존 거든

1. 개요

존 거든은 영국의 생물학자이며, 개구리 체세포 핵을 이용한 복제 연구로 2012년 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 그는 어린 시절 곤충에 대한 관심으로 시작하여, 옥스퍼드 대학교에서 동물학으로 박사 학위를 받았고, 캘리포니아 공과대학교에서 박사 후 연구원으로 파지 연구를 진행했다. 1958년, 아프리카발톱개구리 올챙이의 체세포 핵을 이식하여 복제에 성공했으며, 이는 체세포 핵 이식 기술 발전의 토대가 되었다. 거든의 연구는 세포 재프로그래밍 분야를 개척했으며, 1995년 나이트 작위를 수여받았다.

2. 생애 및 학문적 배경

존 거든은 1933년 서리 주 디펜홀에서 태어났다. 에지버러 예비 학교를 거쳐 명문 이튼 칼리지에 진학했으나, 생물학 성적이 좋지 않아 과학자의 꿈을 포기할 뻔했다. 15세 때 성적표에는 "생물학 분야로의 진학을 생각한다면 전혀 시간 낭비이다. 그런 생각은 즉시 포기해야 한다."라고 적혀 있었다.

옥스퍼드 대학교 크라이스트 처치 칼리지에서 동물학을 전공하며 학문적 전환점을 맞이하게 된다. 옥스퍼드 대학교 입학 초에는 고전 문학을 전공했지만, 입학 담당자의 실수로 이과 전공생 정원이 30명 결원되면서 생물학 전공으로 전과하는 데 성공했다. 거든은 이 전과를 "행운의 만남"이라고 회고했다. 대학원에서는 곤충학 연구로 Ph.D.를 취득하려 했지만 신청이 거절되어 핵 이식 연구를 하게 되었고, 이 핵 연구가 훗날 노벨 생리학·의학상 수상 연구로 이어진다.

옥스퍼드 대학교에서 미하일 피시베르그 박사의 지도하에 개구리 속의 한 종인 아프리카발톱개구리에서 핵 이식을 연구했다. 1960년 옥스퍼드 대학교에서 Ph.D.를 취득한 후, 박사 후 연구원으로 캘리포니아 공과대학교에서 공부했다.

1963년 피시버그가 제네바 대학교로 옮겨감에 따라 공석이 된 옥스퍼드 대학교 크라이스트 처치 칼리지 동물학 강좌로 복귀 (1963년 - 1971년)하여 동물학 강좌 조교수, 부강사(부교수급)를 거쳤다. 1971년 막스 펄츠 교수의 초청으로 케임브리지 대학교로 옮겼다. 1972년 신설된 MRC 분자생물학 연구소에서 연구를 수행했고, 1979년 MRC 생물학 부문장, 1983년 케임브리지 대학교 분자생물학 강좌 교수, 1989년 케임브리지 대학교 웰컴 트러스트/UK 암센터·세포생물학 연구소를 설립했다.

1971년 왕립 학회 펠로우(FRS)에 취임했다. 생물학 연구의 공적으로 1995년 잉글랜드 국왕으로부터 나이트 훈위를 수여받아 "경(Sir)"의 칭호를 얻었다. 1994년부터 2002년까지 모들린 칼리지 학장을 역임했다.

거든은 진 엘리자베스 마가렛 커티스와 결혼하여 아들 한 명과 딸 한 명을 두었다.

2.1. 학창 시절과 초기 연구

에지버러 예비 학교를 졸업하고 이튼 칼리지에 입학한 거든은 생물학에서 250명 중 꼴찌를 기록했고, 다른 과학 과목에서도 최하위권에 속했다. 담당 교사는 보고서에 "과학자가 되려는 생각은 현재로서는 매우 터무니없다"라고 작성했다. 거든은 이 보고서를 액자에 넣어 보관하고 있으며, "실험이 잘 안될 때, 자신이 이 일에 재능이 없을 수도 있다는 것을 상기시켜준다"라고 말했다. 어린 시절부터 곤충에 관심이 많았던 거든은 이튼 칼리지에서 수천 마리의 애벌레를 나방으로 부화시키기도 했다.

옥스퍼드 대학교 크라이스트 처치에 입학한 거든은 처음에는 고전 문학을 전공했지만, 담당자의 실수로 이과 전공생 정원에 결원이 생기면서 동물학으로 전과하게 되었다. 거든은 이를 "행운의 만남"이라고 회고했다. 대학원에서는 곤충학 연구를 하려 했으나 거절당하고, 미하일 피시베르그 박사의 지도하에 아프리카발톱개구리를 이용한 핵 이식 연구를 시작했다.

1960년 옥스퍼드 대학교에서 철학 박사 학위를 취득한 후, 캘리포니아 공과대학교(Caltech)에서 박사 후 연구원으로 파지 연구를 수행했다. 그러나 파지 연구는 큰 성과를 거두지 못했고, 1년 만에 배아 연구로 복귀했다. 캘리포니아 공과대학교에서의 연구는 순조롭지 않았지만, 미지의 영역을 탐구한 경험이 과학자로서의 식견을 넓혀주었다고 밝혔다.

3. 핵 이식과 세포 재프로그래밍 연구

거든은 분화된 체세포의 핵을 난자에 이식하여 전분화능을 회복시키는 핵 이식 기술을 개발하고 그 메커니즘을 규명하는 데 핵심적인 연구를 수행했다.

3.1. 핵 이식 기술의 발전

1958년 옥스퍼드 대학교에 재직 중이던 거든은 아프리카발톱개구리 올챙이의 체세포에서 추출한 온전한 세포 핵을 사용하여 개구리 복제에 성공했다. 이는 1952년 로버트 브리그스와 토마스 조셉 킹이 배아 포배 세포에서 핵을 이식한 연구와 하르 스와럽이 1956년 가시고기 Gasterosteus aculatus에서 다배체 유도를 성공한 연구의 중요한 연장선상에 있었다. 당시 그는 이식된 핵이 완전히 분화된 세포에서 유래했음을 결정적으로 보여주지는 못했으나, 1975년 스위스 바젤 면역학 연구소에서 연구하던 그룹에 의해 최종적으로 증명되었다. 그들은 항체를 생성하는 림프구(완전히 분화되었음을 증명)에서 핵을 제거한 난자에 이식하여 살아있는 올챙이를 얻었다.

거든은 제노푸스(:en:Xenopus)를 사용하였는데, 이는 이식한 핵으로부터 유래한 배아 세포들을 구분할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있었다. 자외선(UV)을 쬐어주어 난자의 핵을 제거한 뒤 올챙이의 소장 상피에서 분화된 세포의 핵을 이식시키자 몇몇 올챙이들이 발생되었고, 연속적으로 핵을 이식하자 효율이 더욱 높아졌다. 이 전략을 사용하여, 거든은 많은 부분의 소장 상피 세포를 reprogramming해 보였다. 그는 분화된 체세포는 pluripotency를 다시 회복할 수 있는 가능성을 가진다고 결론지었으며, 추가 실험으로 어른 개구리에서 얻은 핵과 배아의 분화된 세포에서 얻은 핵을 모두 사용해 올챙이를 발생시켰다.

거든의 실험은 발달에 대한 개념을 바꾸면서 과학계의 주목을 받았으며, 그가 개발한 핵 이식 도구와 기술은 오늘날까지 사용되고 있다. 복제라는 용어(고대 그리스어 κλών(klōn, "가지"))는 이미 20세기 초부터 식물을 지칭하는 데 사용되었다. 1963년 영국의 생물학자 J. B. S. 홀데인은 거든의 연구 결과를 설명하면서 동물을 지칭하는 데 "복제"라는 단어를 처음 사용한 사람 중 한 명이 되었다.

거든의 발견으로 체세포 핵 이식(SCNT, Somatic Cell Nuclear Transfer)을 중심으로 분화된 체세포의 reprogramming과 어떻게 세포들이 분화되는지를 연구하는 새로운 분야가 생겨났다. 최초로 복제된 동물인 [https://en.wikipedia.org/wiki/Dolly_(sheep) 복제양 돌리]는 성체의 포유류 상피 세포에서 핵이 제거된 양의 난자로 체세포 핵 이식된 후 태어났다. 이 실험은 거든의 연구에 근거하였으나 그 기술을 약간 변형하여 사용하였는데, 정지 상태(quiescence, 휴면 상태)에 돌입한 포유류의 샘 상피세포를 사용하여 초기 발달 단계의 배아가 더 잘 synchronize(모든 세포들이 같은 세포 주기를 가지는 것)되게 만들었다. 복제양 돌리를 시작으로, 여러 가지 포유류들의 clone을 만드는 데에 체세포 핵 이식이 이용되고 있다. 쥐에서 면역계의 B세포와 T세포의 핵을 이식한 실험이 성공함으로써, 재배열된 immunoglobulin 유전자나 T-cell receptor 유전자 역시 쥐의 발달을 일으킬 수 있게 reprogrammed 될 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

3.2. 재프로그래밍 메커니즘 연구

거든은 미세 주입된 전령 RNA 분자를 번역하기 위해 아프리카발톱개구리 (고도로 수생적인 개구리 속)의 난자와 난모세포 사용을 개척했다. 이는 암호화된 단백질을 식별하고 그 기능을 연구하는 데 널리 사용된 기술이다.

거든의 최근 연구는 세포 분화에 관련된 세포 간 신호 전달 인자를 분석하고, 핵 재프로그래밍 과정, 특히 히스톤 변이체의 역할과 이식된 DNA의 탈메틸화를 포함한 이식 실험의 메커니즘을 규명하는 데 초점을 맞추고 있다.

4. 과학과 사회에 미친 영향

거든 교수의 발견으로 체세포 핵 이식(SCNT, Somatic Cell Nuclear Transfer)을 중심으로 분화된 체세포의 리프로그래밍과 세포 분화 과정을 연구하는 새로운 분야가 생겨났다. 최초로 복제된 동물인 [https://en.wikipedia.org/wiki/Dolly_(sheep) 복제양 돌리]는 성체 포유류 상피 세포의 핵을 제거한 양의 난자에 체세포 핵을 이식하여 태어났다. 이 실험은 거든 교수의 연구를 바탕으로 하였으나, 기술을 약간 변형하여 정지 상태(휴면 상태)에 있는 포유류 샘 상피세포를 사용, 초기 발달 단계의 배아가 더 잘 동기화(모든 세포들이 같은 세포 주기를 가지는 것)되도록 만들었다. 복제양 돌리를 시작으로 여러 포유류 복제에 체세포 핵 이식이 이용되고 있다. 쥐의 면역계 B세포와 T세포 핵 이식 실험 성공으로 재배열된 immunoglobulin 유전자나 T-cell receptor 유전자 역시 쥐의 발달을 유도할 수 있도록 리프로그래밍 될 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

4.1. 재생 의학 및 질병 치료

거든 교수의 발견으로 체세포 핵 이식(SCNT)을 중심으로 분화된 체세포의 리프로그래밍(reprogramming)과 세포 분화 과정을 연구하는 새로운 분야가 생겨났다. 이미 분화가 끝난 체세포를 자외선(UV) 처리하여 분화 이전 상태인 유도만능줄기세포로 역분화시키는 것은 세포학에 대한 기존 견해를 뒤집는 획기적인 발견이었다. 야마나카 신야는 거든이 기반을 세운 역분화를 현실적인 기술로 구현하여 체세포로부터 유도만능줄기세포를 확립하는 새로운 분야를 개척하였다. 유도만능줄기세포는 환자 자신의 체세포를 이용하므로 면역 거부 반응이 없고, 배아줄기세포 연구에서 비판받았던 윤리적 문제도 해결한다. 이를 이용하여 환자 맞춤형 신약 개발 등 맞춤형 치료가 가능해질 수 있으며, 재생의학이나 난치병 치료 등 의료 전반에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.

4.2. 윤리적 논쟁과 사회적 책임

분화가 끝난 체세포에 UV(자외선) 처리를 통해 분화되기 이전의 상태인 유도만능줄기세포로 역분화시킨다는 것은 세포학에 대한 기존의 견해를 뒤집는 획기적인 것이었다. 복제양 돌리 탄생 이후, 여러 포유류에게 이 실험 방법이 시도되었고, 일본의 야마나카 신야는 거든이 기반을 세운 역분화를 현실적인 기술로 구현하여 체세포로부터 유도만능줄기세포를 확립하는 새로운 분야를 개척하였다. 유도만능줄기세포는 환자 자신의 체세포를 이용하여 만들기 때문에 면역 거부 반응이 없을 뿐만 아니라, 수정란에서 발생하고 있는 배아를 파괴하여야만 얻을 수 있었던 배아줄기세포 연구에서 비난받았던 윤리적인 문제도 해결해 준다. 앞으로 이를 이용하여 환자에게 맞는 신약을 개발하는 등 맞춤형 치료가 가능해질 수 있으며, 재생의학이나 난치병 치료 등 의료 전반에 두루 유용하게 쓰이리라 기대되고 있다.

5. 수상 및 서훈

거든은 핵 이식과 세포 재프로그래밍 연구의 공로로 다양한 상을 받았다. 1995년 나이트 학위를 받았으며, 2004년에는 웰컴 트러스트/암 연구 UK 세포 생물학 및 암 연구소가 그의 업적을 기려 거든 연구소로 명칭이 변경되었다.

5.1. 주요 수상 내역

야마나카 신야는 거든과의 노벨상 공동 수상에 대해 "거든 선생님과 함께 상을 받게 되어 매우 기쁩니다. 거든 선생님은 개구리 연구를 통해 성체 세포가 수정란 상태로 되돌아갈 수 있다는 것을 핵 이식 기술로 증명했습니다. 이는 제가 하고 있는 연구의 길을 열어주신 것입니다."라고 말했다.

5.2. 서훈

존 거든은 1971년에 왕립 학회 회원(FRS)으로 선출되었고, 1995년에는 나이트 학위를 받았다. 1978년 미국 예술 과학 아카데미, 1980년 미국 국립 과학 아카데미, 1983년 미국 철학회 회원으로 선출되었으며, 2005년부터는 미국 해부학자 협회 명예 회원으로 활동하고 있다.

1989년에는 "분화된 세포의 핵과 난자의 유전 물질 발현에는 차이가 있지만 내용에는 차이가 없음을 증명한 공로"로 울프 의학상을 수상했다. 2009년 앨버트 래스커 기초 의학 연구상을 수상했으며, 2014년에는 왕립 의사 협회에서 하비 연설을 했다. 2017년에는 미국 성취 아카데미의 골든 플레이트 상을 받았다. 의학 아카데미 회원(FMedSci)이자 런던 동물학회 회원(FZS)인 그는 명예 DSc(Oxon) 및 명예 ScD(Cantab)를 포함한 명예 박사 학위를 받았으며, 그 외에도 많은 학술상 목록과 메달을 받았다.