형질전환마우스(Transgenic mouse; 유전자 도입 마우스)는 유전자변형마우스의(Genetically Engineered Mouse; GEM) 일종으로 transgene을(외래 유전자) 인위적으로 주입하여 해당 유전자가 체내에서 발현되도록 만든 마우스 입니다. 일반적으로 수정란의 전핵(fertilized egg pronuclei)에 transgene을 주입하고, 이 유전자는 마우스의 유전체에 무작위로 삽입됩니다.

일반적으로 삽입하는 transgene은 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 (promotor) 부분과 발현되는 유전자로 구성되어 있어 자연적으로 유전자가 발현하게 됩니다. 기존 세포가 가지는 프로모터를 이용하는 형질전환마우스 제작 시에는 유전자 부분만 도입되기도 하며, 이때 유전자가 삽입된 위치에 따라 발현 정도가 달라질 수 있습니다. 이러한 유전자 발현 정도를 정밀하게 조절하기 위해 유전자 적중 기법을 이용하여 유전자를 원하는 위치에 도입할 수도 있습니다.

수정란에 DNA를 삽입하여 형질전환마우스를 제작한 경우, 도입된 DNA가 유전체에 무작위로 삽입되게 됩니다. 그러므로 외래 DNA의 삽입 위치에 따라 의도하지 않은 변이를 일으키는 경우도 있습니다. 이에 유전자 발현이 계획했던 대로 이루어지는지 확인하는 것은 매우 중요하지만, 많은 시간과 노력이 필요합니다. 이에 특정 유전자가 발현되었을 때, 지표 인자가 활성화 되도록 제작된 동물을(reporter) 활용하기도 합니다. 대표적으로 활용되는 지표로는 lacZ 유전자가 있으며, lacZ 유전자 활성시 발현하는 β-galactosidase가 기질인 X-gal(5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside)을 분해하여 발생하는 청색 침전물을 통해 유전자변이가 발생한 조직이나 세포를 쉽게 확인 수 있습니다.

면역부전 마우스(Immunodeficient mouse)는 돌연변이 인위적인 유전자 변형을 통해 면역체계에서 하나 이상의 면역 성분(B cell, T cell, NK cell 등)에 결함이 있거나 없어진 mouse 를 의미합니다. 이러한 마우스는 이종(異種)의 세포나 조직을 이식하기 용이하여 종양, 감염, 면역학 연구 등에 널리 활용되고 있습니다.

면역부전마우스 중 가장 먼저 확립된 Nude mouse는 FOXN1 유전자의 자연 돌연변이로 피모와 가슴샘(흉선)의 결손되어 성숙 T cell이 결핍된 특성을 가집니다. SCID (Severe Combined Immunodeficiency) 마우스는 PRKDC 유전자 돌연변이로 성숙 T cell과 B cell이 결손되어 면역기능이 더욱 결핍됩니다. 또한 SCID 마우스 중 가장 많이 활용되는 NOD SCID 마우스는 NOD strain의 특성으로 NK 세포, 대식세포, 수지상 세포, 보체 등 다양한 세포 및 시스템 기능이 추가로 결손되어, 면역 결핍 특성이 심화되어 있습니다. NSG mouse 는 Prkdc 변이와 IL2 receptor gamma(IL2rγ) 유전자가 Knock-out된 NOD strain 마우스로, 성숙한 T cells, B cells 뿐 아니라 natural killer(NK) cells이 결핍된 고도 면역부전마우스입니다. 또한 NOD strain의 면역결핍 특성 또한 공유하고 있어 인간 종양조직, 면역세포 및 줄기세포 이식 연구 등에 활용되고 있습니다.  

현재 1,000여종의 분리된 Outbred strain과 Inbred strain이 있고, 다양한 sub-strain을 세분화 되었을 뿐 아니라 수천개의 mutant strain이 존재합니다. 유전학적면이나 또 명명법에서 혼동을 피하도록 완전하고 정확한 명명법을 적용하는 것이 필요합니다. “International Committee on Standardized Genetic Nomenclature for Mice” 는 유전자의 규칙 제정을 위해  1950년도에 설립되었습니다. 이를 통해 국제적인 mouse nomenclature (마우스 명명법) 체계를 구축하였으며 아래 사이트와 논문 등에서 마우스 명명법의 규칙을 확인할 수 있습니다.

특히 Jackson Laboratory의 Nomenclature Tutorial web site에서 기본적인 Inbred strain과 유전자변형마우스의 명명법을 용이하게 학습할 수 있습니다.

- Jackson Laboratory Nomenclature Tutorial (https://www2.jax.org/nomenclature-tutorial/)

유전자변형마우스(GEM, genetically engineered mouse)는 생명공학 기술을 이용하여 유전자를 인위적으로 제거, 삽입 또는 조절하여 제작한 모든 형태의 실험용 마우스를 포괄하는 용어입니다. 제작 방법에 따라 KO, KI, Conditional KO/KI, Tg 마우스 등이 모두 유전자변형마우스의 범주에 포함됩니다. 이중 형질전환마우스(Tg mouse, Transgenic mouse)는 외래 유전자를 무작위로 삽입하는 방법으로 제작된 마우스이므로, 유전자변형마우스의 하위 개념으로 분류할 수 있습니다.

바이오안전성에 관한 카르타헤나 의정서(The Cartagena Protocol on Biosafety)에 따르면, 유전자변형생물체(LMO, living modified organism)는 현대 생명공학기술을 이용해 유전물질이 새롭게 조합된 모든 살아 있는 생물체로 정의하고 있습니다. 또한 국내 「유전자변형생물체의 국가간 이동 등에 관한 통합고시」(시행 2024.6.25.)에서도 유전자변형생물체를 새로운 유전물질 조합을 포함하는 동물, 식물, 곤충, 미생물 등으로 규정하고 있습니다. 

따라서, 유전자변형마우스와 형질전환마우스는 모두 유전자가 인위적으로 조작된 살아 있는 생물체이므로 LMO로 간주되며, 이를 활용한 실험 및 연구 수행 시에는 관련 법적(「유전자변형생물체의 국가간 이동 등에 관한 법률」, 약칭: 「유전자변형생물체법」) 요건을 반드시 준수해야만 합니다.

유전자변형생물체(LMO)에 해당되는 실험동물(예, 유전자변형마우스, 형질전환마우스 등)의 실험 및 사육은 반드시 과학기술정보통신부의 시험·연구용 LMO신고 시스템을 통해 사전 승인된 LMO 연구시설에서만 수행할 수 있으며, 해당 시설은 구조적 설계, 출입 통제 및 생물안전 기준 등을 충족해야만 합니다. 연구자는 실험을 시작하기에 앞서 동물실험윤리위원회(IACUC)의 심의와 함께 기관생물안전위원회(IBC)로부터 생물안전 등급에 대한 승인을 받아야 합니다. 또한 해당 시설에서는 동물 반입, 사육 및 사용, 이동과 폐기 등 전체 과정에 대한 기록을 문서화하여 관리해야 하며 관련 내용은 유전자변형생물체 연구시설 관리운영대장 및 취급관리대장에 따라 작성하고 보관해야 하는 의무가 있습니다.

각 관리 대장에 대한 서식은 「유전자변형생물체의 국가간 이동 등에 관한 법률」 통합고시 [별지 제9-11호 서식]과 [별지 제2-7호 서식]에서 확인하실 수 있습니다.

Hemizygote(반수접합체)란 특정 유전자가 한쪽 염색체(대립유전자)에만 존재하고 다른 쪽에는 해당 유전자가 없는 상태를 의미합니다. 예를 들어, Tg 마우스에서 외래 유전자가 한쪽 염색체에만 삽입된 경우 또는 X-연관 유전자가 XY 수컷의 X 염색체에만 존재하는 경우가 이에 해당 됩니다. 보통 Tg/+ 또는 XaY 등으로 표기합니다. 이와는 달리 두 염색체의 동일 유전자 자위에 같은 대립유전자(allele, 예, AA 또는 aa)가 존재하는 경우를 동형접합체(homozygote)라 하며, 서로 다른 대립유전자(예, Aa)가 존재하는 경우를 이형접합체(heterozygote)라고 합니다.

Hemizygote는 대립유전자 없이 단일 유전자만 발현되므로 표현형 분석 시 유전자 기능 확인이 쉽다는 장점이 있으며 일부에서는 동형접합체보다 생존율이 높아 번식에 유리한 것으로 알려져 있습니다. 다만, 외형상으로는 유전형 구분이 어렵기 때문에, 번식 후 PCR을 이용한 genotyping을 통해 유전형을 반드시 확인해야 하며, 일부 유전자는 동형접합체에서 치사성(lethal)이 나타나 배아 발생 중 사망하거나, 출생 후 생존이 어려운 경우가 있으므로 hemizygote와 일반 마우스(wild type)간 교배하는 전략이 필요합니다.

유전자변형마우스는 유전자 조작 기술을 이용해 특정 유전자의 기능을 분석하거나 질병 모델 제작을 위해 만들어진 모델입니다. 제작 방법은 연구의 목적에 따라 Knock-out(KO), knock-in(KI), Transgenic(Tg)로 나눌 수 있습니다.

KO 마우스는 특정 유전자를 제거하거나 불활성화 시켜 해당 유전자의 기능이 소실된 모델입니다. 제작에는 배아줄기세포(ES cell) 타겟팅 기법 또는 CRISPR-Cas9 유전자 편집 기술이 사용됩니다. 이러한 KO 마우스는 유전자 기능을 분석하는데 유용하며, 암, 대사질환, 면역 이상 등 유전자 결핍에 따른 생리적 변화를 연구하는데 활용할 수 있습니다.

(그림출처) Doyle et al. Transgenic Res (2012)

KI 마우스는 특정 유전자를 유전체 내의 표적 위치에 삽입하여 해당 유전자의 기능이 발현되도록 제작된 모델입니다. 제작에는 배아줄기세포 타겟팅 기술 또는 CRISPR-Cas9 기술이 활용됩니다. KI 마우스는 질환 관련 변이를 반영하거나 리포터 유전자를 삽입하는 등 유전자의 기능 변형을 연구하는데 적합하며, 유전성 질환 모델, 약물 타겟 분석, 유전자 발현 조절 연구 등에 활용됩니다.

(그림출처) Doyle et al. Transgenic Res (2012)

Tg 마우스(형질전환마우스)는 외래 유전자를 수정란의 전핵에 주입하여 유전체 내에 무작위로 삽입하여 제작한 모델입니다. 이 방법은 비교적 빠르고 효율적으로 제작이 가능하지만, 삽입 위치에 따라 유전자 발현 수준이 달라질 수 있습니다. 특정 유전자의 과발현 모델을 구축하거나 조직 특이적 발현을 유도하는데 적합하며, 유전자 기능 분석, 발현 조절 연구, 질병 유발 단백질의 생리적 영향 평가 연구 등에 활용할 수 있습니다.  

(그림출처) Doyle et al. Transgenic Res (2012)
 

Mosaicism과 Chimerism의 차이는 아래 도표와 같습니다.

                                                   (b) 100% ES cell 유래 개체 확보 시까지 backcross 진행