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프로그램화된 세포의 죽음(programmed cell death), 즉 세포의 '자살 메커니즘'을 처음으로 제기하고 이를 이론적으로 규명했다.

2002년 자신의 제자인 영국의 분자생물학자·유전학자 존 E. 설스턴, 미국의 생물학자·유전학자 H. 로버트 호비츠와 함께 노벨 생리학·의학상을 공동 수상했다.

1947~51년 요하네스버그에 있는 위트워터스트랜드대학교에서 학사(의학·화학)·석사(과학·생물학) 학위를 받고 영국으로 가 옥스퍼드대학교에서 박사학위(1954)를 받았다. 1957년부터 케임브리지에 있는 영국 의학연구협회(Medical Research Council/MCR) 분자생물학연구소에서 연구했으며 이 연구소 소장(1979~86) 및 분자유전학연구소장(1986~91)을 역임한 뒤 1996년 캘리포니아 주 버클리에 분자과학연구소(Molecular Sciences Institure/MSI)를 설립했다.

2002년 현재 MSI 소장, 솔크 연구소 석좌교수, 캘리포니아대학교 겸임교수로 있다.

브레너는 선형동물 카이노르하브디티스 엘레간스(Caenorhabditis elegans)에 관한 연구를 통해 인체 세포의 자살 메커니즘을 선구적으로 규명했다. 즉 세포가 만들어지고 사멸하는 일련의 과정은 사전에 프로그램화되어 있고 이 프로그램에 따라 세포가 조직의 완전한 기능을 위해 스스로 사멸하며, 일련의 유전자가 이를 조절한다는 것이다.

1960년대초 그는 분자생물학의 전통적인 문제들이 대부분 해결되었다고 생각하고, 발달·신경계와 같은 새롭고 불가사의한 분야로 눈길을 돌렸다. 분자생물학의 초기 성과들은 미세한 박테리아와 그 바이러스들의 실험에 바탕한 것이었지만, 앞으로의 숙제는 수정란으로부터 발달하는 복잡한 세포 기관들을 가진 다세포 동물이라고 판단한 그는 1963년 C. 엘레간스에 관한 연구 계획서를 MCR에 제출하고 본격적으로 연구에 들어갔다. C. 엘레간스는 매우 공들여 선택된 것이었다.

고등동물을 직접 연구 대상으로 삼아서는 세포의 분화와 기관의 발달에 관한 근본적인 의문을 풀기가 어렵기 때문이었다. 따라서 유전자 조작이 가능하고 포유동물보다는 단순한 다세포 연구 모델이 필요했다. 그 안성맞춤이 C. 엘레간스였다. C. 엘레간스는 고등동물에게서 볼 수 있는 기능을 많이 갖고 있다. 먹고, 이동하고, 주위 환경을 감지하고, 노화한다. 반면 길이는 약 1㎜, 세포수는 약 1,000개에 불과하고, 색깔은 투명하다. 발생과정이 짧아 현미경으로 세포분열을 관찰할 수 있고, 생식방식도 유전자 실험을 하기에 용이하며, 실험실에서 성장시키기도 쉽다.

그는 C. 엘레간스의 발달 사례를 '모델 체계'로 확신하고 설스턴·호비츠와 같은 젊고 유능한 인재들을 끌어모았다. 1974년 그는 〈유전학 Genetics〉에, 화합물 에틸메탄설포네이트(EMS)가 C. 엘레간스의 특정 유전자에 돌연변이를 일으킬 수 있음을 입증한 미증유의 논문 〈카이노르하브디티스 엘레간스의 유전학〉을 발표했다. 이는 갖가지 돌연변이가 특정 유전자, 그리고 기관 발달의 특이 영향과 관련되어 있음을 보여 주는 획기적인 발견이었다. 이후 1990년까지 그가 이끄는 연구팀은 C. 엘레간스의 진핵 모델을 도입해 이것이 발달 연구에 유용함을 입증했다.

그는 생물의 발달 프로그램 특히 신경계를 분석하는 유전학적 방법론을 개발했고, 그의 학생들은 이 모델을 노화(老化)와 아포토시스(apoptosis:세포 증식과 균형을 이루는 정상적인 생리적 과정으로 세포가 적절한 신호 자극을 받았을 때 스스로를 파괴하는 메커니즘. 프로그램화된 세포의 죽음 이라고도 함)에까지 확장해냈다. 그러나 이것은 그가 약 50년간 과학계에 몸담으며 일궈낸 수많은 업적 가운데 하나일 따름이었다. 그는 일찍이 1960년대초 전령 RNA(mRNA)의 존재를 확정하고 mRNA의 뉴클레오티드의 순서가 단백질 속의 아미노산 서열을 결정한다는 사실을 입증했으며, 항체의 다양성에 대한 이해를 높여 주었다.

또한 1980~90년대에는 인간 게놈 계획을 선도하면서 분자생물학과 유전학의 발전에 크게 기여했다.

노벨 생리학·의학상을 받기 전까지 '미국의 노벨상'으로 불리는 앨버트 레스커상(1971 의학연구상, 2000 의학공훈상), 유럽 생화학회 크렙 메달(1980), 교토[京都] 고등기술상(1990)을 비롯한 많은 상을 수상했다.