빅트렌드: 유전자, 유전체 분석(일루미나를 알아보기 전 유전체(Genomics)의 개념과 확장 가능성을 알아보자)

안녕하세요. 내일의 그래프입니다.

이번에는 전세계 유전체 분석 장비 시장의 선두주자인 일루미나에 대해서 알아보려 합니다.  그에 앞서, 유전체검사가 무엇인지 알아보고 이 시장의 성장 가능성을 먼저 알아보곘습니다. 

 

2013년 안젤리나 졸리는 유전체 분석을 통해 암에 걸릴 확율이 매우 높다는 진단을 받았습니다. 유방암으로 발달될 확률은 87%, 난소암은 50%였습니다. 그런데, 졸리는 가슴을 절제하는 수술을 감행해 전세계 팬들과 언론으로부터 집중적인 스포트라잇을 받았습니다. 이후 2년 후 다시 난소와 나팔관을 절제하는 수술을 받았습니다. 이유는 분명했습니다. 졸리의 외할머니와 어머니, 이모 등은 모두 유방암과 난소암으로 이른 나이에 돌아가셨고 검사 결과 졸리도 그 유전자를 고스란히 물려받은 것으로 판명을 받았기 때문입니다. 당시 굉장히 획기적인 뉴스였던 것으로 기억을 합니다. 2011년 췌장암으로 세상을 떠난 스티브 잡스도 10만달러를 들여 유전자 검사를 받았습니다. 하지만 당시에는 암을 유발하는 유전 변이를 치료할 약이 없었습니다. 이제 유전체학의 발달과 정밀의학의 부상은 질병과 치료행위를 근본적으로 바꿀 것으로 예상됩니다. 

 

우선 유전체 개념을 먼저 짚어보겠습니다. 우리 몸에는 엄청나게 많은 세포가 있습니다. 성인에게는 50억개의 세포가 있다고 합니다.  그리고 그 세포에는 핵이 있죠.  이 세포 핵 속에 유전 정보를 담은 실타레인 염색체가 23쌍 들어 있습니다.  염색체는라는 책은 단백질과 DNA 구성되어 있는데, 실제로 의미를 전달하는 구성요소는 DNA입니다.  DNA가 가지고 있는 최소 단위의 정보 하나하나가 바로 유전자입니다. DNA를 자세히 들여다보면 막대기 같은 것이 일정한 가격으로 붙어 있는 두끈이 나선형으로 배배 꼬여 있다는 것을 알 수 있습니다.  두 끈 사이에 붙어 있는 막대기도 자세히 보면 두 개의 서로 다른 조각이 결합된 것입니다. 이 각각의 조각을 염기라고 합니다. 영어는 26개의 알파벳으로 구성되어 있고, 컴퓨터는 0과 1로 된 2진수를 언어로 사용하며 DNA의 언어는 아데닌(A), 구아닌(G),티민(T), 시토신이라는 염기로 구성된 4진수로 이루어집니다.마치 알파벳의 기호들이 일정한 순서로 배열되어 단어나 문장을 구성하듯, 이러한 질소염기의 순서 또는 서열 안에 한 생물체를 구성하고 유지하는데 필요한 정보들이 담겨있습니다.

DNA는 우리 몸을 만드는 것과 관련한 아주 자세한 청사진이 들어 있습니다. 사람들간의 청사진인 염색체는 99.5%가 유사하고 0.5%가 서로 다르다고 합니다. 청사진의 차이에 따라서 어떤 사람은 금발에 파란 눈을 어떤 사람은 검은 머리와 검은 눈동자를 가지게 됩니다. 청사진에 따라서 어떤 사람은 언어에 재능을 보이기도 하고, 어떤 사람은 수학, 어떤 사람은 음악에 재능을 보이기도 합니다. 청사진은 질병과도 연관성이 높은데, 어떤 사람은 당뇨병이나 고혈압에 잘 걸리고 어떤 사람은 암으로 고생할 확률이 훨씬 높아집니다. 

유전체(genome)란 생명체가 가지고 있는 모든 유전적 정보의 총합으로, ‘게놈’이라고도 부릅니다. 생명체의 표현형에 대한 개별 유전정보인 유전자(gene)를 한 장의 종이라고 생각하면,  모든 표현형에 해당하는 종이들을 한꺼번에 모아놓은 책을 유전체(genome)에 비유할 수 있습니다. 유전자를 gene이라고 하고 유전체를 genome이라고 합니다.

 

1990년 미국을 중심으로 유전자지도를 만들기 위해 휴먼게놈프로젝트가 시작되었고, 이때 책정된 예산은 27억 달러였습니다. 우리돈으로 3조원 정도가 소요됐습니다.과학의 비약적인 발전으로 현재는 1,000달러 미만의 비용으로 본 개인이 유전자지도를 소유할 수 있고 앞으로 그 비용은 더 저렴해질 것입니다.  자신의 유전자 지도를 소유한다는 것의 의미는, 앞으로 미래에 발생할 수 있는 질환을 알고 미리 대비 할 수 있게 됩니다. 암세포를 조기에 분석해 미리 예방할 수 있게 됩니다. 암에 걸렸을 때는 정상 DNA와 비교를 통해 맞춤 항암제를 적용해서 신속하고 적절한 치료가 가능합니다. 그리고 희귀 난치성 질환자들의 게놈 및 임상데이터를 통해 신약개발을 가속화 하게 됩니다. 개인의 일생을 살면서 취약할 수 있는 다양한 질환과 생활 습관에 따른 유전적 위험 및 특징을 계산해 맞춤형 헬스케어가 가능 합니다. 

구체적으로 유전체 시장에서 나타날 주요 트렌드를 알아보겠습니다.

 

1. 더욱 보편화될 유전체 검사  

 

앞서 언급했듯이, 2003년 완성된 휴먼게놈프로젝트에서는 한 사람의 유전체 시퀀싱을 분석하는데 무려 13년이 걸렸었고 그 비용은 3조원이 들었습니다. 이 당시는 생어시퀀싱이라는 방식으로 염기 하나 하나를 분석했기 때문에 그만큼 시간과 비용이 많이 든 것입니다. 2008년에는 생어시퀀싱이 아닌, 차세대염기서열분석(Next-Generation Sequencing, NGS)가 등장하였는데, 하나의 유전체를 무수히 많은 조각으로 분해하여 각 조각을 동시에 읽어낸 뒤, 이렇게 얻은 데이터를 생물 정보학적 기법을 이용하여 조합함으로써 방대한 유전체 정보를 빠르게 해독할 수 있게 되었습니다.이 NGS는 발전을 거듭하면서 2019년 현재는 100만원 미만의 가격으로 2일 정도만에 분석이 가능하게 되었다. 옥스퍼드 나노포어라는 새로운 NGS는 무려 15분만에 시퀀싱을 하기도 하니, 더 이상 유전체 분석을 하는데는 시간과 비용은 문제가 아닌 시대가 된 것입니다. 무어의법칙보다 검사 가격은 더욱 빠르게 감소하고 있습니다. 소비자의 유전자 검사의 접근성이 용이해지면서 아마존 프라임 데이 할인행사에서는 가정용 유전자 검사 키트가 베스트셀러로 기록되기도 하였습니다. 아크자산운용은 유전체 분석 검사 수가 2019년 약 260만에서 2024년까지 약 1억번까지 기하급수적으로 증가할 것이라고 예상하고 있습니다. 

2. 정부 차원의 정책 강화

 

가장 적극적인 정책 지원을 시행하는 국가는 미국, 영국, 중국이고 이들은 100만명의 유전체 데이털르 2023년까지 확보하겠다는 목표를 가지고 추진 중입니다. 유전체 정보의 생산과 분석 연구는 단지 신약, 진단/예방에만 국한되는 것이 아닌, 향후 국방, 농업, 수산, 식품, 환경, 에너지 등 거의 모든 산업 영역에 막대한 파급효과를 미치는 핵심 기술로서 선진국은 물론 개발도상국에서도 경쟁적으로 투자를 확대해 나가는 분야이다.

3. 유전체 분석시장의 무게중심도 하드웨어드에서 소프트웨어(분석)로 이동할 것으로 예상

 

예시로, 다른 의료데이터와 병행해서 초기단계에서 암을 진단할 수 있게 되고, 암 진단과 유전자 분석에 따른 정밀 의료도 가능하게 되고, 주기적인 모니터링을 통해 재발 위험도 조기에 포착할 수 있게 됩니다. 대량의 유전자 분석이 이루어진다면 수많은 유전자의 특성을 동시에 알아낼 수도 있고, 유전자들끼리의 상호 연관관계도 알아낼 수 있어 알려지지 않은 질병, 변이, 해독분석이 가능해질 수 있습니다. 각종 질병의 예방과 진단 그리고 개개인의 맞춤 의학에 활용될 수 있는 시대가 오고 있습니다.  암은 다양한 원인에 의하여 발생하지만 일부 암들은 타고난 특정 유전자의 변이에 의해 발생합니다. 이러한 암과 관련된 변이를 가진 경우 그렇지 않은 사람들에 비해 암이 발생할 가능성은 매우 커집니다. 유전성 암은 부모로부터 물려받은 유전자 이상에 의해 발생하며 동일가계 내에 암 환자 발생확률이 높으므로 유전자 진단을 통한 조기발견과 정확한 원인파악이 필요합니다. 유전체 분석으로 질병 위험을 예측하고 원인을 발굴하고 암 발생여부를 모니터링할 수 있게 됩니다.  희귀질환의 경우에는 지금까지 알려진 희귀질환의 수는 8,000여 가지 입니다. 그 중 80%가 유전변이에 의해 발생되는 선천성 유전 질환에 해당합니다. 질환 각각의 유병률은 매우 낮지만 질환의 종류가 매우 많고 증상이 다양하여 이에 대한 위험도는 전 세계적으로 높은 편에 속합니다. 희귀 유전질환 스크리닝 검사의 경우 증상이 모호한 환자들을 대상으로 정확한 질환을 진단받고 그에 맞는 처방에 대한 가이드라인을 수립할 수 있습니다. 구글, 아마존, IBM, 마이크로소프트와 같은 Big Tech 업체들도 머신러닝, 예측모형 설계 등 AI 기술에 접목할 예측 분석 솔루션에 공격적인 투자를 진행하고 있습니다.

4. 정밀의료

 

NGS 기술과 장비 발전으로 정밀의료 시대는 한 발짝 더 가까워질 것으로 기대됩니다. 이전에는 동일 질병의 환자들에게 동일한 약을 처방하고 효과가 없으면 약을 바꿨다면 앞으로는 환자를 유형별로 분류해 맞춤 처방이 가능해집니다. 정밀의료란 유전체 정보를 바탕으로 개개인에게 최적의 치료 방법을 제공하는 의료서비스로 개개인의 유전정보에 따라 다른 치료법을 처방하게되어 치료효과는 높이고 부작용을 최소화할 수 있게 됩니다. 주목받는 분야는 표적치료와 면역항암요법입니다. 표적치료란 변이 유전자를 찾아내 이를 표적으로 하는 치료 형태이며 면역항 암요법은 면역체 계를 활성화시키고 자가면역을 높여 면세포가 암세포를 공격하게끔 만드는 치료법이다. 
또 유전자 가위 기술인 크리스퍼는 이전세대 유전자가위보다 정확성과 효율성 면에서 상당히 발전하여 사용하기 편리하고 비용이 저렴해 인기를 얻고 있습니다. 실제 칼 준 미국 펜실베이니아대 의대 세포면역치료센터 소장 연구팀은 CRISPR Cas9를 활용해 암 환자 3명의 면역세포 유전자를 편집하는 데 성공하였으며, 올해 유전자 편집 면역세포를 주입한 암 환자가 부작용 없이 장기간 생존하며 첫 임상 시험을 성공적으로 통과했습니다.
또, 살아있는 약(living drug)을 활용하여 환자의 면역세포들을 개량·활성화해 암세포를 공격, 사멸케 하는 방법도 점점 연구가 진행되고 있습니다. 예로 CAR-T라는 새로운 백혈병 치료법은 면역체계의 전사들이라고 할 수 있는 T세포로 불리는 백혈구를 환자 혈액에서 분리해 유전학적으로 가공하고 암을 식별해 사멸시킬 수 있도록 수를 늘려서 다시 환자에게 주입하는 방식입니다. 

 

유전체학 및 정밀 의학의 부상은 건강 관리를 이해하고 전달하는 방법을 근본적으로 바꿀 것으로 예상이 됩니다. 빅 데이터, 향상된 분석 및 확장 가능한 컴퓨팅 기능은 모든 종류의 질병이 인류를 괴롭히는 방법에 대한 전례없는 통찰력을 제공하고, 치료를 돕고, 더 중요한 것은 어떻게 예방할 수 있을지를 보여줄 것 같습니다.

 

이와 같이 간단히, 유전체에 대해서 알아보았습니다.