마우스유전학의역사 이한웅 연세대학교생명시스템대학생화학과 E-mail: hwl@yonsei.ac.kr 서론 멘델의유전학이유럽과미국을휩쓸당시부터마우스는이미사람을위한의학연구에필요한대상으로생각되고있었다. 마우스는실험실에서키우기가쉽고, 수명이비교적짧으며, 사람과유전적, 생리적으로매우유사한포유류이기때문에유전학연구에특히적합했다. 마우스유전자는다른종들보다얻기가쉬웠고순종 (inbred strain) 과변이종 (mutant strain) 의종류가많다. 미국의 Jackson Laboratory에계셨던 Elizabeth S. Russell 박사는 1985 년에마우스유전학의역사에대하여 Annual Review of Genetics에긴글을기고하였으며 (Ann. Rev. Genet. 19:1-28, 1985), 2003년에는같은 Jackson Laboratory 의 Kenneth Paigen 박사가마우스유전학의 100주년기념으로두번에걸쳐학술지 Genetics에총정리를한바있다 (Paigen K. Genetics, 2003a; 2003b). Paigen 박사는프랑스의 Lucien Cuenot 박사가 1902년처음으로마우스의털색깔이멘델의유전법칙을따른다는것을발표한 (Cuenot L. Arch. Zool. Exp. Gen., 1902) 것이마우스유전학의탄생이라고말하고있다. 올해로 113년의역사를가졌다고말할수있는마우스유전학은마우스유전체의염기서열을마무리한최근약 20년간가장놀랄만한발전을가져오고있다. 2002년학술지 Nature에마우스유전체의염기서 1. Eutheria ( [ ]), 열이발표되었을때마우스의역사가전반적으로총정리된바있다 (Commentary, Nature, 2002). 아마도유전학의중요성을잘알고있는모든과학자들은마우스의중요성도잘알고있을것이므로마우스유전학의발전을뒤돌아보면서역사적으로어떠한놀랄만한발견이있어왔는지짚어보고이로부터더멋진미래를상상해보는것이의미가있을것이다. 마우스의역사진화론적으로사람과마우스의공통적인조상은크기가작은랫드 (rat) 정도되며 7500만년 ~1억 2500만년전에살고있었다고추정되는 Eutheria ( 진수류 [ 眞獸類 ]) 계통의하나인 Eomaia scansoria이다. E. scansoria는사람을비롯한모든태반을가진포유류의조상이다. 약 BC 8000 01 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter 2. Fancy mouse 년경 ( 마지막빙하기이후 ) 에사람들이농경생활을하며곡물을저장하는창고가생기면서현재의마우스가나타났다고추정된다. 이 house mouse는 mush ( 훔치다라는뜻을가짐 ) 라는뜻의 Sanscrit 언어를기원으로하는라틴어학명 Mus musculus가학명이되었다. 지금은사라졌지만 BC 1100년에나왔다고하는중국어사전에서마우스가처음으로애완동물로기록되어있으며, AD 877년에는중국의 12 간지 (Chinese Zodiac) 에마우스가등장했다. 이자료들에따르면 house mouse (Mus musculus) 는 Rodentia ( 설치류 ) oder ( 목 ) 에속하는작은포유류이며앞으로튀어나온코 (snout) 와작고둥근귀, 그리고길고거의털이없는꼬리를가지고있다. Mus는 genus에속한종 (species) 중에서그수가가장많은 species 중하나이며, wild animal이기는하지만주로사람과함께산다고기술되어있다. 만들어졌다. 취미로키우는마우스의털색깔, 몸의모양이나행동등으로경연대회까지열렸다. 그이후전세계에서 AFRMA (American Fancy Rat and Mouse Association, US), RMCC (Rat and Mouse Club of China, US), NMC (National Mouse Club, UK) 등여러 mouse club이생겨났다. 미국의 Massachusetts 주 Granby에서는은퇴한교사인 Abbie Lathrop이 1900년에이 fancy mouse를취미로키우던것이커지면서농장을만들고사업을하기시작했다. 마우스를유전학으로, 그리고염기서열분석까지... Abbie Lathrop 농장이알려진후, 그농장과가까운곳에자리잡고있는하바드대학의생물학자인 William Ernest Castle 박사가이마우스들을구매하여마우스의털색깔이멘델의유전법칙을따르는지연구하기시작했다. 그러나 1902년프랑스의 Cuenot 박사가학술지 Arch. Zool. Exp. Gen에마우스의털색깔연구에대해발표된논문이있다는사실을보면이분이더먼저마우스유전학을연구한것으로보인다. 1909년에는 William Castle 교수의실험실에서일하던 Clarence Cook Little 박사가최초의 inbred mouse strain을개발하여이름을 DBA (dilute brown nonagouti) 라고지었다. Little 박사는이미유전적으로순수한혈통을유지한마우스를연구함으로써암과같은사람의질 1800년대에는소위 Fancy mouse 라는이름의마우스가등장했다. 여기에서 fancy는 취미 의뜻이다. 당시에마우스를애완동물로서집에서키우기시작하였고, 뱀과같은애완육식동물의먹이로서팔리기도하여 feeder mouse 라고부르기도했다. 이때 Agouti 혹은 satin과같은털색깔이특이한마우스들이제대로관리되기시작했다. 마우스는경제적인면에서덩치가더큰다른애완동물들보다가격이싸지만수명이더짧다. 영국의빅토리아여왕시대인 1895년에는관객들에게각종마우스와랫드를구경시켜주는쇼가처음생기면서영국에서 National Mouse Club이 3. William E. Castle 웹진 2015 ㅣ 10 02
4. DBA 1929년에는자동차로유명한 Henry Ford의아들 Edsel Ford와당시 Hudson Motorcar Company의사장인 Roscoe Jackson이 Clarence Little 교수를도와미국 Maine 주 Bar Harbor에서 Jackson Laboratory를설립하였다. 이실험실은급속히성장하여현재는전세계에서가장중요한 mouse genetics의 research center가되었다. Jackson Laboratory는카드를이용하여관리하던 mouse genetics data base를 1972년처음으로컴퓨터를사용한방법으로개선하였다. 이컴퓨터프로그램은후에 Mouse Genome Project의중심이된 Mouse Genome Database 의원조가되었다. 5. C57BL/6J 1997년복제양 Dolly가탄생한이후 1998년에는 Hawaii 대학의연구팀이최초의 mouse를 cloning 하는데에성공하였다. 6. Maine Bar Harbor Jackson Laboratory 병에숨겨져있는비밀을밝혀낼수있을것이라고확신했다. 이러한일련의사건들은현대실험용마우스의탄생을알리는서막이었으며, 이렇게탄생한 DBA mouse는현재에도유전학실험실에서많이사용되고있다. Clarence Little 박사는 1921년 Abbie Lathrop의농장에서구매한암컷 mouse 중 57번째암컷마우스를계속교배시켜 C57BL이라고명명하였다. C57BL은현재유전학자들이가장많이사용하는 mouse strain 이되었으며, 2002년완성된첫마우스의 genome sequence는이 strain을이용한것이었다. Human Genome Project를시작하기위해논의할당시인 1990년에 genome sequening을함께진행해야할다섯종류의 model organism 중에이미 mouse는포함되어있었다. 1999년에는이 Project의중심이되었던세 sequencing center (Wellcome Trust Sanger Institute, Whitehead Center for Genome Research, Washington University Genome Sequencing Center) 가 Mouse Genome Sequencing Consortium" 의이름으로 mouse genome의전체염기서열을밝히기위한 project를시작하였다. 2002년에는전세계 6 개국의 26 개의연구소가참여하게되었다. International Human Genome Sequencing Consortium은 2001년 2월 Human Genome Project의첫번째논문을 Nature에발표하였다. 이와동시에 Dr. Craig Venter가이끄는미국의한회사인 Celera Genomics도 Science에발표하였다 (Venter, et al. Science, 2001). 이러한기념비적인성과로인하여약 32억 base pair에해당하며, 약 3만개정도의유전자가있을것으로예측된 human genome에대한전체적인윤곽이드러나기시작 03 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter 체서열과분석을마치고 Nature에발표하였다. Mouse genome의전체크기는 2.5 Gb로서사람보다적으며 30000개이하의유전자가있을것으로예측되었다. 사람과마우스 genome의약 40% 는서로직접 align 될수있었으며, 사람유전자전체의약 80% 가마우스에도존재하였다. 일본의 RIKEB Genome Science Laboratory도이연구에추가로많은정보를제공하였다. Genome Engineering 의등장 7. Mouse genome project 2002 12 5 Nature 했다. Celera 주식회사는전체유전체의서열을한번에분석을할수있는 whole-genome shotgun sequencing으로밝힌 mouse sequence를판매하기시작했다. Mouse genome의 5배수의서열에대한가격이약 45,000 달러정도였다. Celera가서열분석한 mouse strain은 DBA를포함한 4종의 mouse strain이었으며, C57BL/6J는여기에포함되지않았었다. 마우스유전체의경우는 Richard Mural 등이 Celera가분석한 mouse genome sequence를이용하여마우스 16번염색체의전체염기서열을분석하여 2002년 5월 Science에발표하였다 (Mural et al. Science, 2002). 이염기서열은이미발표된사람의 21번염색체와매우유사하며매우긴부분이존재한다는것을발견하였다. 과학자들은 Genome sequence를모두알게되기훨씬전부터여러 organism을이용하여유전자의 in vivo 기능을탐구하여왔다. 마우스의경우는 1970년대부터몇몇과학자들이수정란에서유전자를변형시켜마우스를생산하기위한노력을시작하였다. 1982년 Gordon과 Ruddle은최초로 genetic material을마우스수정란에미세주입으로넣은후이수정란이 germline transmission 할수있다는것을밝혔다 (Gordon and Ruddle, Prog. Clin. Biol. Res. 1982). Richard Palmiter와 Ralph Brinster 교수팀은아연에의해 rat growth-hormone gene을조절할수있는 fusion gene을만들어 mouse의수정란에미세주입하였다 (Palmiter, et al. Nature, 1982). 이 mouse는아연을물이나먹이에타서먹였을때크기가훨씬커졌고, 이기술은 transgenic mouse를이용한유전자의분석방법에큰기여를하였다. Conditional transgenic mouse의창시라고할수있다. 2002년 8월 International Consortium은 genome의 physical map을제작함으로써마우스 DNA 염기서열전체결정을위한틀을만들었다. 곧이어그해 12월 Mouse Genome Consortium은 C57BL/6J mouse strain의전 8. 2007 Mario Capecchi, Martin Evans, Oliver Smithies 웹진 2015 ㅣ 10 04
9. 1983년에는 MIT의 Rudolph Jaenisch 실험실에서 moloney murine leukemia virus가유전체에삽입되어 Mov13 유전자를파괴되었을때이유전자가 germline transmission이된다는것을알게되었고 (Jaenisch, et al. Cell 1983) 곧 retrovirus를이용하여 collagen I 유전자에 mutation을시킬수있었다 (Breindl et al, Cell 1984). 즉바이러스를이용한마우스유전체의조절방법이등장한것이다. 1987~89년에는 Martin Evans와 Oliver Smithies, 그리고 Mario Capecchi는특정타겟유전자를 embryonic stem cell에서기능을못하게함으로써최초의 knockout mouse를제작하였다. 이들은그후수천종의 knockout mouse 생산에사용된이기술의발명에대한공헌으로 2001년 Lasker Award를수상하였고, 그후 2007년 Nobel Prize를수상하였다. 이렇게마우스의유전체를변형시켜새로운생명체를만든다는것은의생명과학의발전에매우중요하다는것이매 우잘인식되었지만, 그기술이너무오래걸리고, 경제적이지못하며, 매우섬세하고어려운과정을거친다. 그러므로이를해결하기위한과학자들의모임이생겨났다. 마우스의모든유전자를 embryonic stem cell에서 knockout 하여전세계의모든과학자들에게공급하겠다는그룹이나타난것이다. 2004년미국을중심으로한 Knockout Mouse Project (KOMP) 와유럽을중심으로한 European Conditional Mouse Mutagenesis (EUCOMM) Program 이발족되었고, 그즈음 retrovirus를이용한 International Gene Trap Consortium (IGTC) 도나타났고, 그후이들이모두함께 International Knockout Mouse Consortium 으로연합하였으며, 최근에는 International Mouse Phenotype Consortium (IMPC) 으로진화하였다. 우리나라도 2012년 IMPC에가입하여회원국으로서의중요한과제를수행하고있다. 전체마우스유전자를 knockout 시키는전세계적인추세와별개로 1992년 Cre-LoxP system이등장하면서특정 promoter와 Cre recombinase, 그리고 LoxP sequence 05 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter 를이용한 conditional knockout이가능하게되었다 (Gu, Zou, Rajewsky. Cell 1993). 이제과학자들은원하는발생단계, 원하는조직이나특정 cell type에서만특정유전자의발현을조절할수있게되었다. 특히최근 3년간은 genome engineering 분야에있어서혁명적인발견과발전이이루어지고있다. 그것은 zinc-finger nuclease의발견과이를이용한 artificial endonuclease의개발로부터시작되었다. 이보다더효율적이며 off-target effect도적은 Transcription Activator- Like Endonuclease (TALEN) 이곧이어등장하였으며, 이를이용한각생명체에서의 knockout이진행되었다. 2013년에는또다시이들을대체하게된 CRISPR/Cas9 (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/crispr associated protein 9) 이라는새로운 endonuclase가발표되었고, 이는의생명과학뿐아니라심지어농축산, 의약품개발, 등가히모든생명과학분야에영향을주고있다. 이기술이등장함으로써 knockout mouse, knockin mouse, conditional KO mouse의생산위하여 embryonic stem cell을점점이용하지않게될것이고, 이러한 in vivo mouse 모델을제작하는속도가매우가속화되고있다. 끝맺음 Wet bench에서의연구와는별도로생명정보학 (Bioinformatics) 분야도눈부시게발전하고있었다. 2012년미국 University of California San Diego에있는 Bing Ren 박사의실험실에서는 mouse genome에서 cis-regulatory sequence에대한전체정보를 Nature에발표하였다 (Shen, et al. Nature, 2012). 이들은 ChIP-Seq이라는기술을이용하여마우스의 19가지조직과 cell type에서약 30만개의 cis-regulatory sequence를 mapping 하였는데, 이부위는마우스 genome 전체의약 11% 와 conserved noncoding sequence의 70% 이상을차지하는것으로밝혀졌다. 이논문으로써마우스의 tissue-specific enhancer와 potential transcription factor 전체에대한많은정보를얻을수있게되었다. 이제우리는앞으로모든유전자뿐만아니라 noncoding gene, intergenic region 등유전체의모든염기서열의의미를마우스에서직접탐구할수있게된것이다. 물론많은양의노력과연구비가투자되어야하겠지만, 이제는고전적인마우스유전학과 genome engineering의기술, 그리고 bioinformatics를모두융합하여야하며, 이로써지금까지는상상하지못했던생명현상의놀라운비밀을밝히게될것이다. 궁극적으로마우스유전학의미래는건강한장수를만끽할수있을인류의미래와꾸준히함께진보할것이다. [ ] 1. Commentary: The mouse genome. Nature 420, 510 (5 December 2002) doi:10.1038/420510a 2. Breindl M, Harbers K, Jaenisch R. Retrovirusinduced lethal mutation in collagen I gene of mice is associated with an altered chromatin structure. Cell 38(1):9-16, 1984. 3. Gordon JW, Ruddle FH. Germ line transmission in transgenic mice. Prog Clin Biol Res. 85 Pt B:111-24, 1982. 4. Gu H, Zou YR, Rajewsky K. Independent control of immunoglobulin switch recombination at individual switch regions evidenced through CreloxP-mediated gene targeting. Cell. 73(6):1155-64, 1993. 5. Jaenisch, et al. Germline integration of moloney murine leukemia virus at the Mov13 locus leads to recessive lethal mutation and early embryonic death. Cell 32(1):209-16, 1983. 6. Mural RJ, et al. A comparison of whole-genome shotgun-derived mouse chromosome 16 and the human genome. Science 296(5573):1661-71, 2002. 웹진 2015 ㅣ 10 06
7. Paigen, K. Anecdotal, historical and critical commentaries on genetics. One hundred years of mouse genetics: An intellectural history. I. The classical period (1902-1980) Genetics 163:1-7, 2003. 8. Paigen, K. Anecdotal, historical and critical commentaries on genetics. One hundred years of mouse genetics: An intellectural history. II. The molecular revolution (1981-2002) Genetics 163:1227-1235, 2003. 9. Palmiter RD, et al. Dramatic growth of mice that develop from eggs microinjected with metallothionein-growth hormone fusion genes. Nature 300(5893):611-5, 1982. 10. Russell, E. S. A history of mouse genetics. Ann. Rev. Genet. 19-28, 1985. 11. Shen Y, et al. A map of the cis-regulatory sequences in the mouse genome. Nature 488(7409):116-20, 2012. 12. Venter JC, et al. The sequence of the human genome. Science 291(5507):1304-51, 2001. 13. Wikipedia, Google. 저 자 약 력 이한웅 1977-1983 연세대학교이과대학생화학과학사, 석사 미국 Albert Einstein 의과대학, 1991-1994 New York 석사 (Honorary M.S. in Microbiology and Immunology) 1991-1997 미국 Albert Einstein 의과대학, New York 박사 (Ph.D. in Molecular Genetics) 1983-1985 연세대학교의과대학약리학교실조교 1997-1997 Postdoctoral Fellow, 미국 Albert Einstein 의과대학 1997-1998 Research Associate, 미국 Albert Einstein 의과대학 1998-1999 서울대학교의과대학생화학교실조교수 1999-2006 성균관대학교의과대학, 생화학 분자생물학교실조교수, 부교수 2006-현재 연세대학교생명시스템대학생화학과부교수, 교수 2006-현재 연세대학교실험동물연구센터 (YLARC) 센터장 07 분자세포생물학뉴스레터