두 개의 정자 세포로 탄생한 최초의 생쥐

최초로 두 명의 유전적 아버지를 가지지만 어미는 없는 건강한 생쥐 탄생

어미가 필요 없음:

연구진은 정자만으로 생식이 가능한 생쥐를 최초로 만들어냈다. 이 생쥐는 유전적 아버지가 두 명이지만 어미는 없다. 이는 포유류에서 이러한 홑 부모 임신에 대한 기존 장벽을 허무는 최초의 사례다. 어미가 없는 생쥐는 7개 유전자 영역의 DNA 태그를 표적 조작하여 탄생했다. 이 태그는 일반적으로 부모로부터 유전받은 염색체 중 어떤 사본이 배아에서 활성 상태를 유지하고 어떤 사본이 억제될지를 조절한다. 

▲ 정상적으로 임신된 마우스 배아와 두 개의 정자에서 발달한 마우스 배아의 비교. © Wei et al./ PNAS, CC-by-nc-nd 4.0

모든 포유류와 마찬가지로 우리 인간은 이배체다. 우리 몸의 모든 세포에는 유성 생식의 결과로 어머니로부터 한 세트의 염색체와 아버지로부터 한 세트의 염색체가 있다. 이 염색체의 DNA에 있는 태그는 두 개의 DNA 사본 중 어떤 사본이 배아에서 활성 상태를 유지하고 어떤 사본이 억제될지를 조절한다. 이러한 유전체 각인(imprinting)의 모계 및 부계 패턴은 완벽하게 얽혀 있다. 따라서 두 개의 난자 또는 두 개의 정자에서 건강한 자손이 발생할 수 없다. 두 개의 후생유전학적 각인 패턴이 일치하지 않기 때문이다.

상하이 교통대학교 생식의학센터의 얀창 웨이(Yanchang Wei)와 그의 동료들은 "각인은 아마도 동성 부모를 둔 배아의 발달을 막는 주요 장벽일 것이다"고 설명했다. 2018년, 연구진은 이 각인 패턴을 편집해 두 명의 어미를 가진 생존 가능한 생쥐를 만드는 데 성공했다. 그러나 두 명의 아버지를 둔 생쥐는 출생 전이나 직후에 사망했다.

후생유전학적 각인은 매우 중요하다. 이제 웨이와 그의 팀은 최초로 두 개의 정자에서 생존 가능한 생쥐를 만드는 데 성공했다. 이 생쥐들은 유전적으로 두 명의 아버지를 가졌지만, 어머니는 없었다. 이전의 접근법과는 달리, 안드로겐 생성으로 태어난 이 생쥐들 중 두 마리는 성체까지 생존했다. 이는 후생유전학적 각인 패턴의 향상된 적응을 통해 가능했다. 웨이와 그의 동료들은 배아의 올바른 유전적 각인과 정상적인 발달에 필수적인 후생유전학적 부속기를 가진 7개의 DNA 영역을 발견했다.

"이러한 각인 제어 영역(ICR) 중 두 개는 아버지로부터, 다섯 개는 어머니로부터 유래한다"고 연구팀은 보고했다. "이 ICR의 손상은 치명적이거나 심각한 발달 장애를 유발한다." 즉, 정자는 자연적으로 이 7개의 필수 각인 제어 영역 중 두 개만 가지고 있기 때문에, 모계 ICR 5개를 추가해야 하며, 그래야만 두 명의 아버지를 가진 배아가 정상적으로 발달할 수 있다.

두 정자에서 유래한 배아

바로 이 부분에서 웨이와 동료들의 방법이 활용됐다. "우리는 대립유전자 특이적 유전체 편집 전략을 개발했다"고 그들은 설명했다. 연구진은 2021년에 개발된 CRISPR/Cas9 유전자 편집 도구의 변형을 사용해 적절한 DNA 위치를 찾고, 그 위치의 메틸기 결합을 올바른 패턴에 따라 수정했다. 그들은 이 유전 도구를 두 개의 정자 머리가 최근 이식된 핵이 제거된 난자 세포에 주입했다.

그리고 실제로 두 개의 정자 머리가 융합하여 첫 번째 세포 분열을 성공적으로 완료하여 배반포로 이어졌다. 실험 결과, 후성유전적 각인 패턴의 적응은 대부분의 접근법에서 성공적이었다. 연구팀은 "대부분의 표적 대립유전자는 계획대로 탈메틸화되거나 메틸화되었지만, 다른 대립유전자에서는 메틸화 변화가 나타나지 않았다"고 기술했다. "이는 이러한 편집이 대립유전자 특이적이며 매우 효율적임을 보여준다.“

다음 단계로, 연구진은 두 개의 정자에서 생성된 259개의 배아를 18마리의 대리모 쥐에 이식했다. 이 중 16마리가 임신했다. 20일이 채 지나지 않아 이식된 배아 중 7마리가 새끼 쥐로 발달했다. 그러나 4마리는 예정일 직전에 죽었고, 다른 1마리는 너무 크게 자랐다.

▲ 이 두 마리 쥐는 정자 융합을 통해 탄생했다. 유전적 어머니는 없지만 아버지는 두 명이다. © Yanchang Wei

안드로겐 생성을 통해 태어난 최초의 건강한 생식 쥐

또한 새끼 쥐 중 두 마리는 정상적으로 발달하고 생존 가능한 것으로 나타났다. 웨이와 그의 동료들은 "이 두 새끼 쥐는 정상적인 크기와 형태를 가지고 있었으며 성체 수컷 쥐로 발달했다"고 보고했다. 연구진이 암컷 생식세포 없이 두 개의 정자만으로 안드로겐 생성을 통해 생존 가능한 포유류를 생산하는 데 성공한 것은 이번이 처음이다.

두 마리의 새끼 쥐는 유전적, 후성유전적으로 정상일 뿐만 아니라 생식 능력도 있는 것으로 나타났다. 암컷 쥐와 교미한 후, 각각 여러 마리의 건강한 새끼를 낳았다. 웨이와 동료들은 "새끼 쥐는 체중, 크기, 외모 면에서도 완전히 정상적으로 보인다"고 보고했다.

연구팀에 따르면, 이는 포유류에서 안드로겐 생성이 근본적으로 가능함을 보여준다. 따라서 두 명의 아버지를 가진 자손을 낳는 데 대한 자연적인 장벽은 후성유전학적 각인 패턴의 표적 편집을 통해 극복할 수 있다. 웨이와 그의 동료들은 "이전의 연구 결과와 더불어, 우리의 결과는 몇 가지 중요한 ICR의 적응을 통해 포유류에서 단부모 생식이 가능함을 보여준다"고 말했다.

인간에게도 이것이 가능할까요?

하지만 이것이 인간에게 의미하는 바는 무엇일까? 이러한 방법으로 미래에 두 명의 유전적 아버지 또는 어머니를 가진 아이를 낳을 수 있을까? 인간의 각인 패턴이 생쥐와 동일하다면 이론적으로는 가능할 수 있다. 그러나 생쥐를 대상으로 한 홑 부모 생식 연구는 아직 초기 단계에 있다. 편집 및 이식된 모든 배아 중 생존 가능한 생쥐로 발달한 비율은 0.8%에 불과하다.

만약 이러한 실험이 인간 배아를 대상으로 수행된다면, 이는 배아 보호법을 위반하는 것이며 윤리적으로도 매우 의심스러운 결과를 초래할 것이다. ICR 편집이 실패하거나 기형으로 판명된 인간 배아는 어떻게 될까?

참고: Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025; doi: 10.1073/pnas.2425307122)

출처: Proceedings of the National Academy of Sciences