30. 동물 복제 방법

유전공학의 발달로 DNA 복제뿐만 아니라 동물을 복제하는 기술까지 발전하게 되었습니다. 동물 복제 방법으로는 생식세포 복제법과 체세포 복제법 두 가지가 있으며 각 복제법에 대하여 과정을 알아보도록 하겠습니다.

A. 생식 세포 복제

암컷 난자와 수컷 정자를 결합한 수정란을 나누는 과정에서 난자 세포(분열 세포)를 분열시키거나 분리하는 수정란 분열법과 수정란에서 핵을 분리해 미리 제거한 난자에 이식하는 핵 이식법이 있습니다. 이 방법은 기존의 생명체를 복제하는 것이 아니라 미래의 생명체를 복제하는 방법으로 일란성 쌍둥이나 일란성 다둥이를 생산하는 것과 같은 개념입니다. 이 방법을 이용한 포유류 복제는 1983년 McGrath와 Solter의 마우스 복제에서 시작되었습니다.

 

① 수정란 분할법
수정란이 4 세포 또는 8 세포 단계에서 발달하면 현미경으로 날카로운 도구를 사용하여 두세 개 또는 네 개의 동등한 부분으로 나뉩니다. 또한 수정란의 깨진 공은 효소를 사용하여 물리적으로 분리하고 체외에서 배양하여 정상적으로 발달시킨 후 대리모에게 이식하여 임신시키면 동일한 유전 형질을 가진 여러 마리의 동물이 태어납니다.

 

② 생식 세포 핵 이식
핵 이식을 통한 복제 과정은 (1) 수핵 세포질(난자) 준비, (2) 기증된 핵 세포 및 핵 이식 준비, (3) 난자 활성화 및 재프로그래밍, (4) 복제 수정란 배양, 대리모 이식으로 구성됩니다. 생식세포 핵 이식 방법에서는 수정란을 기증된 핵 세포로 사용합니다. 수정란은 16세포기나 32세포기와 같은 단계에서 체외로 채취하여 단백질 분해 효소를 사용하여 외막을 제거하고, 각 분열된 구의 결합을 이완시켜 동일한 유전 정보를 가진 16개 또는 32개의 분열구 핵을 분리합니다. 핵 이식 수정란은 별도의 암컷(탈핵)에서 채취한 난자에서 핵을 추출한 후 세포 활성화 과정을 통해 MII(메타페이즈 II) 그룹 수핵 난자를 만들고 미리 준비된 분열핵을 삽입하여 생산합니다. 세포를 전기 자극 등의 처리를 통해 핵 이식 수정란에 융합하여 인큐베이터에서 7~8일 동안 배양하면 16~32세포기의 수정란 16개 또는 32개가 생성됩니다. 이를 핵 이식 복제 수정란이라고 합니다. 이 과정을 반복하면 이론적으로 하나의 수정란에서 수십만 개 또는 수천 개의 수정란을 만들 수 있습니다. 복제 수정란을 대리모에게 이식하면 동일한 유전 형질을 가진 복제 동물을 생산할 수 있습니다.

 

B. 체세포 복제

기존 유기체의 몸을 구성하는 체세포를 제거하여 기증된 핵 세포로 사용하는 방법입니다. 이러한 체세포 복제는 정자와 난자의 수정 과정 없이도 생명을 만들 수 있습니다. 이 방법으로 영국의 윌머트는 1997년 양의 유방 세포에서 분리한 핵을 사용하여 복제 양 '돌리'를 만들었습니다.
체세포 복제의 과정은 생식세포 핵 이식과 비슷합니다만, 기증된 핵 세포는 생식세포가 아닌 체세포에서 사용된다는 차이점이 있습니다. 각 단계에 대한 간략한 설명은 다음과 같습니다.

 

① 수핵 세포질의 준비
수핵 난자는 체세포를 받아들여 복제하고 생명체를 발달시키는 배지 역할을 하며, 생물체에서 채취한 난자를 사용합니다. 미성숙한 난자를 배양액에서 배양하여 성숙한 난자가 된 다음 세포질의 일부와 함께 핵을 제거하여 신체 세포와 융합하여 핵 이식을 합니다.
일반적으로 제1극체 주위 세포질의 15~40%는 MII(메타페이즈 II) 난자를 사용하여 cytoskeletal inhibitor인 cytochalasin B를 처리하여 미세 작동을 통해 제거하고 탈핵합니다. 또한 난자의 투명대 절개 후 즉시 짜서 세포질과 핵의 일부를 제거하는 데도 사용됩니다.

 

② 기증된 핵 세포의 준비 및 핵 이식
체세포를 기증자 핵으로 사용할 때 이미 분화된 세포의 세포 시계를 미분화 상태로 되돌리기 위해서는 세포 분열 또는 분화가 멈춘 GO 단계에서 조절해야 합니다. 체세포 배양은 일반 세포 배양과 동일한 방식으로 수행됩니다. 혈청 농도를 배양액의 일반 수준의 20배로 희석하는 혈청 기아 배양법(serum starvation culture)은 세포 시계를 일종의 휴지기 GO 그룹으로 유도합니다. 기증된 핵의 이식을 수혜자 난자에 이식하는 것은 두가지 방법(세포 융합과 세포질 내 세포 주입)이 있습니다. 간단하고 재현성이 높은 전기 자극을 통한 융합이 일반적으로 사용됩니다. 세포 내 직접 주입 방법은 인간 불임 클리닉에서 사용되는 세포질 내 정자 주입(intracytoplasmic sperm injection, ICSI)을 응용한 것으로, 핵의 크기가 작을 때 사용할 수 있습니다.

 

③ 난자 활성화 및 재프로그래밍
일반적으로 난자와 정자가 결합한 자연 수정에서는 정자에서 특정 성분이 작용하여 난자를 활성화하고 생명의 탄생이 시작됩니다. 체세포 복제에서는 자연 수정과 같은 기증된 핵을 활성화하는 과정을 통해서만 정상적인 개체 생산이 가능하므로 인위적으로 난자 활성화를 유도할 필요가 있습니다. 인위적인 활성화는 세포 내 Ca²+ 이온을 도입하여 난자 활동을 유도하며, 7% 에탄올에 대한 짧은 노출, 전기 자극, Ca-이온포어 및 단백질 합성 억제제 병행 처리 등 여러 방법을 사용합니다.
핵 이식 과정에서 흔히 사용되는 전기 자극법에 의한 난자의 활성화는 난자에 전기를 가하면 난자 세포막에 순간적으로 구멍이 생기고 외부 Ca²+ 이온이 유입되어 활성화를 유도하는 것으로 알려져 있습니다. 재프로그래밍은 핵 이식 후 활성화된 난자가 일반적인 자연 수정란과 마찬가지로 난자의 분열과 발달에 적응하는 과정입니다. 

 

④ 핵 이식 난자의 체외 배양
핵 이식 난자를 대리모에게 이식하기 위해 체외에서 일정단계 배양해야 합니다. 배양 및 이식을 위해 내부 또는 체외 수정란의 배양 및 이식 등의 방법을 사용합니다. 거대 태아에 의한 저출산, 고유산, 조기 태아 사망, 난자는 체세포 복제 기술의 기술적 한계인 체외 배양 기술과 관련이 있는 것으로 추정됩니다. 체외 배양기 후기에 발달한 복제 수정란은 수정란의 발달 단계와 별 주기가 일치하는 대리모의 자궁에 이식되어 착상됩니다.

 

이번 포스팅을 통해 두 가지 방법의 동물 복제 기술을 알아보았는데요, 만능 세포로 불리는 생식세포를 통해 여러 생명체를 복제하고 체세포를 이용한 복제로 이미 존재하는 동물의 복제까지 가능하다는 것을 알게 되었습니다. 이렇듯 동물 복제 기술은 앞으로도 어떻게 응용이 되며 우리에게 어떤 미래를 가져다줄 수 있는지 다음 포스팅을 통해 동물 복제 기술의 응용을 살펴보도록 하겠습니다.