20년 실험, 한계에 도달하다
핵이식 3만947회와 한 암컷을 복제해 태어난 생쥐 1,200여 마리 끝에 일본 연구팀은 약 20년간 이어진 실험을 마무리했다. 58세대에 태어난 생쥐 다섯 마리가 모두 다음 날 사망하면서, 연구진이 한때 무한히 이어질 수 있다고 생각했던 계보가 끝났다.
목차
2005년부터 2025년까지 진행된 이 실험에서 반복 복제로 DNA의 유해한 변화가 축적되는 것으로 나타났다. 출생 성공률은 처음에는 1세대 약 7%에서 26세대 15.5%로 높아졌다. 27세대부터 하락하기 시작해 결국 0.6%까지 떨어졌다. 대리모에게 이식한 복제 배아 1,000개당 약 6마리가 태어난 셈이다.
연구 결과는 네이처 커뮤니케이션스에 게재된 연속 복제의 한계에 실렸다. 야마나시대는 연구진 가운데 와카야마 사야카 부교수와 첨단생명공학센터장인 와카야마 데루히코 교수를 연구 발표에서 소개했다.
가장 주목할 결과는 외관과 번식 능력의 차이였다. 계보에 속한 생쥐 다수는 건강해 보였고 약 2년간 살았지만, 후대일수록 복제나 일반 교배로 번식시키기가 점점 어려워졌다.
야마나시대에서 생쥐 복제를 개척한 와카야마 데루히코 교수는 익숙한 비유를 들어 실험의 배경이 된 질문을 설명했다:
복사기로 그림을 복사하면 화질이 약간 떨어집니다. 그 복사본을 다시 복사하면 화질은 더 나빠집니다,
생쥐에서 나타난 변화는 DNA 염기 하나의 변화부터 염색체의 훨씬 큰 조각에 이르기까지 다양했다. 연구진은 이러한 변화의 축적이 결국 출생 성공률 급락과 관련이 있다고 봤다.
복제된 생쥐를 다시 복제한 방법
연구팀은 체세포 핵이식 기법을 사용했다. 체세포는 난자나 정자가 아닌 몸을 이루는 세포다. 연구진은 세포의 유전 정보 대부분을 담고 있는 핵을 꺼내, 자체 핵을 제거한 미수정 난자에 옮겼다.
그다음 난자가 성체 체세포의 핵이 배아 발달을 이끌 수 있도록 유전 정보를 재설정해야 했다. 연구진은 이렇게 만들어진 배아를 대리모에게 이식했고, 살아남은 복제 생쥐의 세포를 이용해 다음 세대를 만들었다.
공여 세포는 난자를 둘러싸고 이를 지지하는 난구세포에서 얻었다. 최초 공여자는 아구티색 털을 가진 암컷 생쥐였다. 아구티색은 털 한 올을 따라 색소 띠가 형성되면서 나타나는 색이다. 복제 생쥐는 모두 암컷이었고 같은 털색을 가졌다.
연구진은 한 해에 약 3~4세대를 만들었다. 매번 최초 공여자의 보관 세포로 생쥐를 직접 만드는 대신, 새로 복제한 생쥐를 거쳐 계보를 반복해서 이어갔다. 이 설계 덕분에 한 세대에서 다음 세대로 전달되는 변화를 추적할 수 있었다.
초기 결과가 유망해 보인 이유
리켄이 2013년 3월 발표에서 소개한 실험은 당시 고무적인 방향으로 이어지고 있었다. 논문 제출 당시 연구팀은 25세대에 걸쳐 생쥐 581마리를 만들었고, 발표 시점에는 26세대에 걸쳐 598마리를 만들었다.
연구진은 옮겨진 핵의 유전자 활동 재설정을 돕는 약물인 트리코스타틴 A(TSA)를 사용했다. 이전의 반복 생쥐 복제 실험은 약 6세대에 그쳤다. TSA와 개선된 실험 조건을 적용하자 출생 성공률은 꾸준히 하락하지 않고 오히려 높아졌다.
이 시점에는 건강, 생식력, 수명, 염색체 말단에 대한 측정 결과도 안심할 만한 수준이었다. 이에 연구진은 복제를 무한히 이어갈 수 있을지도 모른다고 생각했다. 같은 계보를 10년 더 추적하면서 처음 25세대에서는 드러나지 않았던 문제가 나타났다.
주요 이정표를 보면 결론이 어떻게 바뀌었는지 알 수 있다:
- 2005년: 연속 복제를 시작했다. 최종 논문은 시작 시점을 1월로 기록했지만, 리켄의 2013년 자료는 연말로 적었다.
- 2013년 3월 8일: 리켄은 26세대에 걸쳐 생쥐 598마리를 만들었고 출생 성공률이 약 15%에 이르렀다고 발표했다.
- 27세대 이후: 세대별 차이는 있었지만 출생 성공률이 지속해서 하락하기 시작했다.
- 2025년: 58세대에 태어난 생쥐 다섯 마리가 모두 다음 날 사망하면서 실험이 종료됐다.
DNA 내부에는 어떤 변화가 있었나?
유전체 염기서열 분석에서 1세대와 57세대 사이에 단일염기 변이 약 3,700개와 소규모 삽입·결실 80개가 확인됐다. 단일염기 변이(SNV)는 DNA 염기서열의 한 글자가 바뀌는 것이다. 삽입이나 결실은 염기서열의 짧은 구간이 추가되거나 사라지는 변화를 뜻한다.
논문에 따르면 세대당 평균 단일염기 변이는 69.4개, 소규모 삽입·결실은 1.4개였다. DNA 변화 중 다수는 영향이 미미하지만, 일부는 정상적인 발달이나 생식에 필요한 유전 지침을 방해한다.
비교를 위해 연구진은 약 20년 동안 형제자매끼리 교배해 60세대에 걸쳐 유지한 생쥐 계통 두 개를 조사했다. 해당 계통에서는 세대당 단일염기 변이가 평균 22.3개 축적됐다. 69.4개와 22.3개를 비교하면 복제 계보의 변이 발생률은 약 3.1배 높았다.
단백질을 손상하거나 바꿀 것으로 예측된 소규모 변이의 비중도 높아졌다. 1~23세대 사이에 발생한 변화에서는 0.52%였으나, 23~57세대 사이에 발생한 변화에서는 1.19%로 늘었다.
연구진은 생쥐의 DNA를 바탕으로 가계도도 재구성했다. 기록된 실험 계보와 일치해 실험 내내 계보가 최초 공여자의 후손으로 이어졌음을 확인했다.
염색체의 큰 변화도 부담을 더했다
생쥐에서는 DNA 염기 하나의 변화뿐 아니라 더 큰 변화도 축적됐다. 염기서열 분석 결과 1세대와 57세대 사이에 DNA 배열이나 양의 큰 변화를 뜻하는 새로운 구조 변이가 약 80~84개 확인됐다.
이 가운데 16개는 DNA 염기 4만 개 이상에 해당하는 구간과 관련된 큰 변이였다. X염색체 하나의 소실, 4번 염색체의 주요 변화, 7번 염색체와 9번 염색체 사이의 물질 교환이 확인됐다.
연구진은 X염색체 소실을 계산에 넣기 전에도 57세대에서 유전자 기능을 상실시킨 돌연변이가 약 30개, 유전자가 암호화하는 단백질의 지침을 바꾼 변이가 약 50개 있었던 것으로 추산했다. 큰 결실 두 개는 같은 영역에 영향을 미쳐 Csmd1이라는 유전자의 두 사본 모두 기능을 없앴다.
저자들은 돌연변이의 누적 부담이 출생률 하락과 관련 있다고 설명했다. 실험 말기에 추가로 발생한 유해한 변화가 이미 큰 변이 부담을 안고 있던 유전체를 발달 중인 생쥐가 감당하기 어려운 수준으로 밀어붙였다는 것이다.
변이 발생률이 높아진 원인은 아직 밝혀지지 않았다. 체세포 핵을 반복해서 옮기는 과정이 원인일 수 있으며, 체세포는 동물이 살아가는 동안 돌연변이를 축적할 수 있다. 일반적인 유성생식이 없는 점도 돌연변이가 세대를 거쳐 전달되는 방식에 영향을 준다.
유전자 활동 재설정만으로는 충분하지 않았다
복제에는 DNA를 난자에 옮기는 것 이상의 과정이 필요하다. 난자는 어떤 유전자가 활성화되는지를 결정하는 화학적 표지도 재설정해야 한다. 이러한 표지는 DNA 염기서열을 바꾸지 않고 DNA가 사용되는 방식을 조절하기 때문에 후성유전 표지라고 한다.
연구진은 재설정 과정의 실패가 복제 회차가 거듭될수록 악화될 수 있다고 의심했다. 하지만 측정 결과, 후대의 출생률 하락을 설명하는 주된 원인은 DNA 돌연변이의 축적으로 나타났다.
복제 생쥐에서는 생쥐 복제의 특징으로 알려진 태반 비대가 관찰됐다. 실험 기간 복제 생쥐의 태반 무게는 평균 약 0.30g으로, 체외수정을 통해 태어난 대조군의 0.11g보다 무거웠다. 그러나 세대가 거듭될수록 태반 무게가 계속 증가하지는 않았다.
초기 배아의 후성유전 표지 여러 가지를 검사한 결과, 새로 만든 복제 생쥐와 51세대 복제 생쥐에서 전반적으로 유사한 양상이 나타났다. TSA는 계속 효과를 보였다. 51세대 출생 성공률은 TSA를 처리한 경우 5.4%, 처리하지 않은 경우 1.6%였다.
염색체 말단에 있는 보호 DNA 서열인 텔로미어도 또 다른 원인 후보였다. 후대 유전체 분석에서는 조사한 세대에 걸쳐 텔로미어가 크게 짧아졌다는 증거가 거의 나오지 않았다. 여러 검사 결과를 종합하면 DNA 염기서열과 염색체 구조 변화의 누적 부담에 주목할 필요가 있었다.
건강해 보이는 생쥐도 새끼 수는 줄었다
일반 교배를 통해 외관만으로는 알아차리기 어려웠던 생식력 저하가 드러났다. 20세대 암컷은 정상 수컷과 교배했을 때 한 배에서 평균 9.9마리를 낳아, 대조군의 10.3마리와 비슷했다.
평균 한 배 새끼 수는 이후 50세대에서 2.8마리, 55세대에서 2.2마리로 줄었다. 55세대의 수치는 새끼 2.2마리와 대조군 평균 10.3마리를 비교하면 약 79% 낮았다.
호르몬 자극 후 채취한 난자 수는 복제 세대가 진행돼도 줄지 않았다. 이에 연구진은 난자가 활성화되거나 수정된 뒤 어떤 일이 일어나는지 살폈다.
정상 수컷의 정자로 실험실에서 난자를 수정했을 때, 대조군 배아의 97.6%가 착상 전 초기 단계인 배반포에 도달했다. 이 비율은 25세대 복제 생쥐의 난자에서 39.7%, 53세대 복제 생쥐의 난자에서 20.3%였다.
56세대 난자를 이용한 실험에서는 핵과 핵을 둘러싼 세포질 모두에 문제가 있는 것으로 나타났다. 어느 한쪽을 대조군 난자의 구성 요소로 바꿔도 발달률은 여전히 매우 낮았다. 난자의 두 구성 요소가 모두 손상된 것으로 보였다.
유성생식으로 일부 생식력이 회복됐다
후기 세대 복제 생쥐의 일부 자손은 살아남아 더 성공적으로 번식했다. 55세대 복제 암컷은 한 배에서 평균 2.2마리를 낳았지만, 그 자손은 이후 평균 7.0마리를 낳아 세 배 넘게 늘었다.
이 후손 세대의 태반도 복제 생쥐에서 흔히 나타나는 비대 태반이 아니라 수정으로 만들어진 배아의 태반과 비슷한 크기였다.
유성생식에서는 난자와 정자가 형성될 때 유전 물질이 재조합되고, 수정 시 다른 부모의 DNA와 결합한다. 한쪽 부모의 기능하는 유전자 사본이 다른 쪽 부모의 손상된 사본을 보완하는 경우도 있다. 심각한 유전적 문제가 있는 배아는 발달을 멈출 수 있지만, 생존 가능한 조합을 가진 배아는 살아남는다.
자손은 복제 암컷에게서 돌연변이를 물려받았다. 유전체 염기서열 분석에서는 자식 세대와 손자 세대 모두에서 변이가 확인됐고, 7번 염색체와 9번 염색체 사이의 교환도 포함됐다. 연구진은 변화된 두 염색체가 함께 유전돼 염색체 교환의 균형이 유지됐을 가능성을 제시했다.
따라서 한 배 새끼 수의 개선은 유성생식을 통한 부분적인 생식력 회복을 시사한다. 후손은 복제 과정에서 축적된 유전적 변화 일부를 계속 보유하면서도 더 잘 번식할 수 있었다.
보전과 축산에 주는 의미
저장된 세포를 이용하면 죽었거나 번식할 수 없는 동물의 유전 물질을 보존할 수 있어 복제는 보전 분야의 관심을 끈다. 축산에서는 가치 있는 형질을 지닌 동물을 번식시키는 방법이 될 수 있다. 이번 실험은 이러한 활용에서 공여 DNA의 상태와 후손의 생식 건강에 주의를 기울여야 하는 이유를 보여준다.
이번 연구 결과는 연속된 공여자를 거치는 장기간의 반복 복제에 관한 것이다. 58세대는 이 실험 조건에서 해당 생쥐 계보가 도달한 최종 단계다. 다른 계보나 포유류 종에서 가능한 세대 수는 알려져 있지 않다.
연구에 참여하지 않은 캘리포니아대 데이비스 캠퍼스의 발달내분비학자 카타르지나 말린은 이번 연구 결과가 위기에 처한 뒤 복제로 구제하는 데 의존하기보다, 종이 위기에 이르지 않도록 하는 보전 방안에 힘을 싣는다고 말했다.
보전단체 리바이브 앤드 리스토어의 벤 노박은 동물의 생애 동안 체세포 조직에 축적되는 돌연변이의 중요성을 강조했다. 공여 세포에는 고유한 DNA 변화의 이력이 담겨 있으며, 그 세포가 다른 동물의 출발점이 될 때 이 점이 중요하다.
이번 연구는 실용적인 교훈 두 가지를 제시한다. 복제는 여러 세대 동안 동물의 유전 물질을 활용할 수 있게 하지만, 건강한 후손을 유지하려면 시간이 흐르면서 DNA에 어떤 일이 일어나는지도 중요하다. 이 실험에서는 복제 계보가 끝에 가까워진 뒤 일반 교배를 통해 일부 후손의 생식력이 회복됐다.
핵심 내용
- 연구진은 핵이식 3만947회를 시도해 최초 암컷 한 마리에서 연속 복제로 생쥐 1,200여 마리를 만들었다.
- 출생 성공률은 26세대에서 15.5%로 정점을 찍은 뒤 실험 말기에 0.6%까지 떨어졌다.
- 58세대 생쥐 다섯 마리가 모두 태어난 다음 날 사망하면서 2025년 계보가 끝났다.
- 복제 계보에서는 형제자매 교배로 유지한 비교 계통보다 세대당 DNA 염기 하나의 변화가 약 세 배 더 많이 축적됐다.
- 유해한 DNA 돌연변이와 큰 염색체 변화가 축적됐지만, 측정된 후성유전 이상은 점차 악화되지 않았다.
- 일부 후손은 유성생식으로 생식력이 개선됐지만, 유전된 돌연변이는 남아 있었다.
