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TECH M

무서울 만큼 정확한 유전자 기반 운명예측기술

2018-04-10독점제휴=MIT테크놀로지리뷰

DNA측정이 지적능력, 질병에 걸릴 가능성 등을 점점 더 정확하게 예측하고 있다.

[테크M 독점제휴=MIT테크놀로지리뷰]

젊은 심장 전문의 아미트 케라(Amit Khera)는 어떻게 병을 예측하는지 설명할 때 공중에 손을 흔들어 가상의 인구 기둥을 그린다. 이 기둥은 심장마비 환자 3만명, 저 기둥은 건강한 통제집단 10만명을 뜻한다.

오늘날에는 그 어느 때보다 쉽게 여러 사람의 유전자 데이터에 접근할 수 있다. 이러한 정보의 풍요는 환자가 당뇨병, 관절염, 동맥경화증, 우울증 같은 흔한 질병에 걸릴 확률을 연구자들이 쉽게 예상할 수 있게 해주고 있다.

의사들은 이미 개별 유전자에 있는 희귀하고 치명적인 돌연변이를 검사하고 있다. BRCA유방암 유전자나, 염기서열 한글자의 변이로 일어나는 ‘낫 모양 적혈구빈혈증’ 등이 좋은 예다. 그러나 대부분의 흔한 질병에서는 이와 같은 변이와 질병간의 일대일 대응(X유전자)이 일어나지 않는다. 대신 그런 질병들은 최근까지 제대로 파악하지 못했던 복잡한 요인에 의해 발병한다.

그를 만나러갔을 때, 케라는 ‘폴리지닉 스코어(polygenic score)’ 체계를 구축하는 중이었다. ‘폴리(poly)’란 접두어는 단 하나의 유전자가 아니라 수천가지 유전자를 한꺼번에 계산한다는 의미다. 이 점수체계는 특정 개인의 심방세동(불규칙한 심박 수)이 발생할 확률을 예측한다. 심방세동은 흔한 질환이지만 대부분 심장마비로 응급실에 실려 와서야 진단을 받는다.

케라는 스크린을 가리켰다. 거기에 익명 기증자들의 DNA를 나타내는 7자리수와 함께 그 점수가 쓰여 있었다. 환자들의 위험성 점수는 평균의 4배였다.

케라는 매사추세츠 캠브리지 대학의 브로드연구소에서 심장전문의이자 유전자헌터인 세카르 카티 레산이 이끄는 연구팀에서 일한다. 그는 이 점수체계가 지금까지 의사들을 괴롭혀왔던 희귀한 유전 결함만큼이나 효과적으로 발병확률을 예측할 수 있을 것이라고 말한다.

케라는 “미래에는 어릴 때 간단한 보고서를 받게 될 것” 이라고 말한다. “여기 10가지의 질병이 있고, 이것이 당신의 위험척도라고 말해 주는 보고서지요. 심장질환은 백분위 90%, 유방암은 50%, 당뇨병은 제일 낮은 10%라는 식입니다.”

이 같은 종합보고서가 아직 상용화되지는 않았지만, 이것을 가능하게 하는 기술은 이미 존재한다. 영국바이오뱅크(UK Biobank)는 50만명이 넘는 영국인들의 DNA와 의료기록을 수집한다. 이와 같은 거대 데이터베이스를 이용해 유전학자들은 더 많은 사람들의 삶을 관찰하고 유전체와 그들의 질병, 성격, 심지어 습관 사이의 상관관계까지 추출하고 있다. 불면증의 원인을 찾기 위한 가장 최근의 유전자 탐색 프로젝트는 131만 10명에 달하는 기록적인 정보를 이용했다.

자료 규모만 봐도 케라 같은 과학자들이 여러 질병이나 형질과 관련된 유전자 변이의 복잡한 패턴을 찾게할 것으로 기대된다. 이같은 패턴은 이전의 좀 더 제한된 연구에도 숨겨져 있었지만 이제 더 큰 데이터에서 더 작은 신호들을 찾아내려는 노력이 빛을 발하고 있다. 케라는 가장 단순한 유전체조각(영화티켓 크기의 100달러짜리 DNA 판독 칩으로 만든 것)만으로도 유전적인 강·약점을 회계장부 대조하듯 쉽게 분석할 수 있다.

심장 전문의 아미트 케라는 브로드연구소에서 DNA로 질병을 예측하는 연구팀과 함께 하고 있다.

이 같은 예측은 초기에는 ‘믿거나 말거나’ 수준이었지만 점점 정확해지고 있다. 작년 시행한 한 검사는 유전체내 DNA 서열 2만개 만으로 4cm내의 오차로 키를 예측했다. 예측 기술이 발달할수록 비슷한 검사들이 시장에 쏟아져 나올 것이다. 캘리포니아의 의사들은 사용자가 유전자 데이터를 올리면(이를 바탕으로) 관상동맥질환의 위험가능성을 예측 해주는 아이폰 애플리케이션을 테스트 하고 있다. 지난해 9월 미리아드 제네틱스(Myriad Genetics)는 손상된 BRCA 유전자를 물려받은 여성뿐만 아니라 모든 여성의 유방암 발병가능성을 예측하는 테스트를 상용화했다. 헬릭스(Helix)의 섀론 브릭스 선임 연구원은 DNA 검사를 제공하는 온라인 스토어를 운영중인데, 이중 대부분이 향후 3년 안에 위험도 점수를 사용하게 될 것 이라고 말했다. 그는 “스코어 시스템이 완전히 새로운 것은 아니지만 전보다 훨씬 좋아지고 있다”며 “데이터가 더 풍부해졌기 때문”이라고 설명했다.

작은 영향들

인간 게놈 프로젝트(Human Genome Project)의 완성을 바탕으로 10여년전 현대적인 유전자 탐색이 시작되었을 때, 의학 연구자들은 몇몇 유전적 결함을 바탕으로 당뇨병 같은 흔한 질병을 설명할 수 있게 될 것으로 믿었다. 미국 국립 보건 원장이자 인간 염기서열 분야의 선구자인 프랜시스 콜린스는 2006년 “12개 이상의 유전자가 (당뇨병의) 발병에 영향을 미치는 것으로 추정하고 있다” 며 “앞으로 2년 안에 이 유전자들이 모두 밝혀질 것” 이라고 자신 있게 선언했다.

이것이 현실화 됐다면 지금쯤 약품 개발자들은 짧은 유전자 목록만으로 명확한 표적 유전자를 알아냈을 것이다. 이는 또 수억 달러의 세금으로 자금을 조달한 제약 산업에 정당성을 쉽게 부여했을 것이다.

황반변성을 비롯한 몇몇 질병에서, 이 노력은 결실을 맺었다. 그러나 대부분의 질병에서 유전학자들은 성과를 거두지 못했다. 2009년경 야콜린스 등 연구자들은 ‘잃어버린 유전 가능성’ 문제에 대해 심각하게 논의하기 시작했다.

그렇다면 질병을 일으키는 유전자는 어디 숨어 있었던 것일까? 밝혀진 바로는 모든 곳에 있다. 2014년 유전학은 이를 증명할 수 있을 만큼 발전했다. 유전자 연구에 참여한 당뇨병 환자수가 661명에서 1만128명, 8만1412명으로 증가함에 따라 예측의 정확성 역시 높아졌다. 기존 12가지 유전자 대신, 이제 우리는 제2형 당뇨병 발병에 최소한 400개(아마도 훨씬 많이)의 인간 DNA 위치가 영향을 미친다는 사실을 안다. 위치 하나하나는 작고 발견하기 힘든 영향을 끼친다.

일반적인 질병의 궁극적인 원인을 찾는 과학자들에게, 이는 큰 실망거리다. 당뇨병, 우울증, 조현병 등의 원인이 마치 고운 설탕처럼 유전체 전체에 흩어져 있다는 사실은 이것들을 이해하거나 치료하려면 아직 멀었다는 것을 의미한다. 브로드연구소의 유전학자 마크 데일리(Mark Daly)는 “아무도 이것이 답이길 원하지 않았지만 사실임은 인정해야 한다”고 말했다.

유전자가 갖는 분산된 특징이 질병을 더 이해하기 어렵게 만드는 반면, 일부 데이터는 예측을 쉽게 해주기도 한다. 카티레산 연구팀은 모델을 만드는데 한 사람의 유전체 중 660만개의 위치를 사용했다. 한 위치는 DNA 염기서열 한 글자를 뜻한다. 당신의 염기서열이 A(아데닌)인 곳에 내 DNA는 G(구아닌)가 있을 수 있다. 대규모 유전자 연구 덕분에 케라는 이제 해당위치에 G를 가진 사람이 심장마비를 일으킬 확률이 얼마나 더 높을지 계산 할 수 있다. 0.1% 정도 높아진다고 치자. 이는 무시할 만한 수치다.

그러나 작은 유전적 영향을 모두 더하면, 결과에 큰 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 관상동맥질환 예측 프로그램을 만들었을 때, 카티레산 연구팀이 가장 위험성이 높다고 예측한 상위 2.5% 환자들은 동맥경화를 일으킬 확률이 평균보다 4배 높았다. 이는 고콜레스테롤혈증 가족력이 있는 사람이 동맥경화를 일으킬 위험도와 비슷하다. 고콜레스테롤혈증은 비정상적으로 높은 혈중 콜레스테롤 농도를 보이는 것으로, 하나의 유전자만으로 결정된다. 의사들은 왜 유전자에 주목하는 만큼 유전체 위험성지수에는 주목하지 않는 것일까?

카티레산은 “이 때문에 내가 설득된 것”이라고 말했다. 그리고 유전체 예측 프로그램이 적색경보를 띄우는 사람들의 수는 더 많아질 것이다. 고콜레스테롤혈증 가족력은 250명 중 한명 정도에게만 영향을 준다. 그는 게놈 스코어를 통해 지금보다 약 8배 많은 사람들의 높은 심장질환위험성을 진단할 것이라고 믿는다.

하지만 새로운 위험정보를 어떻게 대중에게 전해줘야 할지는 불확실하다고 말했다. 그는 애플리케이션을 출시하거나 진단회사에 통계모델을 판매하는 방법을 고려중이다. 그는 “모두가 자신의 스코어를 궁금해 한다”며 “모두가 심장질환 예측상품이 언제 나오느냐고 묻지만 아직 연구 중이라고 답한다”고 밝혔다.

심장질환은 어떤 면에서 위험스코어를 이용할 최고의 사례일지 모른다. 일상 속에서 위험을 줄일 수 있기 때문이다. 예를 들어 다이어트를 한다든가 콜레스테롤저하제를 복용하는 등 실질적인 행동을 취할 수 있다. 확률은 이미 심장질환 치료의 큰 부분을 차지한다. 케라는 매주 매사추세츠종합병원에서 직접 환자들을 진료한다. 그는 환자의 나이, 몸무게, 콜레스테롤 수치, 흡연 등의 생활습관을 종합해 향후 10년 안에 심장마비를 일으킬 확률을 예측한다. 이제 게놈 스코어가 이 모델에 추가되면 예측은 더 정확해질 것이다.

DNA 예측은 다른 위험인자와는 달리 생애 중 언제든 측정이 가능하다는 점에서 강력하다. 케라는 다음과 같이 말했다.

“18살 짜리들을 줄 세워 놓았다면 콜레스테롤 수치가 높거나 당뇨병을 가진 사람은 없을 겁니다. 모든 줄의 값이 0이고, 누가 제일 발병 위험성이 높은지에 따라 분류할 수도 없지요. 그러나 100달러짜리 테스트만으로 많은 질병에 대해 적어도 50세까지의 발병확률에 따라 계층화 할 수 있습니다.”

위험한 지식

이제 제약회사들이 주목하기 시작했다. 지난해 샌디에이고 캘리포니아대학의 뇌 연구자 앤더스 데일 교수는 알츠하이머의 위험도 계산기를 판매하겠다고 발표했다. 이 제품은 질병이 발병할지, 발병 한다면 언제가 될지 예측한다.

이 서비스는 이번 여름까지는 출시되지 않을 것이지만 데일은 이미 제약회사들로부터 연락을 받고 있다. 그는 이 중 세기업과 함께 알츠하이머 약의 임상실험에 참여한 환자들의 DNA를 분석하고 있다. (어느 기업인지 밝히는 것은 거부했다) 신약 개발에 몇 십억 달러가 들었음에도 지금까지 시도한 사람들은 모두 실패했다. 문제는 아무도 누가 병에 걸릴지 모르는 상황에서, 예방약이 실제로 효과가 있는지 알기 어렵다는 점이다. 만약 제약회사들이 알츠하이머 발병확률이 높은 사람들에게만 약을 시험할 수 있다면 효과를 파악하는 것은 훨씬 쉬워질 것이다. 미래의 의약품에는 “폴리지닉 스코어 90 이상에게만 권장.” 같은 문구가 적히게 될지도 모른다.

데일은 알츠하이머 예측기를 온라인에서 99달러에 판매할 계획이다. 1000만명 이상의 사람들이 이미 23앤미나 앤세스트리닷컴 같은 사이트에 가입했기 때문에 자신의 DNA 데이터를 가지고 있다. 데일은 클릭 한번만으로 데이터를 업로드하고 보고서를 받아볼 수 있게 될 것이라고 말한다. 나는 그에게 현재 치료가 불가능한 질병에 대해 사람들이 왜 미리 알고 싶어 하겠냐고 물었다. 그는 “대비를 하고 싶어 할지도 모르기 때문”이라고 답했다.

다른 의사들은 위험스코어가 사람들에게 자신의 건강에 대해 더 진지하게 생각할 동기를 부여해 줄 것이라고 믿는다. 싱가포르의 임상의사인 스티븐 터커(Steven Tucker)는 “폴리지닉 스코어가 마음에 든다”며 “미래는 약이 아니라 건강에 있기 때문”이라고 말했다. 그는 자신의 환자들에게 웨어러블 기기와 추적기를 주고, 이 기기들의 데이터와 위험 스코어를 종합한다. 예를 들어 심방세동 위험이 높은 환자라면 심박수 측정 장치가 내장된 스마트워치를 차고 다니면 된다. 터커는 “나의 환자들은 미래를 관리하고자 하는 사람들”이라며 “미래를 더 정확히 정의 할 수 있다면, 그에 관해 할 수 있는 일이 더 많아진다”고 말했다.

그렇다 해도, 유전정보로 미래를 예측하는 일은 아직 많은 논란을 불러일으키고 있다. 이는 스코어 각각이 완전히 확실하지 않기 때문이다. 보고서 수치들은 큰 표본에서 추출한 대략의 확률일 뿐이다. 예를 들어 케라의 심방세동 예측검사에서 높은 점수를 받은사람 중 오직 7%만 실제 증상을 나타낼 것이다.

유전학 연구는 더 많은 사람을 표본으로 함에 따라 더욱 강력해지고 있다. 사진은 로봇이 영국 바이오뱅크에서 50만명 이상의 영국인들이 기증한 냉동DNA 표본 사이를 탐색하고 있는 모습.

이 불확실성은 치명적이다. 사람들이 자신의 위험스코어를 받았을 때, 이를 바탕으로 중요한 선택을 할 것이기 때문이다. 지난 가을, 미리아드 제네틱스는 폴리지닉 리스크 테스트를 미국시장에 내놓은 첫 대형 진단 기업이 되었다. 리스크 스코어(riskScore)라는 이 테스트는 여성의 유방암 발병 확률을 예측하기 위해 81가지 변수를 측정한다. 높은 점수를 받은 여성은 추가 검사를 받을 것이고, 낮은 위험도의 여성은 그냥 건너뛸 수 있다. 아직 아무도 모르는 것은 과연 이 결정이 암으로 인한 사망률을 낮출 수 있는가 하는 것이다. 답을 얻으려면 값비싼 장기연구가 필요한데 테스트를 판매하고 있는 미리아드는 아직 연구를 하지 않고 있다.

노스캐롤라이나 대학에서 정신의학 유전체 컨소시엄 (Psychiatric Genomics Consortium)을 이끌고 있는 임상의 패트릭 설리반(Patrick Sullivan)은 이 점이 마음에 걸린다. 그의 연구팀은 조현병 환자 6만명을 포함해 정신병 진단을 받은 90만명 이상의 환자에게서 DNA샘플을 얻었다. 조현병은 유전자의 영향이 큰 것으로 유명하다. 예를 들어, 일란성 쌍둥이 중 한명이 조현병 환자일 때 다른 한명의 발병 확률은 47%다.

설리반은 건강한 사람들에게 그들의 조현병 DNA 스코어가 높거나 낮다고 알려주는 것은 무모하다고 말한다. 쌍둥이 사례를 생각해보자. 그들은 같은 DNA, 따라서 같은 점수를 가지겠지만 조현병 발병 예측이 맞을 가능성은 반반이다. 이처럼 결함이 있는 예측을 알려주는 일은 ‘끔찍한 생각’이라는 게 설리반의 주장이다.

“사람들은 누가 질병에 걸리고 그렇지 않을지 구분하고 싶어 하지만, 우리는 아직 그 정도의 예측은 할 수 없습니다.”

DNA IQ 검사

유전학자들은 질병 예측과 함께 행동을 포함한 인간의 모든 측정가능한 형질에 대해 예측 모델을 만들 수 있다. 이 사람이 범죄와 비행의 삶을 살게 될까? 저 사람은 신경증환자, 우울증환자, 혹은 평균 이상의 지능을 가진 수재가 될까?

과학자들은 스코어기술이 곧 이 같은 불편한 질문들에 답을 할 것이라고 말한다. 지난 1월, 유명 심리학자 2명은 소비자에게 직접 판매하는 DNA IQ 검사가 곧 ‘일상적으로 사용 가능’해 질 것이며 ‘학습하고 추론하며 문제를 해결하는’ 아이들의 능력을 예측할 것이라고 주장했다. 그들은 부모들이 영유아들에게 이 검사를 받게하고 교육 계획을 세우는데 검사결과를 활용할 것이라고 믿는다.

몇몇 사람들은 막연한 유전자 점성술로 누가 대학에 가고 누가 직업학교에 갈지 결정하는 일이 매우 나쁜 방식이라고 생각할 것이다. 버지니아대학 심리학과 에릭 투르크하이머(Eric Turkheimer)교수는 그의 블로그 ‘우울한 예측’에서 스코어가 확대 해석되어 ‘끔찍한 사회제도를 권장할’ 위험에 대해 경고했다. 그는 이것이 ‘최악의 생물학적 결정론에 의한 차별’이라고 생각한다. 투르크 하이머에게 폴리지닉스코어는 “보기보다 별게 아니”며 그 공정성은 “만나본적 없는 사촌을 통해 자신의 IQ를 예측하는 것”과 같다고 할 수 있다.

이런 견해들이 빠르게 발전하는 유전학 연구를 막기는 역부족이다. 지난해 까지만 해도 IQ 검사결과와 직접적 연관이 있는 유전자 변이는 발견되지 않았다. 이후 30만명 이상의 DNA를 이용한 연구에서 지능과 연관된 변이 206종이 발견됐다. 이는 유전적 점수가 IQ 검사결과의 약 10%를 설명할 수 있다는 뜻이다. 데이터가 더 모이면 몇 년 안에 이 수치는 25%까지 올라갈 것이다. 심지어 미국의 한 기업 지노믹 프레딕션은 체외수정 된 배아의 지능을 측정, 부모가 지능적으로 부적절한 배아를 폐기할 수 있게 하겠다고 밝혔다.

유전체 예측은 디스토피아, 의심스러운 의학, 예방의학 혁명 중 무엇일까? 셋 다일 수도 있다. 한 가지는 확실하다. 예측 프로그램을 온라인에 자유롭게 배포 할 수 있을 정도의 데이터가 수집됨에 따라 2018년이 DNA 운세의 해가 될 것이란 점이다.

 

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DNA기반 IQ 검사는 향후 상용화 될 가능성이 크다. 비판적인 사람들은 그 결과 ‘끔찍한 사회제도’를 가져올지도 모른다고 우려한다.


<본 기사는 테크M 제60호(2018년 4월) 기사입니다>