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SCHEME 2기획 2

동물육종의

시작

300여년간의동물육종역사 고대문명의발달과함께가축은사회경제적부의척도가

되었으며, 보다나은가축을얻기위한인간의노력은인위적으로우수한씨가축(씨를받기위하여

기르는 가축)을 선발하여 교배하는 육종기술의 발달을 가져왔다. 동물육종의 역사에서 근대적

육종기술의 전형(model)은 17세기경부터 국인들이 300여 년간의 개량으로 얻어진 최고의

경주용말, 서러브레드종이다. 이러한과정에서교배, 혈통존중, 그리고능력검정(씨가축을일정한

조건에서 사육하여 능력을 검사하는 일) 등의 근대적 육종기술이 개발되었고, 자연스럽게 다른

동물의개량에서도활용하게되었다.

그리고 19세기 이후, 닭 벼슬의 모양 또는 소뿔의 유무에 따라 외형적 특징을 좌우하는 유전자

형인질적형질이멘델의법칙에따른다는보고와함께여러연구가시작되면서육종기술은보다

체계화되고급진적으로발달하 다. 20세기중반에는부모가가지고있는특성이자식에게전해

지는현상의실체가유전자라는것이밝혀지면서, 선발지수1)와 육종가등을활용하는육종기술이

개발되었으며, 근래에는유전자변형기술과컴퓨터기술의발달에따라선발표지인자및선형모형

등을이용한첨단적인육종기술이개발되고있다.

서러브레드(Thoroughbred)17세기 국에서는 경주 능력이 우수한 말로 개량하기위해 300여 년간 속력과 지구력이 우수한 말 끼리 교배시켜왔다. 서러브레드종은다리가길고오랫동안쉽게걸을수있도록짧은뼈로이루어져있는것이특징이다.

1) 육종에서선발상의기준이되는지수로각개체나계통등에대하여관계되는여러가지형질에관한수량적정보를기초로하여식으로산출하는종합평가값이다.

_ 이훈택 교수건국대학교동물생명과학대학htl3675@konkuk.ac.kr

■이훈택교수는건국대학교축산학과및동대학대학원을졸업, 미국일리노이주립대학교에서분자내분비학으로박사학위를받았다.농림부의 바이오장기(무균돼지) 연구과제(2004년~2006년)의 총괄책임자를 맡은 바 있으며, 현재는 건국대학교 동물생명과학대학 교수직과 동 대학의 바이오장기센터 소장직을 겸임하고 있다. 이외에도 한국과학기술한림원의 정회원으로서, BMCDevelopmental Biology 저널지의부편집장으로서활동하고있다.

KBCH 16+17

2. 전통 동물육종과유전자변형동물

전통

동물육종의

목표와방법

생산량과품질향상이주목적 전통동물육종기술의목표는축산물의효율적인생산과

생산량의 증가, 그리고 축산물의 품질 향상으로 주로 경제적인 측면을 강조하 다. 예를 들면

젖소의 두당 산유량, 산란계의 연간 산란수 증가 및 돈육의 육질 향상 등을 위해 개량하 다.

이때 이러한 육종 목표를 달성하기 위해서 전통적으로 사용한 육종기술은 크게 두 가지로 선발

(selection)과교배(mating system) 다.

선발은 유전적으로 우수한 개체를 선택해 이를 씨가축으로 사용하여 다음 세대의 집단을 육종

목표에적합하도록변화시키는기술인데, 이때주로사용한선발기준은혈통과외모 다. 그리고

선발된씨가축을교배하는기술은유전적인배경을고려하여근친교배(inbreeding) 또는잡종교배

(crossbreeding)을 선택하여 사용하 다. 즉, 사육하고 있는 가축의 집단이 우수하다고 판단될

경우에는 근친교배를 실시하 고, 더 우수한 형질을 원할 경우에는 다른 집단의 씨가축과 잡종

교배를실시하 다. 이러한전통적인동물육종기술은축산물의생산량및품질등을획기적으로

증가시키는 결과를 가져왔다. 특히 산란계의 경우 봄에만 산란하지 않고 연중 산란이 가능하게

되었으며, 가축의 외모와 습성의 통일, 그리고 질병의 저항력 향상 등 모든 면에서 크게 향상

되었다.

한편, 국내에서 사육되는 가축에서 활용되고 있는 전통 동물육종기술을 대표적인 예인 돼지와

한우를들어약술하면다음과같다.

육종목표에따라다른돼지의교배방식 돼지의유전적능력은크게3가지로분류된다.

새끼수와돈육생산과같은양적인형질은대부분경제성과직결되므로‘경제형질’이라고부르며,

복당산자수(한배 새끼수), 복당 이유두수 및 이유시 체중을 지표로 하는 것을‘번식형질’, 그리고

일당증체량(하루 동안 증가된 체중의 평균치), 도체형질, 등지방두께 등을 말하는‘산육형질’로

구분하여총체적인육종목표를설정하고, 이에따라교배방법을다르게하고있다.

현재한품종의순수혈통을유지하고씨돼지로활용하려는돼지의농장(종돈장)에서는근친교배를

실시하고있다. 그러나돈육생산만을위해사육되는돼지들은세가지다른품종을잡종교배하는

삼원교배방법으로 생산하고 있는데, 이를 삼원교잡종이라 한다. 이들 교잡종은 부모의 산육형질

보다우수하게나타나는잡종강세의효과가강하게나타나비록번식형질은떨어지지만산육형질이

탁월하여경제적인효과가매우높다. 현재국내에서랜드레이스종과요크셔종을잡종교배하여생산된

암컷에 듀록종이나 햄프셔종의 수컷과 교배시키는 삼원교잡종이 농장에서 사육되고 있는 돈육

생산용돼지의주를이루고있다.

삼원교배방법세가지품종을잡종교배하는삼원교배의경우, 번식은 떨어지지만 새끼 수나 육질과 같은 경제성은 우수하다.

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기획 2

유전자변형을

통한

GM동물의

생산

최초의 GM동물, 거대 생쥐 상술한 바와 같이 전통적으

로 동물의 개량은 세대에 걸쳐 오랜 시간이 걸리며, 주로 성장형

질에 중점을 두고 육종기술을 활용하여왔다. 한편생명공학기술의

발달과 함께 새로운 유전형질의 조작기술이 개발되면서 단기간에

동물을 개량하려는 첨단기술들이 개발되기 시작하 다. 1982년,

미국의 파미터(Palmiter)와 브린스터(Brinster) 그룹에 의해 처음

으로 성장촉진 유전자가 도입된 유전자변형(GM) 동물인 거대 생

쥐가 생산되면서 하나의 유전자로 경제형질을 극적으로 변화시킬

수있다는가능성을보여주었다. 그 후 GM기술을 활용하여 동물

의 육종 목표를 단기간에 달성하려는 많은 연구가 이루어져 지

금까지 수 백 종의 GM동물이생산되었다.

인공수정을통한한우및젖소의개량 국내에서는한우나젖소의개량에있어육종

목표에 적합한 우수한 암컷과 수컷을 선발하고 교배시켜 우수한 송아지를 생산할 수 있도록

국가단위로 한우와 젖소의 유전능력 평가체계가 운 되고 있다. 예를 들어 한우의 경우, 각종

능력검정사업에서 확보한 체중 및 체척 측정자료 그리고, 도축성적 등을 종합하여 평가한

개체별 유전능력을기준으로우수한국가보증씨수소를선발하여교배(주로인위적으로수소에서

정액을채취하여암소의생식기내에주입하여수태를시키는‘인공수정’을이용함)를위한정액의

정보를공개하고 있다. 그리고 각 한우농가에서는 개량 목표에 맞추어 형질별로 적절한 범위에

있는 씨수소의 정액을 구입하여 인공수정을 실시함으로써 육종 목표에 맞는 송아지를 생산할 수

있도록하고있다.

빠른 성장, 고급 품질, 향상된 내병성 실제로 가축을 개량하기 위해 인간의 성장호

르몬유전자를도입한유전자변형(GM) 돼지가 고급육생산의가능성을제시하 으며, 최근에는

오메가 지방산이 함유된 GM돼지도 개발되었다. 또한 광우병을 일으키는 프라이온을 제거한

GM젖소를비롯하여, 병원균침입을방지하는라이소자임이분비되는GM염소, 그리고바이러스

백신을생산하는GM토끼등을개발하여내병성을강화하도록하 다. 최근에는소화효소를다량

분비하는GM돼지와카제인의함량이증가된GM젖소도개발되어산업화과정에있는실정이다.

국내에서도 산양의 성장호르몬이 함유된 GM돼지가 개발되었으며, 그밖에도 성장속도가 빠른

젖소나 돼지, 고품질의 양모를 생산하는 면양, 고급 우유나 고급육을 생산하는 젖소와 육우,

내병성이증강된가축, 사료효율이향상된가축의개발등을위한연구가활발히진행되고있다.

사진출처 : Nature 300, 611 - 615(1982) Palmiter RD et al

거대생쥐 (1982년, Palmiter 등)최초의유전자변형생쥐로성장을촉진시키기위해 생쥐의 수정란에 인간성장호르몬을주입하 다.

KBCH 18+19

2. 전통 동물육종과유전자변형동물

난치병, 유전질환의원인과치료방법발견 전통적인질환모델동물의개발은주로

돌연변이실험동물의선발및계대육종에의한방법을통해진행되어왔으나, 최근 유전자변형

(GM) 동물의생산기술이발전하면서특정유전자가과발현, 저발현, 조건적발현혹은발현하지

않도록 한 GM동물들이 다양하게 생산되고 있다. 현재까지 이러한 질환모델 생쥐들이 개발되어

그동안분명하지않아원인을규명하기어려웠던난치성, 유전적질환의특성및해결방안들이

점차적으로 개발되고 있으며, 또한 질환과 관련된 새로운 유전자를 찾아내고 그 기능을 밝혀내

는데유용하게이용되고있는실정이다.

유용물질을 더 많이 더 싸게 유전자변형(GM) 동물에서 고가의 유용물질을 대량으로

생산하려는 연구는 유전공학과 발생공학이 발달하면서 가장 활발하게 연구되어 왔다. 2009년

미국 식품의약국(FDA)은 GTC社에서 개발한 GM산양의 유즙에서 생산된 항응고제인 에이트린

(ATryn)의 상품화를승인하 고, 국 로슬린연구소에서는항바이러스성단백질인사람의인터

페론을 계란에서 생산할 수 있도록 하는 GM닭도 개발하 다. 그밖에 미국에서는 혈액응고제를

생산하는 GM돼지를, 조혈촉진인자를 분비하는 GM토끼를 개발하 고, 사람의 항체를 생산하는

GM젖소와 계란으로 단일항체를 생산하는 GM닭을 개발하 다. 국내에서는 모유성분인 인간의

락토페린을 유즙으로 분비하는 GM젖소와 백혈구 증식인자를 분비하는 GM산양 등이 개발되었

으며, 사람의 조혈촉진인자를 오줌으로 분비하는 GM돼지도 생산되었다. 최근 국내 연구자들은

GM닭의계란에서사람의백혈구증식인자를생산하는데도성공하 다.

출처 : (日)중외제약HP

치료물질을함유한우유의생산과정인체에서치료제역할을하는단백질을생산하는유용유전자를산양 생식세포에 도입하여 발현을 확인한 후 대리모(산양)에이식한다. 그리고복제기술을이용하여대리모(산양)를 대량증식시킴으로써 우유(젖)로부터 치료물질인 단백질을 대량 생산할 수 있다. 이후 우유로부터 단백질만 추출, 정제, 합성하는공정을거쳐이용하게된다

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기획 2

최신기술을이용한GM동물의생산 초기에생산된유전자변형(GM) 동물들은주로

수정직후의수정란전핵에외래유전자를주입하는방법(미세주입법)으로생산되었으며, 이후바이

러스나 정자를 매개체로 이용한 GM동물의 생산방법도 개발되었으나 그 성공률이 매우 낮았다.

그러던 1997년, 복제양과 돌리의 생산 이후부터 복제동물 생산기술이 발달되면서 보다 쉽고

다양하게GM동물들을생산할수있게되었다2).

최근 GM동물을 생산하는 기술이 발전하여 특정한 유전자의 발현수준이나 시기를 인위적으로

조절할수있는새로운기술이개발되었다. 분자생물학에서바이러스침입시발견된 RNA 간섭

(RNA interference, RNAi) 현상을응용하여유전자의발현수준을조절하는기술은외래유전자를

거부반응없는GM돼지장기생산방법돼지 세포에는 사람에겐 없는 알파-갈락토스(α-1, 3-Galactose)란 당이 존재하는데, 이 당 때문에 인체는 돼지의 장기를 이물질로 판단하여 초급성거부반응(장기이식 후수분 또는 수 시간 안에 일어나는 면역거부반응)을 일으킨다. 이때 생성된 면역 항체는 혈액 안에 들어있는 또 다른면역반응과 관계하는 단백질인 보체를 활성화시키며, 보체는돼지세포를파괴한다. 하지만이러한면역거부반응을억제된 GM동물은 이종장기의 실용화 가능성을 높일 수 있을것으로기대되고있다.

2) 미세주입법, 바이러스 혹은 정자 매개주입법, 복제기술 등에 대한 자세한 정보는 2009 바이오안전성백서 제4부 8장4절동물편참고

거부반응없는대체장기생산 현재돼지의장기를환자에게이식하려는이종장기의생산

연구는돼지장기를사람에게이식시킬때나타나는면역거부반응을극복하려는연구를중심으로

이루어져왔다. 이에 면역거부반응을 일으키는 원인을 제거하거나 반응 자체를 억제시키는 유전

자들이 조작된 유전자변형(GM) 돼지들을 개발하여 상당한 성과를 이루었다. 면역거부반응의

일종인 보체반응을 억제시키는 인자들을 과발현시킨 GM돼지의 장기를 원숭이에 이식하여 139

일간 생존시키는데성공하 으며, 면역거부반응을일으키는알파-갈락토시다제유전자를제거한

GM돼지의심장을원숭이에이식하여 6개월간생존시켰다. 더욱이최근에는사람의 HLA 유전

자가 발현된 GM돼지의 세포를 사람의 NK세포가 공격하지 않는다는 연구결과가 발표되기도

하 다. 또한 국내에서도 복제동물의 생산방법을 사용하여 알파-갈락토시다제 유전자가 제거된

GM돼지를 개발하여 본격적으로 이종장기의 연구가 시작되었다. 이러한 결과들은 GM돼지의

장기가치명적인면역거부반응이극복되어인간의대체장기로이용할수있는가능성을확고하게

입증하고있다.

KBCH 20+21

2. 전통 동물육종과유전자변형동물

전통과

첨단의공생,

그리고책임

전통육종없이형질고정은불가능 현재가축의개량을위해서농장에서주로사용

되고있는번식기술은인공수정과수정란이식이며, 이러한번식기술은기존의전통동물육종뿐만

아니라 유전자변형(GM) 동물 생산에서 핵심적인 기술로 활용되고 있다. 사실 연구나 산업적

활용을 위해 일정 수의 집단을 형성하도록 하는 것은 중요한데, 개발된 GM동물들은 전통적인

육종방법에따라선발되고교배되어유전형질이동일한다음세대를생산하고있다.

GM동물이 가진 새로운 형질이 다음 세대로 계속 유전되기 위해서는 이 형질에 관여하는 유전

자를 고정시키는 과정이 필요하다. 최근 국내에서 생산된 알파-갈락토시다제 유전자가 삭제된

GM돼지의 경우, 현재는 염색체에 쌍으로 존재하는 유전자 중 한쪽만 삭제된 상태이므로 다른

한쪽도 삭제하여 이러한 형질의 유전자가 고정된 순수 품종(동형접합체)을 생산하려는 연구가

추진되고 있다. 이때 이를 위해서 사용되는 기술이 전통 육종기술인 선발과 역교배 방법이다.

즉, 유전자변형기술로 생산된 GM동물의 유전정보는 불안정해 교배 시 다양한 품종이 나오기

때문에원하는품종만으로집단을형성할수가없다. 따라서순수품종(동형접합체)의동물생산은

전통 동물육종기술 중 하나인 역교배(어버이 개체와 교배)를 이용하여 다음 세대를 생산하고,

그 중에서 유전자가 고정된 순수품종(동형접합체)을 선발하여 이를 유지하고 번식시켜 같은

유전형질의동물집단을대규모로구성할수있도록하는것이다.

이처럼첨단의GM동물생산에있어서가장중요한사실은전통적인육종기술이없이는안정적인

유전자보존이불가능하다는사실이다. 즉, 첨단과전통이라는극히상반된만남이보다안정적인

유전자의 보존과 유지를 이룰 수 있다는 사실은 서로의 공생관계를 통한 시너지 효과를 의미

하는것이다.

주입하는 방법과 마찬가지로 목표하는 유전자의 mRNA와 결합할 수 있는 염기서열을 가진

DNA나 RNA의 단편을 주입해 유전자의 mRNA에 부분적으로 결합하도록 하여 일부 유전자가

정상적인 발현이 일어나지 않도록 하는 것인데, 이를 이용하면 GM동물에서 목표한 유전자의

발현수준을20~80% 정도로조절할수있다. 또한원하는유전자의발현을특정한시기에만발현

하도록하거나반대로불가능하게하는유전자의온·오프시스템이개발되어이를도입한 GM

동물에서는온·오프시스템과관련된물질의투여에따라특정유전자의발현시기가조절된다.

지금까지 여러 가지의 육종 목표에 따라 매우 다양한 유전자를 이용한 GM동물들이 생산되어

왔다. 여기서 유전자변형의 형태에 따라 GM동물들을 분류하면, 외래유전자의 발현이‘증가’된

동물, 외래유전자의 발현이‘조건적으로 조절(on/off)’되는 동물, 그리고 특정 유전자의 발현이

‘감소(knock-down)’된 동물과 아예 자체 내 특정 유전자의 발현을 완전히‘제거 혹은 소멸

(knock-out)’시킨동물들로대별된다.

DNA와 RNA각 세포가 어떤 단백질을 생산(합성)해야 하는지에 대한정보는 핵 안의 DNA에 있다. 이때 RNA는 DNA의 유전정보를 핵 밖의 세포질로 전달하고(mNRA), 이외에도 아미노산을운반하는역할을한다.

S

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기획 2

전통기술의안정성을바탕으로한대량생산체계필요 생명공학과유전공학의

발달로우리는앞서다양하고새로운형질의동물을시험관내에서생산할수있게되었다. 또한

유전자변형(GM) 동물의 생산기술을 이용한 새로운 산업군을 형성하게 되었으며, 그 경제적

가치역시세계가주목하고있다. 즉, 동물의개념이단순히기존의경제적가치에만머물러있는

것이아니라인류의건강, 복리의증진과같은사회적가치에도자리매김하게된것이다.

하지만이에대해최근많은사회학자를비롯한몇몇의과학자들은많은우려를나타내고있는데,

그러한 이유는 GM동물의 생산으로 생기게 될 생태계의 혼란과 특정한 유전자의 무작위적인

확산에 대한 문제 때문이다. 무엇보다도 인위적인 방법에 의해 생산되어진 유전자가 제한된

공간 밖으로 유출될 경우 다양한 문제점을 발생시켜 기존의 동물 집단이 가지고 있는 유전형질

들을 와해시킬 수 있다는 것이다. 물론 이러한 문제점은 GM동물의 생산 단계에서부터 철저히

감시되고 제어되고 있지만, GM동물을 연구하는 과학자들 역시 이러한 가능성에 대해서 항시

염두에두고그연구에대한책임의식을가져야할것이다.

과거의 전통적인 육종 방법은 유전자에 대한 지극한 존중과 그리고 그에 따른 책임을 요구하는

방법이다. 그러한 이유에서라도 현대의 첨단기술인 유전자변형기술은 전통적인 육종 방법에

기반을둔안정적이면서도새로운대량생산체계를이룰수있는상생의길을개척해나가야할

것이라고본다.

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