최근, 유전자교정 작물의 상업화 승인 건수가 급속하게 늘어나고 있으며, 국내에서도 유전자교정 작물의 개발에 대한 집중적인 투자를 통하여 국제경쟁력을 높이기 위하여 노력하고 있다. 그러나 기존의 유전자변형작물의 상업화 과정에서 끊임없이 제기되어온 인체 및 환경에 대한 잠재적인 위해성 논란이 유전자교정 작물에 대하여서도 제기되고 있다. 특히, 비의도적 돌연변이(off-target)가 가장 큰 논란의 중심이 되고 있다. 따라서 본 리뷰는 식물이 내포하고 있는 장점인 배수체, 체세포 돌연변이 그리고 자연 상태에서 아그로박테리아의 T-DNA 단편의 수평 전이로 창출된 자연적인 유전자변형작물과 기존에 상업화가 승인된 유전자변형작물 이벤트들의 게놈 내 비의도적 돌연변이 사례 등을 검토한 결과 유전자교정 작물에서 나타나는 대부분의 비의도적 돌연변이는 인체 및 환경에 미칠 수 있는 위해성을 우려할 만한 수준이 아니라고 할 수 있었다. 이에, 유전자교정 작물의 안전성 평가를 위하여 새로운 규정을 제정할 필요가 없으며 기존의 유전자변형작물의 안전 관리규정을 일부 "용어의 정의" 등만 개정하여 적용하면 충분할 것으로 사료 되었다.
최근, 유전자교정 작물의 상업화 승인 건수가 급속하게 늘어나고 있으며, 국내에서도 유전자교정 작물의 개발에 대한 집중적인 투자를 통하여 국제경쟁력을 높이기 위하여 노력하고 있다. 그러나 기존의 유전자변형작물의 상업화 과정에서 끊임없이 제기되어온 인체 및 환경에 대한 잠재적인 위해성 논란이 유전자교정 작물에 대하여서도 제기되고 있다. 특히, 비의도적 돌연변이(off-target)가 가장 큰 논란의 중심이 되고 있다. 따라서 본 리뷰는 식물이 내포하고 있는 장점인 배수체, 체세포 돌연변이 그리고 자연 상태에서 아그로박테리아의 T-DNA 단편의 수평 전이로 창출된 자연적인 유전자변형작물과 기존에 상업화가 승인된 유전자변형작물 이벤트들의 게놈 내 비의도적 돌연변이 사례 등을 검토한 결과 유전자교정 작물에서 나타나는 대부분의 비의도적 돌연변이는 인체 및 환경에 미칠 수 있는 위해성을 우려할 만한 수준이 아니라고 할 수 있었다. 이에, 유전자교정 작물의 안전성 평가를 위하여 새로운 규정을 제정할 필요가 없으며 기존의 유전자변형작물의 안전 관리규정을 일부 "용어의 정의" 등만 개정하여 적용하면 충분할 것으로 사료 되었다.
The number of commercially approved gene-edited crops is gradually increasing, and in South Korea, it has led to intense investment in gene-edited crop development to increase international competitiveness. However, as with genetically modified crops, the safety of gene-edited crops regarding unexpe...
The number of commercially approved gene-edited crops is gradually increasing, and in South Korea, it has led to intense investment in gene-edited crop development to increase international competitiveness. However, as with genetically modified crops, the safety of gene-edited crops regarding unexpected risks for humans and the environment is subject to an ongoing debate. In particular, unintentional "off-target effects" have become the center of controversy. In this review, we discuss typical plant characteristics (including somatic variation and ploidy), the extent of various off-target effects in genetically modified crops generated via horizontal transfer in nature, and the off-target effects in commercial genetically modified crops. We conclude that most off-target effects possibly occurring in gene-edited crops are not expected to be critically harmful to humans or the environment. Therefore, existing regulation for genetically modified crops should be enough for the risk assessment of gene-edited crops.
The number of commercially approved gene-edited crops is gradually increasing, and in South Korea, it has led to intense investment in gene-edited crop development to increase international competitiveness. However, as with genetically modified crops, the safety of gene-edited crops regarding unexpected risks for humans and the environment is subject to an ongoing debate. In particular, unintentional "off-target effects" have become the center of controversy. In this review, we discuss typical plant characteristics (including somatic variation and ploidy), the extent of various off-target effects in genetically modified crops generated via horizontal transfer in nature, and the off-target effects in commercial genetically modified crops. We conclude that most off-target effects possibly occurring in gene-edited crops are not expected to be critically harmful to humans or the environment. Therefore, existing regulation for genetically modified crops should be enough for the risk assessment of gene-edited crops.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 유전자교정 작물의 비의도적 돌연변이의 안전성에 관하여 식물이 내포하고 있는 특성에 따른 장점을 검토하고, 자연 상태에서 자연적으로 발생하여 재배종화 된 GM 작물들과 현재까지 안전성 심사결과 상업화가 승인된 유전자변형작물 이벤트 중 비의도적 돌연변이가 발생된 사례들을 조사하여 인체 및 안전성에 미칠 잠재적인 위해성 여부 등을 검토하였다.
제안 방법
유전자교정기술이 실용화되기 전에는 주로 아그로박테리아 감염법을 이용하여 유전자변형작물을 만들었다. 이는 자연 상태에서 일어나는 유전자의 수평 전이(horizontal transfer) 기작을 이용한 것으로 아그로박테리아에서 전이되는 T-DNA 단편에 원하는 유용유전자를 삽입하여 만든 재조합 T-DNA 단편을 식물에 전이가 되도록 하였다. 그러나 T-DNA의 전이 및 삽입은 숙주 식물 유전체 내의 어느 특정 위치에만 삽입되는 것이 아니라 무작위적인 과정이며, 삽입을 위한 이중나선의 절단 및 교정 과정에서 삽입되는 T-DNA의 양쪽 말단 뿐만 아니라 숙주 유전체 내의 삽입 경계면에 결실, 삽입, 재배열 등의 다양한 돌연변이가 일어날 수 있다(Salomon and Puchta 1998).
이러한 이벤트 내 비의도적 돌연변이에 대한 안전성은 삽입 유전자 및 인접하는 숙주 유전체의 유전자 내에 위치하는 외래전사해독프레임의 유무와 전사 및 단백질 번역 등의 유전자 발현 가능성 유무를 검토한 후, 내재 유전자 사이 접합부 및 T-DNA 결합으로 생성된 새로운 접합부에서 암호화되는 추정 상의 폴리펩타이드를 기존에 알려진 독소, 알레르겐, 위해성을 보이는 생물 활성 단백질과 생물 정보학적 방법으로 비교 분석하며, 동물을 이용한 장, 단기 임상시험을 통한 안전성 시험 결과로 최종적인 승인 여부를 결정한다.
성능/효과
I. cordatotribola와 I. tenuissima의 유전체에 삽입된 것으로 확인된 IbT-DNA1은 tryptophan-2-monooxygenase (iaaM), indole3-acetamide hydrolase (iaaH), C-protein (C-prot), agrocinopine synthase (Acs) 4종류의 단백질을 암호 하는 유전자를 포함하는 것으로 확인되었다. 반면에 IbT-DNA2는 ORF14, ORF17n, rooting locus (Rol)B/RolC, ORF13, ORF18/ORF17n 등 적어도 5종류의 open reading frames (ORF)를 포함하는 것으로 확인되었다(Kyndt et al.
2015). IbT-DNA1 단편은 고구마 유전체의 F-box 유전자의 3번 인트론 영역에 삽입되어 유전자의 발현을 방해할 것으로 생각되나 6배체 중 다른 2개의 상동염색체에는 삽입이 되지 않아 정상적인 것으로 확인되어 F-box 단백질의 기능에는 문제가 없는 것으로 확인되었다. 또한, IbT-DNA1 단편 내에 포함된 유전자들 즉 iaaM, iaaH, C-prot, Acs 등은 잎, 줄기, 뿌리, 정단 조직, 저장조직 등 거의 모든 조직에서 발현되고 있음을 확인하였다(Kyndt et al.
2015). IbTDNA2는 7번 염색체에 존재하는 미토콘드리아의 기질운반체군(mitochondria substrate carrier family)에 속하는 단백질을 암호 하는 UcpB 유전자의 인토론에 삽입된 것으로 확인되었으며, 삽입과정에서 7번과 8번 인트론 사이에 삽입되면서 8번 엑손을 포함한 893 bp가 결실 되었음을 확인하였다. IbT-DNA2에 포함된 것으로 확인된 rooting locus (RolB/RolC) 등 다른 ORF 유전자에 대한 전사체를 확인한 결과, 역시 이들이 발현되고 있음을 확인하였다(Matveeva 2018; QuispeHuamanquispe et al.
이들 역시 자연 상태에서 고구마의 유전체에 전이되어 삽입된 경우로 전세계로부터 수집한 고구마의 재배종, 야생종, 가까운 근연종들에 대한 분석을 수행한 결과 현재 고구마 재배종의 기원종을 추론할 수 있는 흥미로운 연구결과를 발표하였다. 고구마의 재배종에 해당하는 6배체인 I. batatas [L.] Lam의 유전체에는 IbT-DNA1과 IbT-DNA2 모두가 삽입된 것을 확인하였으나 I. batatas [L.] Lam과 가장 가까운 근연종으로 현재까지 고구마 재배종의 기원 종으로 추정되어 온 2배체 I. trifida의 유전체에는 IbT-DNA2 단편만 확인되었으며, 다른 야생종 그룹인 I. cordatotriloba 와 I. tenuissima의 유전체에는 IbT-DNA1만이 삽입된 것을 확인하였다. 따라서 이러한 연구결과를 바탕으로 재배종인 6배체 고구마의 기원 종에 대한 분자생물학적 추적이 가능할 것이라고 할 수 있다.
특히, 비의도적 돌연변이(off-target)가 가장 큰 논란의 중심이 되고 있다. 따라서 본 리뷰는 식물이 내포하고 있는 장점인 배수체, 체세포 돌연변이 그리고 자연 상태에서 아그로박테리아의 T-DNA 단편의 수평 전이로 창출된 자연적인 유전자변형작물과 기존에 상업화가 승인된 유전자변형작물 이벤트들의 게놈 내 비의도적 돌연변이 사례 등을 검토한 결과 유전자교정 작물에서 나타나는 대부분의 비의도적 돌연변이는 인체 및 환경에 미칠 수 있는 위해성을 우려할 만한 수준이 아니라고 할 수 있었다. 이에, 유전자교정 작물의 안전성 평가를 위하여 새로운 규정을 제정할 필요가 없으며 기존의 유전자변형작물의 안전 관리규정을 일부 “용어의 정의” 등만 개정하여 적용하면 충분할 것으로 사료 되었다.
rhizogenes의 mikimopinetype Ri plasmid (pRi) 단편으로 밝혀졌다(Table 1). 이들 삽입된 T-DNA 단편에 대한 염기서열 분석 등의 연구결과를 종합하여 본 결과, Table 1에서 요약한 바와 같이, N. glauca, N. tomensiformis, N. kawakami는 각각 TA, TB, TC, TD로 명명된 T-DNA 단편 들이 삽입된 것으로 확인되었다. TA 단편은 orf3-orf8-rolA-rolB-rolC-orf13-orf14-mis, TB는 orf14-mis와 ags-mas 1′-mas2′, TC는 orf2-orf3-orf8-rolA-rolB, ocl과 c, TD는 orf15, orf511와 orf14 유전자로 구성되었다.
따라서 본 리뷰는 식물이 내포하고 있는 장점인 배수체, 체세포 돌연변이 그리고 자연 상태에서 아그로박테리아의 T-DNA 단편의 수평 전이로 창출된 자연적인 유전자변형작물과 기존에 상업화가 승인된 유전자변형작물 이벤트들의 게놈 내 비의도적 돌연변이 사례 등을 검토한 결과 유전자교정 작물에서 나타나는 대부분의 비의도적 돌연변이는 인체 및 환경에 미칠 수 있는 위해성을 우려할 만한 수준이 아니라고 할 수 있었다. 이에, 유전자교정 작물의 안전성 평가를 위하여 새로운 규정을 제정할 필요가 없으며 기존의 유전자변형작물의 안전 관리규정을 일부 “용어의 정의” 등만 개정하여 적용하면 충분할 것으로 사료 되었다.
2017). 저자들은 현재 전 세계적으로 재배되고 있는 거의 모든 고구마 재배종에 이들 T-DNA 단편이 전이된 것을 확인하여 이들 단편 내 포함된 유전자들의 발현으로 인하여 나타나는 농업적 특성, 특히 저장조직인 뿌리의 수확량 증대 등이 이들 재배종의 육종 및 선발 과정에 유리하게 작용하였을 것이라고 추론하고 있다.
이 경우에도 우측 및 좌측 삽입 경계 면에 약 500 bp의 결실과 23개의 염기치환 등이 확인되었다. 제초제 저항성 유전자와 해충 저항성 유전자가 도입된 DAS 59122-7 옥수수도 우측과 좌측 삽입 경계 면에서 각각 22개와 25개의 염기가 삽입되었으며 2개의 염기 치환도 확인되었다. 그리고 CP4EPSPS 유전자가 도입된 RoundUp Ready 40-3-2 콩은 도입유전자와 숙주 염색체 단편과의 일부 염색체 재배열도 확인되었으며, DAS-81419-2콩은 도입 유전자 내 재배열이 일어난 것으로 확인되었다(Windels et al.
GM 작물에 관한 안전성 논란은 크게 두 가지로 요약된다. 첫째, 도입하고자 하는 외래 유전자 및 이를 도입하기 위하여 사용한 운반체 DNA 단편이 숙주 식물 세포의 유전체 내에 잔존 하여 새로운 형질을 발현하거나 내재하는 유전자의 발현에 관여하여 비의도적인 새로운 형질이 발현되는 경우로서 특히 바이러스 유래 프로모터(예, CaMV, TMV 등)가 유전체 내에 삽입되는 경우이다. 둘째, 외래유전자가 숙주 식물의 유전체 내 삽입 과정에 내재하는 유전자의 파괴, 염기의 삽입, 결실, 역위, 재배열 등에 의하여 의도하지 않은 새로운 특성이 나타나게 되는 경우이다(Jones 2015; Lee 2011).
해란초 속에 속하는 Linaria vulgaris, L. acutiloba, L. dalmatica 등에서도 자연생태에서 T-DNA 단편이 전이된 것이 확인되였다(Table 1). 흥미로운 사실은 앞서 언급한 역반복으로 전이된 담배와는 달리 L.
후속연구
2012; Matveeva and Kosachev 2013; Metveeva and Lutova 2014). L. acutiloba와 L. dalmatica 에서도 적어도 rol C 유전자의 삽입이 확인되었으며, 뿌리발달에 관여하는 rol C 유전자가 이들 식물체에서 어떤 기능을 하는지에 관한 추가연구가 필요하다고 할 수 있다(Pavola et al. 2013, 2014). 이 외에도 당근(Daucus carota) (Spano et al.
2014; Lemcke and Schmülling1998). 따라서 이들 전이 유전자들의 발현 여부에 관한 결론은 아직 추가적인 연구가 보강되어야 한다고 사료 된다. Kovacova 등(2014)은 담배의 유전체에 전이된 T-DNA 단편 내에 포함된 mikimopine 합성효소를 암호 하는 mis 유전자의 구조 및 발현 여부를 조사한 결과 이 유전자는 틀 이동 돌연변이(frameshift)가 일어나 해당 전사체 내에 여러 개의 조기 종결코돈의 발생으로 정상적인 기능을 갖춘 단백질이 번역될 수 없다는 사실을 확인하였다.
tenuissima의 유전체에는 IbT-DNA1만이 삽입된 것을 확인하였다. 따라서 이러한 연구결과를 바탕으로 재배종인 6배체 고구마의 기원 종에 대한 분자생물학적 추적이 가능할 것이라고 할 수 있다. 특히, 6배체인 재배종에 삽입된 T-DNA 단편의 위치가 이들 야생종에 삽입된 위치와 일치하였으며 유전자들의 순서도 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다(Matveeva, 2018; QuispeHuamanquispe et al.
따라서 아마도 이들 전사체가 small interference RNA (siRNA)에 의한 RNA 간섭현상 등으로 전사 후 조절기능에 관여할 것이라고 추론하였다. 향후 이러한 사실이 증명된다면 자연적으로 T-DNA가 전이된 담배 등의 계통이 어떻게 오랜 세월 동안 후대를 거치면서 선발이 되어 현재의 재배종에까지 유지되고 보존될 수 있었는지에 대한 단서를 제공할 수 있을 것으로 사료 된다.
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