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MIT Tech Review • 44일 전

일본 과학자, 수컷 생쥐 암컷 복제 최초 성공

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9/10
핵심 요약

일본 연구진이 유전자 가위(CRISPR) 기술을 활용해 수컷 생쥐 세포에서 Y염색체를 제거하고 암컷으로 성 전환 및 복제하는 데 최초로 성공했습니다. 이 기술은 포유류의 전통적인 번식 개념을 깨는 혁신적 연구로 평가받으며, 수컷만 남은 멸종 위기 종을 구하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있어 생명공학 및 생태계 보전 분야에서 중요한 의미를 갖습니다.

번역된 본문

핵심 요약 과학자들이 수컷 생쥐 배아를 의도적으로 암컷으로 바꾸는 데 처음으로 성공했습니다. 일본에 기반을 둔 연구팀이 유전자 가위(CRISPR) 기반 기술을 사용해 수컷 세포에서 Y염색체를 제거하고 수컷 생쥐의 암컷 복제본을 만들어냈습니다. "아무도 이런 시도를 해본 적이 없습니다."라고 이 연구에 참여하지 않은 하와이 대학교의 생식생물학자 모니카 워드(Monika Ward)는 말합니다. 이 업적은 과학자들이 번식에 대해 생각하는 방식을 바꿔놓을 수 있다고 이 연구를 공동으로 이끈 야마나시 대학교의 생식생물학자 이시우치 타카시(Takashi Ishiuchi)는 말합니다. 이 연구 결과는 이달 초 bioRxiv에 공유된 아직 동료 평가를 거치지 않은 프리프린트 논문에 발표되었습니다.

"우리 과학 분야에는 번식을 위해 암컷과 수컷이 모두 필요하다는 고정관념이 있습니다."라고 이시우치는 말합니다. "나는 우리가 이 개념을 바꿀 수 있다고 생각합니다." 이바라키에 있는 RIKEN 생물자원 연구센터의 그의 동료 마토바 쇼고(Shogo Matoba)와 함께, 그들은 이 기술이 특히 극소수의 개체만 남은 멸종 위기 종을 구하는 데 도움이 될 수 있기를 희망하고 있습니다. "이것을 보니 매우 흥분됩니다." 이 연구에 참여하지 않은 야생동물 보전 단체 Revive & Restore의 수석 과학자 벤 노박(Ben Novak)은 말합니다. "특히 보전 목적으로 이 기술이 다양하게 활용될 수 있을 것이라고 확신합니다."

성 전환 (Sex change) 이시우치는 자신과 동료들이 특정 상황에서 성을 바꿀 수 있는 물고기인 오키나와 루블 고비(Okinawa rubble goby)에게서 영감을 받았다고 말합니다. 수컷이 없으면 암컷이 다른 암컷과 번식하기 위해 성을 바꿀 수 있습니다. 수컷 역시 암컷으로 성을 바꿀 수 있습니다. 이러한 성 전환 능력은 포유류를 포함한 멸종 위기 종을 구하는 데 유용할 수 있습니다. 실험실에서도 의도적이지는 않았지만 전례가 있습니다. 2009년, 연구자들은 수컷 생쥐 세포에서 만들어진 27개의 복제 배아 무리에서 단 한 마리의 암컷 새끼가 우연히 태어났다고 보고한 바 있습니다.

때때로 한 종의 살아남은 개체 수가 너무 적어지면 과학자들은 그 동물들을 복제하려고 시도합니다. 복제는 완벽하지 않습니다. 까다롭고 비효율적일 수 있으며, 질병에 더 취약할 수 있는 유전적으로 동일한 개체를 만들어냅니다. 하지만 이는 흰발족제비와 프제발스키 말(몽과 야생마)을 멸종 직전에서 되돌려오는 과학자들의 노력에 도움을 주었습니다. 개체를 복제하는 것은 단지 그 유전자를 복제하는 것이므로, 예를 들어 수컷 동물을 복제하면 모든 새끼가 수컷이 됩니다. 이것은 한 종의 수컷 개체만 남았다는 가상의 상황에서는 큰 도움이 되지 않을 것입니다.

이시우치는 세포 내 염색체를 변경하여 이 문제를 극복하는 방법을 연구해 왔습니다. 포유류의 DNA는 한 쌍의 성염색체를 포함하여 한 쌍의 염색체로 구성되어 있습니다. 이러한 성염색체는 일반적으로 암컷은 XX이고 수컷은 XY입니다. 포유류를 수컷으로 만드는 것은 바로 Y염색체입니다. 이시우치와 동료들은 이를 제거하기 위해 CRISPR 기반 도구를 개발했습니다. 그들의 접근 방식은 세포가 분열할 때마다 '딸' 세포가 Y염색체를 물려받도록 보장하는 중요한 역할을 하는 Y염색체의 한 부분을 표적으로 삼습니다.

Y염색체 절단 (Cutting the Y) 연구자들이 초기 생쥐 배아에서 'Y-CUT'이라고 부르는 이 기술을 테스트했을 때, 그들은 Y염색체를 제거할 수 있음을 발견했습니다. 처리된 XY 배아는 대리 모체 생쥐에게 이식되었고, 암컷 새끼를 출산했습니다. 연구진은 이러한 효과를 '성 역전(sex reversal)'이라고 설명합니다. 암컷 새끼는 XO 염색체를 가졌는데, 이는 일반적인 두 개가 아닌 X염색체를 하나만 가지고 있음을 의미합니다. 하지만 이시우치와 마토바는 이것이 동물들에게 영향을 미치지 않았으며, 그들은 건강하고 번식력이 있는 상태로 자라났다고 말합니다.

두 번째 실험에서 연구자들은 Y-CUT을 사용해 수컷 생쥐로부터 암컷 복제본을 만들 수도 있다는 것을 발견했습니다. 일반적인 복제 방식은 성체 동물의 핵(DNA 포함)을 채취해 자체 DNA가 제거된 난자에 삽입하는 것입니다. 적절한 조건하에서, 결과적으로 만들어진 세포는 원본 동물과 유전적으로 동일한

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EXECUTIVE SUMMARY Scientists have deliberately turned male mouse embryos into females for the first time. A team based in Japan used a CRISPR-based approach to remove the Y chromosome from male cells and create female clones of male mice. “No one has done this before,” says Monika Ward, a reproductive biologist at the University of Hawaii, who was not involved in the research. The feat could change the way scientists think about reproduction, says Takashi Ishiuchi, a reproductive biologist at the University of Yamanashi, who co-led the work. The findings were published in a preprint paper shared on bioRxiv earlier this month, which has not yet been through the peer-review process. “There’s a fixed concept in our scientific field that we need both females and males for reproduction,” says Ishiuchi. “I think we could change this concept.” He and his colleague Shogo Matoba of the Riken BioResource Research Center in Ibaraki also hope their technique could help rescue endangered species, particularly in cases where only a few individuals remain. “It’s exciting to see,” says Ben Novak, lead scientist at the wildlife conservation organization Revive & Restore, who was not involved in the work. “I am confident there will be plenty of applications, particularly for conservation purposes.” Sex change Ishiuchi says he and his colleagues were inspired by the Okinawa rubble goby , a fish that can change its sex in certain situations. If no males are present, a female can do this in order to reproduce with the other females. Males can also change sex to female. This ability to change sex might be useful when it comes to rescuing endangered species, including mammals. There's some precedent in the lab—albeit not intentional. In 2009, researchers reported the accidental birth of a single female pup in a batch of 27 clones created from male mouse cells. Sometimes the surviving population of a species falls so low that scientists will try to clone those animals. Cloning isn’t perfect—it can be tricky and inefficient, and it creates genetically identical individuals whose offspring might be more vulnerable to disease. But it has helped scientists with efforts to bring some species back from the brink of extinction, including black-footed ferrets and Przewalski’s horse . Cloning an individual can only replicate its genes, so cloning a male animal will create all male offspring, for example. That won’t help much in the hypothetical situation where only male individuals of a species are left. Ishiuchi has been working on a way to overcome this challenge by altering the chromosomes in cells. Mammals’ DNA is organized in pairs of chromosomes, including one pair of sex chromosomes. These sex chromosomes are typically XX in females and XY in males. It’s the Y chromosome that makes mammals male. Ishiuchi and his colleagues have developed a CRISPR-based tool to get rid of it. Their approach targets a section of the Y chromosome that plays an important role in ensuring that, each time a cell divides, the “daughter” cells inherit the Y chromosome. Cutting the Y When the researchers tested their technique—which they call Y-CUT—in early-stage mouse embryos, they found they were able to eliminate the Y chromosome. Treated XY embryos were transferred to surrogate mice, which gave birth to female pups. The effect can be described as a “sex reversal,” say the researchers. The female pups had XO chromosomes, which means they had one X chromosome rather than the usual two. But this didn’t seem to affect the animals, which grew up healthy and fertile, say Ishiuchi and Matoba. In a second experiment, the researchers found they could also use Y-CUT to create female clones from male mice. A standard approach to cloning involves taking the DNA-containing nucleus of a cell from an adult animal and inserting it into an egg cell that has had its own DNA removed. Under the right conditions, the resulting cell can develop into an animal that is genetically identical to the original donor. Matoba and his colleagues used a similar method. Once they had a glut of these cloned cells, they treated some with Y-CUT before transferring them to surrogate mice to carry the pregnancies. This allowed them to create female clones of male mice. The females are genetically identical to the original male, apart from the missing Y chromosome, says Matoba. “It’s like sci-fi,” says Ishiuchi. In other experiments, the scientists were able to create female clones from male cells that had been cryopreserved—and the cloned males and females could mate to produce healthy pups. This suggests the Y-CUT approach might allow scientists to create female clones from male samples in “frozen zoos” that store cryopreserved cells and tissues from a range of animal species. It could have uses beyond conservation efforts, too. “This could be used potentially for producing genetically engineered animals,” says Ward. Creating an animal with multiple genetic edits can be time-consuming and expensive; creating male and female clones of that animal could help scientists time and money. Ward also hopes the technique could be a useful tool to study the biology of sex chromosomes. Complementary techniques The Y-CUT approach isn’t perfect. For now, it still requires hollowed-out egg cells, which need to come from females of the same species or at least a closely related one. And it won’t be useful for endangered species in which only females survive. The technique works well in mice, partly because XO female mice are fertile. But while the approach might help some of the 355 endangered and vulnerable species of rodents , other mammals with XO chromosomes tend to experience infertility. But other new technologies could complement Y-CUT. In 2023, Katsuhiko Hayashi of Osaka University and his colleagues showed they could turn cells taken from male mice into egg cells. This enabled them to create mice with two dads —but the same approach could also provide the hollowed-out egg cells needed for the Y-CUT technique. “It’s a complementary story,” says Matoba. Ishiuchi is also working on a technique that involves inserting a second X chromosome into cells, which might restore the fertility of the resulting female animals. In addition, there might be a work-around for situations where scientists have females but need males. A couple of months ago, Sayaka Wakayama of the University of Yamanashi in Japan and colleagues showed they could insert rat chromosomes into mice . That could potentially be used to create XY male embryos, says Novak. That would be useful in cases like that of the black-footed ferret, he adds. A conservation team recently cloned a female ferret using cells taken from another animal in the 1980s. That female is considered incredibly valuable, says Novak. But females can produce only a few litters in their lifetime. A male clone, which might be able to contribute to dozens of litters in a lifetime, would be “desirable.” “It’s really exciting to see more diverse tools being developed,” says Novak. “There are so many different scenarios in which they could be used for rare and endangered species.” Deep Dive Biotechnology and health Sperm donors need limits, says a European fertility group Some donor-conceived people are finding hundreds of siblings. 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