있다. 이러한

닭의장점에형광형질전환닭을이용하면무궁무진한

연구를 더욱 정확하고 다양한 방향으로 분석이 가능

하게 된다. 예를 들어, 형광 단백질 유전자가 전이된

닭은배자에서부터형광단백질이생산되어특정빛을

쪼여주면형광빛을보이게된다(그림4). 이러한형광

단백질발현배자의특정세포또는조직이나기관을

형광이 나타내지 않는 일반 배자에 이식하면 배발달

과정 중에 전이한 형광 단백질 발현 세포나 조직의

성장과변화양상을매우쉽게관찰할수있게된다.

이러한 연구를 통해 배발달 과정 중 세포와 기관이

어떻게 분화되는지, 세포들의 어떠한 경로로 이동하

는지, 각 기관이나조직이어느세포로부터유래되었

는지에대한직접적이고정확한관찰이가능하게된다.

따라서 배발달 과정 중에 기관 분화와 발달 연구에

활용함으로써 기능 장애, 구조 결함, 기형 유발 등의

원인을파악할수있게된다.

형광 형질전환 동물 현황 및 형질전환 동물 생산방법

현재까지 형광 형질전환 동물은 마우스를 비롯하여

돼지, 고양이, 개, 닭, 제브라 피쉬 등 다양한 종에서

생산이보고되었다. 마우스의경우에는단순하게형광

단백질이발현되는형질전환마우스뿐만아니라특정

조직또는기관에서만발현되는형질전환마우스, 특정

시기에만 발현되는 형질전환 마우스 및 특정 약물을

처리하 을경우에만형광단백질이발현되는형질전

환마우스등연구목적에맞춰다양한형광형질전환

마우스계통이확립되어있다. 형광형질전환고양이의

경우녹색형광유전자를전이하여생산한미스터그린

이라는형질전환고양이가보고되었으며, 국내연구진

에 의해서도 적색 형광 유전자가 전이된 적색 형광

고양이의 생산이 보고되기도 하 다. 개의 경우에도

KBCH 9594 BioSafety vol.13 no.4 2013

알기쉬운GMO 이야기 과학자들은왜형광빛이나는동물들을개발할까?

그림 5. 적색 형광고양이와녹색형광고양이 그림 6. 녹색 형광단백질을발현하는병아리와닭

그림 4. (A) 녹색 형광단백질을발현하는닭배자(B) 일반 닭배자

국내연구진에의해적색형광단백질유전자가전이

되어생산된형광형질전환개인루피가보고되었다.

실험동물로써인간과유사한생리학적특징을가지고

있는 동물은 돼지이다. 따라서 돼지는 육류 소비를

위한가치뿐만아니라인간질환모델로서도많은잠

재적 가능성을 가지고 있다. 현재 이종장기 생산을

위한 형질전환 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행

중에 있지만 이와 더불어 실험모델로써 이용을 위한

많은 형질전환 관련 연구가 진행 중에 있으며, 형광

형질전환돼지생산도보고되었다. 닭의경우에는주로

바이러스를이용하여형광유전자를전이하는방법으로

형광 형질전환 닭을 생산하 으나 최근에 이르러서

국내연구진에의해바이러스를사용하지않은안전한

유전자전이방법을이용하여녹색형광형질전환닭

생산이보고되기도하 다(그림 6). 노래를하는명금

류중하나인제브라핀치는언어학습과정을연구하

는데실험동물로많이이용되어지고있다. 그러나현재

까지연구는행동학적분석이주로진행중에있으며,

세포생물학적, 분자생물학연구는많은제약이존재

하 다. 최근에녹색형광단백질이발현되는형질전환

제브라핀치생산성공으로세포학적분석이가능하여

뇌신경세포에서의변화양상을통해언어학습능력

평가및과정을연구할수있는좋은도구로이용될수

있을것으로예측된다. 뿐만아니라녹색, 적색, 노란

색등여러종의형광단백질유전자를이용하여형광

물고기인 제브라 피쉬를 생산하여 관상 및 애완용을

위한상업적판매도시도되고있다.

마우스와같은포유류에서는형질전환동물생산방법

으로 유전자의 수정란 직접 주입이나 특정 유전자가

전이된 줄기세포를 이용하 으나 최근에 이르러서는

현재까지형광형질전환동물은마우스를비롯하여돼지, 고양이, 개,

닭, 제브라피쉬등다양한종에서생산이보고되었다.

으로부터생산된혈전색전증예방제인Atryn이미국

식품의약청의 승인을 받아 의약품으로 판매를 하고

있다. 그러나 동물의 특성을 고려하면 동물생체반응

기로가장큰장점을가지고있는동물이닭이다. 상업

종닭은하루에하나씩계란을낳고, 세대기간도짧으

며계란내성분도포유류의유즙에비하여매우단순

하여 분리, 정제가 용이하기 때문에 계란내 원하는

바이오소재및의약단백질을분비할수있는형질전환

닭을생산하면많은양의단백질을매우저렴한비용

으로생산할수있다. 또한유전공학적기법을이용하

여 계란 알러지 유발 단백질 유전자를 제거함으로써

성분조절을통한알러지저감란이나콜레스테롤관련

유전자 조절을 통한 저콜레스테롤 계란 등의 생산도

가능할것으로예측되고있다. 이렇게생산된계란의

경우는GMO 동물자체에대한식품소비가아닌부산

물로써의 소비이기 때문에 안전성 문제도 극복될 수

있을것으로예측된다. 뿐만아니라계란의직접적인

소비가 아닌 계란내 특정 성분만을 분리, 정제하여

식품으로써 소비한다면 GMO의 직접적인 소비와는

전혀별개의문제이기때문에법률적인승인및조속한

산업화도가능할것이다.

형질전환동물의이용성중다른하나는질병에대한

항병성 형질전환 동물 생산이다. 현재 모든 축산에

있어가장문제가되고있는것은질병에의한경제적

손실및국민건강위협이다. 이에 특정질병에대한

항병성유전자전이를통한형질전환개체생산은경

제적손실감소에의한농가수입증대및질병억제에

의한건강증진을꾀할수있을것이다. 질병저항성형

질전환동물생산은기존의수십년이소요되는교배에

의한계통선발에비해매우적극적이며효율적인방

법으로 단기간 내의 항병성 계통 조성이 가능하다는

장점이있다. 최근 국에서는조류독감바이러스에

감염된 닭으로부터 다른 닭으로의 전파를 막는 유전

자를전이하여형질전환닭생산을보고하 다. 이러한

형질전환닭은조류독감에감염이되면감염된개체

는폐사하지만다른닭을감염할수있는바이러스를

생산하지못해급속한질병전파를억제할수있음을

제시하 다. 그러나이러한형질전환동물의경우에는

질병저항성 유전자가 전이된 동물에 대해 직접적인

소비를해야하기때문에식품으로써의안전성등아직

까지 명확하게 해결되지 않은 많은 문제가 존재하고

있다. 또한소, 돼지, 닭등형질전환가축은형질전환

물고기나 형질전환 작물에 비해 야생종으로의 전파

우려와환경에미치는 향이비교적높지않지만이에

대한확실한예방책및규제등에대한추가적인연구

도진행되어야할것이다.

많은연구자들이질환연구를위한특정형질전환마우

스를매우폭넓게활용하고있으며, 한마리에수백만

원을호가하는형질전환마우스계통도있다. 이와같

이형질전환모델동물은학문적연구수단과인간질

병치료를위한가치뿐만아니라산업적가치도매우

높다. 미래에는질환모델로써의산업적가치뿐만아

니라축산, 약학, 의학, 식품공학, 바이오소재등산업

적으로 매우 다양한 분야에서 형질전환 동물이 활용

될것으로예상된다. 이에국가경쟁력확보라는측면

에서많은투자와연구가진행되어야할것이며, 이와

더불어환경과인간에미치는 향에대한명확한분석

과철저한규제는반드시병행되어야할것이다.

KBCH 9796 BioSafety vol.13 no.4 2013

알기쉬운GMO 이야기 과학자들은왜형광빛이나는동물들을개발할까?

핵치환 기법을 이용하여 보다 효율적으로 형질전환

동물을생산하고있다. 일반체세포에특정유전자를

주입하여 선별한 후 형질전환된 세포를 핵치환1)함으

로써형질전환동물을생산하고있다. 그러나닭을포

함한 조류의 경우에는 포유류와 발생학적, 생리학적

차이로 인하여 포유류에서 확립된 형질전환 기법을

이용해서는효율적으로형질전환개체를생산하지못

하 다. 따라서조류의경우에는핵치환기법이나줄

기세포대신배발달초기생식세포인원시생식세포를

이용한 기법이 최근 확립되어 안정적이고 매우 높은

생산효율을보이고있다. 안정적인유전자전이를위

해서초기연구에서주로바이러스를이용한형질전환

방법에 대한 많은 연구가 진행되었으며 바이러스를

이용하여다양한목적의형질전환닭및메추리생산이

보고되기도 하 다. 그러나 바이러스를 매개한 형질

전환 생산 방법은 산업적 활용을 위해서는 바이러스

사용에대한안전성문제때문에많은현실적인제약이

따르고있다. 따라서바이러스를사용하지않은안전한

형질전환연구에대한연구가활발하게진행중에있

으며 최근 국내 연구진에 의해 바이러스를 사용하지

않은방법으로원시생식세포에형광단백질유전자를

전이하여안정적인형광형질전환닭생산체계확립을

보고하기도하 다.

형질전환동물기대와우려

현재전세계적으로형질전환작물에대한사료및식

품소비에대해서는매우빠른속도로증가되고있는

상황이다. 그럼에도 불구하고 형질전환 동물에 대해

서는거부감으로인하여식품으로의소비는전세계적

으로도단한건의승인이없는상황에있다. 아직까지

는생체내분화연구와인간질환모델연구를위해서

형질전환실험동물이많이활용되고있을뿐이다. 기초

연구와더불어형질전환동물에대한식품으로서소비

및의약품생산등다양한분야에서의상업적이용을

위해서는기술적으로우선바이러스를사용하지않은

보다안전적인형질전환방법확립이필요하게된다.

이와같이다양한기법적용과새로운형질전환동물

생산 기법 확립을 위해서도 형광 단백질 유전자는

매우 유용하게 이용되어지고 있다. 즉, 형광 단백질

유전자는 눈으로 쉽게 판별이 가능하기 때문에 안전

하고새로운기술확립과검증에활용되고있다. 향후

안전성이 확보된 형질전환 동물 생산 시스템이 구축

되면상업적목적에맞는다양한유전자전이를통해

다양한 형질전환 동물 생산과 활용이 가능할 것으로

예측된다.

형질전환 동물의 가장 큰 이용성은 바이오소재 및

의약품 생산을 위한 동물생체반응기 생산이다. 미국

GTC Biotherapeutics 社는인간의항혈전유전자를

유산양에주입하여유즙에서인간의항혈전단백질을

분비하는 형질전환 유산양을 생산하 으며, 2009년

세계최초로형질전환동물생체반응기유산양의유즙

그림 7. 혈전색전증예방제 Atryn과 형질전환유산양

1) 핵치환 : 어떤생물체의세포에서핵과세포질의생리적관계등을연구할목적으로다른종의세포에있는핵과바꾸는것을말함. 체세포복제에서는체세포에서핵을

추출한후이미핵이제거된난자에넣어주는기술로사용된다. 아메바등에서는세포수술에의하여직접핵을다른종의것과바꿀수있는데, 이런경우는‘핵이식’

이라고한다. (출처 : Basic 중학생을위한기술·가정용어사전)