염색체 그 자체를 교체하는 게 먼 미래에는 가능할까요?
안녕하세요 :)
현재 크리스퍼 가위로 유전자 일부분을 편집하는 기술은 가능한데,
일부분이 아니라 유전자 전체, 즉 특정 염색체 하나를 교체하는 기술도 실현 가능할까요?
기술이 발달하면 충분히 가능한지, 아니면 본질적으로 불가능할지...
이어서 이런 상상을 해봅니다. (윤리적인 면은 잠시 접어 두고...)
일란성 쌍둥이는 동일한 염색체를 가지고 있잖아요.
만약에 여아 일란성 쌍둥이 한 명의 성 염색체를 XX에서 X 염색체를 하나 빼고 아빠의 Y 염색체로 교체하면
그 아이는 남성으로 태어나게 될까요?
기술적으로 아주 정교하다고 하면, 그 아이는 문제없이 생존할 수 있을까요?
안녕하세요.
현재의 CRISPR-Cas9 기술은 염색체 수준이 아니라 염기 서열 단위 혹은 특정 유전자 단위의 편집만 가능한데요 따라서 수십억 개의 염기를 가진 염색체 전체를 교체하는 것은 기술적으로는 매우 어렵습니다.
우선 염색체는 단순한 DNA 사슬이 아닌데요, 히스톤 단백질과 함께 고도로 압축된 구조로 존재하며, 세포 분열 시 정확한 복제와 분리가 이루어지도록 복잡한 3차 구조를 형성합니다. 따라서 단순히 DNA 한 부분을 빼고 다른 걸 넣는 수준의 조작으로는 세포가 이를 인식하거나 안정적으로 유지하지 못합니다. 또한 염색체는 세포핵 내에서 각자 고유한 위치와 부착점을 가지고 있는데요, 잘못 교체되면 분열 과정에서 분리 오류가 일어나 세포가 사멸하거나, 암세포처럼 비정상 증식이 일어납니다.
그럼에도 불구하고, 원리적으로 완전히 불가능한 것은 아닙니다. 최근에는 일부 연구에서 인간 세포에 인공 염색체를 삽입해 특정 유전자를 안정적으로 발현시키는 데 성공했으며, 따라서 염색체 전체를 교체하는 것은 아직 불가능하지만, 새 염색체를 추가하거나 일부 대체하는 방향으로는 미래에 접근할 수 있을 가능성이 있습니다.
이때 염색체를 통째로 교체한다는 것은 단순히 유전 정보만 바꾸는 것이 아니라, 세포 전체의 유전자 발현 네트워크를 다시 조정해야 한다는 뜻인데요 특히 인간은 약 2만여 개의 유전자가 서로 상호 조절하며 작동하므로, 염색체 하나만 바꿔도 전체 발달 과정에 심각한 불균형이 생길 가능성이 높습니다. 예를 들어, 염색체 간 상호작용이나 후성유전적 조절아메틸화, 히스톤 변형 등이 무너지면 세포 분열, 분화, 생식능 등에 문제가 발생합니다. 따라서 단순한 물리적 교체만으로는 생리적으로 정상적인 생명체를 유지하기 어렵습니다.
마지막으로 질문주신 일란성 쌍둥이 중 한 명의 성염색체를 XX에서 XY로 만든다면, 그 아이는 남성으로 발달할지에 대해서 이론적으로는 Y 염색체에 포함된 SRY 유전자가 성 결정의 핵심 역할을 하므로, 세포 수준에서는 남성 발달 방향으로 유도될 가능성이 있으나 모든 세포의 염색체를 바꿔야 합니다. 인간의 몸은 약 37조 개의 세포로 이루어져 있는데, 수정란 한 개에서 유래하므로 성별은 수정 시점에 결정됩니다. 태어난 뒤나 배아 발달 중에 염색체를 교체하는 것은, 일부 세포에서만 Y 염색체가 존재하는 ‘모자이크’ 상태를 만들어내기 때문에 정상 발달이 불가능합니다. 감사합니다.
1명 평가안녕하세요. 이상현 전문가입니다.
현재기술로는 염색체 전체 교체는 불가능합니다. 크리스퍼 등 유전자 편집기술은 특정 유전자나 짧은 dna구간을 바꾸는 수준이기때문입니다. 수십~수백 mBP의 염색체 전체를 교체하는것은 세포분열과 복제과정에서 구조적인 안정성을 유지하기 어려워 본질적으로는 매우 어려운기술이라고 보는것입니다.
감사합니다.
결론을 먼저 말씀드리면 염색체 전체를 교체하는 기술은 현재로도 불가능하지만, 본질적으로도 매우 어려울 것으로 예상됩니다.
CRISPR는 특정 유전자 일부분을 편집할 수 있지만, 수많은 유전자와 단백질로 이루어진 염색체 전체를 손상 없이 추출, 주입, 재조직화하는 것은 차원이 다른 넘사벽의 문제입니다.
그래도 말씀하신 것처럼 만약 기술이 아주 정교하게 발전해서 여아 쌍둥이의 성염색체를 XX에서 XY로 교체한다면, 유전적인 성별은 남성으로 바뀔 수 있습니다. 이는 Y 염색체의 Sry 유전자가 남성 생식 기관 발달을 지시하기 때문입니다.
그러나 정상적인 생존 및 발달은 장담하기 어렵습니다.
성별 발달은 호르몬과 뇌 구조, 그리고 다른 상염색체 유전자들의 복잡한 상호작용의 결과이기 때문에 단순히 염색체 하나를 바꾼다고 해서 나머지 신체가 완벽하게 새로운 유전 환경에 맞춰 조화롭게 발달한다고 장담할 수 없기 때문입니다.
안녕하세요. 김채원 전문가입니다.
이론적으로는 전체 염색체의 교체가 기술적으로는 가능할 여지는있지만, 염색체 수준의 정렬, 분리 전사조절, 후성유전, 조화가 너무 복잡해서 현재 기술로는 본질적으로 불가능한 영역에 가깝습니다. 또한 XX--> XY로의 교체는 단순한 염색체교환이아닌 배아 발생전과정의 성 결정호르몬 신호유전자 네트워크까지 재조정이 필요해서 현재 생존가능한 개체를 만드는것은 불가능한 수준이라고 볼 수 있습니다.
염색체 전체를 교체하는 기술은 현재의 유전자 편집 기술보다 훨씬 복잡하며, 먼 미래에도 실현 가능성은 낮다고 보입니다. 유전자 가위 기술은 염색체의 특정 부위를 정교하게 편집하는 방식이지만, 염색체 전체를 완벽하게 분리, 교체하고 이를 세포 분열 과정에서 오류 없이 유지하도록 하는 것은 기술적 난이도가 매우 높으며, 근본적인 생물학적 한계에 부딪힐 수 있습니다. 또한, 성 염색체를 XX에서 XY로 교체하는 경우, 해당 염색체의 정보만을 가진 아이가 태어난다 하더라도 성별 결정은 염색체뿐만 아니라 호르몬, 발생 과정 등 복잡한 요인에 의해 결정되므로 단순히 성 염색체 교체만으로 남성으로 태어나고 문제없이 생존할 수 있을지는 미지수이며, 발생학적 혼란으로 인해 생존 자체가 어려울 가능성이 높습니다.