– 세계적 학술지 '셀(Cell)' 발표… 아버지·어머니에게 물려받은 46개 염색체 전 구간 완독
– 기존 지도가 놓쳤던 '어두운 유전자 영역' 완전 복원… 희귀병·암 정복의 새 길 열어
– "나만을 위한 맞춤형 청사진"… 개별 환자 맞춤 정밀 의료 시대 본격 개막
■ 인류 유전체 해독 역사상 가장 완벽한 지도, T2T-HG002의 탄생
인간의 생명 설계도라 불리는 유전체(게놈) 해독 역사에 또 하나의 커다란 이정표가 세워졌습니다. 미국 국립보건원(NIH)과 국립표준기술연구소(NIST)를 비롯해 전 세계 40여 개 연구 기관이 참여한 국제 공동 연구진인 'Q100 프로젝트'팀은 아버지와 어머니로부터 각각 물려받은 23쌍의 염색체 전체를 단 하나의 빈틈도 없이 100% 완벽하게 해독하는 데 성공했다.
연구 결과는 논문명 A complete diploid human genome benchmark for personalized genomics (개인 맞춤형 유전체학을 위한 완벽한 양배체 인간 유전체 기준점)으로 세계 최고 권위의 과학 학술지 '셀(Cell)'을 통해 8월 6일 발표했다.
연구진은 이번에 완성된 양배체 유전자 지도를 T2T-HG002 v1.1이라 명명했습니다. 이는 단순히 DNA 문자열을 읽어낸 수준을 넘어, 인간 유전체 전체 영역의 99.4%에 달하는 구간에서 오차가 거의 없는 초고정밀 성적표를 받아들인 인류 최초의 성과로 평가받고 있다.
■ 기존 유전자 지도가 가졌던 결정적 두 가지 한계
2000년대 초 인간 유전체 프로젝트가 완료된 이후 수많은 질병 연구가 이루어졌지만, 지금까지 의학계가 표준으로 사용하던 유전자 지도(GRCh38)에는 치명적인 두 가지 한계가 존재했다.
첫째는 전체 지도의 약 $10%$가 분석 불가능한 '빈칸'으로 남아 있었다는 점입니다. DNA 구조가 유독 복잡하거나 같은 글자가 무한히 반복되는 구간은 기존 기술로 읽어내지 못해 '어두운 유전자 영역(Dark Genome)'으로 남겨둘 수밖에 없었다.
둘째는 부모의 DNA가 하나로 섞여 버린 모자이크 형태였다는 점이다. 인간은 어머니와 아버지로부터 각각 한 세트씩 총 46개의 염색체를 물려받습니다. 하지만 기존 지도는 부모의 유전을 구별하지 못하고 여러 사람의 DNA를 섞어 만든 단편 지도였기에, 환자가 가진 특정 질병 유전자가 아버지 쪽에서 온 것인지 어머니 쪽에서 온 것인지 구별하기 어려웠다.
비유하자면 1,000조각짜리 퍼즐에서 핵심 조각 100개가 빠져 있어 완성된 그림을 알 수 없었던 데다, 남아 있는 조각마저 아버지 퍼즐과 어머니 퍼즐이 심하게 엉켜 있던 셈입니다. 암이나 희귀 난치성 신경 질환, 면역 질환을 일으키는 주요 유전자 상당수가 바로 이 빠진 10%의 어두운 영역에 숨어 있었기에 기존 지도로는 한계가 명확했다.
■ 최첨단 '돋보기'와 '긴 끈' 기술이 이뤄낸 기술적 도약
연구진은 이 난난제들을 해결하기 위해 현존하는 최고의 DNA 분석 기술들을 총동원했다. 기존의 유전자 분석이 DNA를 아주 짧게 토막 내서 읽은 뒤 다시 이어 붙이는 방식이었다면, 이번 연구에서는 DNA를 엄청나게 긴 끈처럼 한 번에 길게 읽어 내려가는 '초장쇄(Ultra-Long) 시퀀싱' 기술을 적용했습니다. 이 기술 덕분에 복잡한 글자가 무한히 반복되는 구간에서도 길을 잃지 않고 한 번에 관통할 수 있었다.
여기에 오독률을 극도로 낮춘 '초고정밀 시퀀싱' 기술을 덧붙여 판독의 정확도를 극대화했습니다. 연구진이 달성한 정밀도는 Q68.9 수준으로, 이는 8,000만 개의 DNA 글자 중 단 1개의 오류만 허용하는 0.00000125%의 오차율을 의미한다. 이로써 기존 지도에서는 절대 읽을 수 없었던 약 7억 개의 새로운 DNA 글자가 세상에 처음으로 모습을 드러내게 되었다.
■ 어머니와 아버지에게 물려받은 유전적 차이의 명확한 규명
부모 양쪽의 유전체가 각각 완벽히 분리되어 해독됨에 따라, 그동안 베일에 싸여 있던 유전적 차이와 질병 발생 메커니즘이 분자 수준에서 또렷하게 밝혀졌다.
눈 건강 및 면역과 관련된 CFHR1/3 유전자 군집의 경우, 분석 대상자의 아버지 쪽 염색체에서는 이 유전자 구간이 통째로 결실되어 있음을 확인했다. 이 결실 변이는 노년층의 주요 시력 상실 원인인 황반변성을 예방하는 데 긍정적인 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.
또한 암 발생 위험 및 약물 해독 효소를 만드는 GSTM1과 GSTT1 유전자는 어머니와 아버지에게서 각각 하나씩 상호 보완적으로 물려받아 작동하고 있음을 증명했다. 뇌 신경 발달과 관련된 CHRFAM7A 유전자에서는 아버지 쪽 염색체에만 미세한 글자 빠짐 변이가 존재하여 유전자 기능이 억제되어 있다는 사실도 정밀하게 관측되었다.
■ '유전자 검사'를 넘어 '개인 맞춤형 정밀 의학' 시대로의 대전환
이번 연구를 이끈 아담 필리피(Adam M. Phillippy) 박사는 그동안의 유전체 의학이 지도의 결함 때문에 질병과 관련된 중요한 구간을 관찰조차 할 수 없었다고 지적하며, 이제는 단순한 유전적 오류 몇 개를 찾는 수준을 넘어 개인의 완전한 유전체 전체를 진단하는 진정한 맞춤형 정밀 의료 시대가 열렸다고 선언했다.
이번에 완성된 유전자 지도를 활용하면 병원과 의료계에 획기적인 변화가 일어날 것으로 기대됩니다. 기존 검사로는 원인을 알 수 없었던 희귀 난치병 환자들의 숨은 유전자 이상을 명확히 밝혀낼 수 있으며, 질병 유전자가 부모 중 어느 쪽에서 유래했는지 파악하여 개인별 맞춤형 약물 처방 및 신약 개발에 바로 활용할 수 있다.
또한 연구진은 환자 한 사람의 전체 게놈을 단 몇 시간 만에 오류 없이 분석할 수 있는 기반 검증 소프트웨어(GQC)와 관련 데이터 세트를 전 세계 연구자들에게 조건 없이 무료로 공개했다. 인류의 생명 설계도가 단 한 줄의 빈칸도 없이 완전해짐에 따라, 암과 난치병을 정복하기 위한 의학계의 발걸음은 더욱 빨라질 전망이다.
김들풀 기자 itnews@
