세포와 노화 분야의 박종군교수입니다.
Q. 세포노화와 개체의 노화의 관계에 대해 궁금합니다
안녕하세요. 박종군 전문가입니다.그리스 철학자 헤라클레이토스는 "모든 것은 흐른다(πάντα ῥεῖ, 판타 레이)"라고 말하여, 세상의 모든 것은 끊임없이 변화하고 움직인다고 주장했읍니다. 아마도 우주를 포함한 물질계의 영역에서도 이 말은 맞는 것처럼 보이며, 생명체의 모든 유전물질들은 발생 초기의 순수한 상태에서 일생 동안 서서히 DNA 손상과 돌연변이가 누적되고 노화가 진행되어 암이나 다른 질병에 노출되기 쉬운 상태가 됩니다.흥미롭게도 정자나 난자의 생식세포는 체세포에서 발생한 손상이나 돌연변이가 다음 세대에 전달되지 않도록 여러 DNA 회복 메커니즘의 활성화, 잘못된 세포소기관이나 세포들의 선택적 제거 과정, 그리고 후성유전학적 초기화(예를 들면 DNA 메틸화된 상태를 초기화함)를 통해 유전정보를 깨끗하게 유지합니다. 이러한 과정은 유전적 안정성을 보장하고, 생명체가 건강한 유전 정보를 다음 세대로 전달하도록 하는 중요한 역할을 하는데 마치 불교의 생노병사의 윤회론이나, 주자학 또는 도교의 태극사상을 상기시킵니다.유전자의 집단인 유전체가 담겨 있는 DNA는 당,인산,염기로 구성되며 A,T,G,C 4종류의 염기들의 배열 정보가 유전자의 정보를 구성하는데, 이는 마치 양자컴퓨터가 아닌 보통의 컴퓨터의 앱들이 0과 1의 배열 정보로 구성되는 것과 유사합니다. 문제는 이러한 염기들의 화학적 구조들이 간혹 변하며 이들은 핵안에 있는 효소들에 의한 DNA회복 과정을 통해 원래대로 복구되는데 나이가 들어가면 이러한 세포내 과정들이 아주 조금씩 잘못되어 유전체들이 잘못되어 갑니다.텔로머레이즈는 DNA 끝부분을 복제할 때 어쩔 수 없이 생기는 공간의 부족을 해결하기 위해 반복된 염기서열을 DNA 말단에 붙여주는 효소로서, 이 효소가 없다면 우리의 DNA는 복제할 때 마다 조금씩 짧아져서 유전자들이 서서히 삭제되어 죽음에 이르게 될 것입니다. 이 고마운 효소 또한 단백질이고 유전자의 산물인데 유전자 자체는 "판타 레이"를 벗어날 수 없어서, 노화의 진행에 따라 서서히 엉터리 효소로 변하여 우리의 DNA가 짧아지게 될 수 밖에 없습니다.자가포식은 세포의 스트레스 반응의 초기 방어 메커니즘으로 작동하여 손상된 미토콘드리아를 제거하여 ROS 축적을 방지함으로써 세포자멸사를 억제하며, 실패 시 세포자멸사로 전환됩니다. 두 과정의 균형은 조직 건강과 질병 예방에 핵심적인 역할을 합니다.이러한 기작들과, 세포내 신호전달의 활성화를 통한 DNA 회복 기전 활성화, 암 유전자 발현 억제, p53등의 항암 유전자 활성화, 암세포를 죽이는 면역세포들의 신호 전달 활성화, 암조직화에 필수적인 혈관 신생 억제, 암세포고사 활성화 등 다양한 분야의 연구들이 암을 극복하기 위해 활발히 진행되고 있읍니다.따라서 질문자의 방법론은 위 결론의 일부를 포함하므로 논리적으로 적절하다고 평가할 수 있읍니다.
Q. 생명체마다 수명이 다른 이유가 뭔가요??
안녕하세요. 박종군 교수입니다. 모든 생명체들은 세포로 구성되는데 세포의 중심부위에 위치한 핵은 DNA를 포함하고 있습니다. 수만개의 유전자들은 DNA라는 하드디스크에 아로 새긴 앱들로 비유할 수 있읍니다. 생명체의 대부분의 생화학적인 사건들은 효소들에 의해 수행되는데, 유전자가 전사되어 RNA가 생성되고, RNA는 번역되어 효소 등의 단백질이 형성됩니다. 이러한 모든 과정이 손상없이 효율적으로 수행되어야 생명이 지속되고 장수할 수 있읍니다. 우리 몸의 대사과정과 과도한 운동에서 발생되는 활성산소나 대기 오염물질, 자외선 등은 세포의 DNA를 공격하여 변형하고 돌연변이를 누적시켜 노화가 진행됩니다. 바다 거북이등의 느린 운동은 과도한 활성산소를 발생하지 않아 장수에 도움이 될 것으로 추측됩니다. 이에 비해 쥐는 맥박수가 빠르고 대사과정도 활발하여 행복하나 빨리 죽는 것으로 보입니다. 활성산소 이외에도 염색체 말단의 복제를 돕는 텔로머라제의 활성, 암억제 단백질들과 DNA 회복효소, DNA 복제효소 등의 건전성들이 노화의 진행에 관여하는 것으로 알려져 계속적인 연구가 진행되고 있읍니다.
Q. 식물이 광합성을 한다는것은 호흡을 하는것과 같은 의미인가요?
안녕하세요. 박종군 교수입니다. 광합성은 식물이나 광합성 세균이 수행하는 것으로, 물과 이산화탄소를 원료로 이용해 포도당과 산소를 만드는 과정입니다. 작은 분자들을 원료로 하여 큰 분자인 포도당을 만드는 일은 어려우므로 에너지가 투입되어야하는데, 광합성의 경우 태양빛의 에너지를 식물의 엽록체에 포함된 엽록소 분자가 포획하여 이용합니다. 포획된 태양에너지는 물분자를 수소와 산소로 분해하면서 나오는 전자의 에너지를 높히는데 이용되고, 높은 에너지의 전자는 전자전달계에 전달되면서 낮아지는데, 그 에너지 차이는 양성자를 엽록체 막 경계의 한쪽으로 계속 펌프질하는데 이용됩니다. 이렇게하여 고농도로 농축된 양성자는 ATP합성효소의 미세한 틈을 이용하여 빠져나가면서 ADP와 무기인산을 재료로 ATP라는 고에너지 운반체를 만드는데 이용됩니다. 이렇게 형성된 ATP는 단순한 분자인 이산화탄소의 탄소를 복잡한 분자인 포도당에 누적하는데 필요한 에너지로 쓰입니다.이에 반해 호흡은 식물이나 동물의 미토콘드리아에서 일어나는 과정으로, 큰 분자인 포도당을 산소와 반응시켜 분해해서 작은 분자인 이산화탄소와 물로 만드는 과정입니다. 큰 것이 작아지면 에너지가 나오는데 이 에너지를 이용해 ATP를 만드는 것입니다. 호흡의 세부적인 모습은 놀랍게도 광합성의 모습과 비슷하여, 전자전달, 양성자 축적, ATP합성효소가 미토콘드리아에서도 나타납니다.광합성이 지구에 산소를 누적시키고 보너스로 포도당을 선물함으로써, 산소와 포도당을 이용하는 미생물, 동물, 인간의 삶이 가능함을 생각해보면, 지구의 주인은 식물이고 인간은 식물들의 노고에 누를 끼치지 말아야 할것입니다. 탐욕은 지금보다 대폭 줄이고 환경친화적인 미니멀 라이프의 소비로 지구 환경을 건강히 유지하는 삶의 방식이 절실합니다.
Q. 노화방지를 위한 유전자 개선같은 과학은 개발된게 없을까요?
안녕하세요. 박종군 교수입니다. 노화는 유전물질인 DNA의 염기나 당-인산 골격이 자외선이나 활성산소, 핵폭탄등의 방사능에 의해 손상받아 변형되는 과정에서 출발합니다. 이러한 구조 변형은 인지단백질인 ATM등에 의해 인지된 후, 암억제단백질이자 전사인자인 p53계에 전달되고, p53은 세포주기를 정지시킨 후 DNA를 고치는 DNA회복효소들을 활성화시킵니다. 모든 유전자들은 DNA에 있으므로 DNA의 구조 변형을 원래대로 회복하는 일은 노화 방지에 필수적인 일입니다. 따라서 이 과정들을 보조할 수 있는 천연물들, 예컨대 비타민 C나 안토시아닌등의 항산화제, DNA회복을 돕는 인삼 사포닌등은 항노화제로 이용되고 있읍니다. 향후 과학발전에 따라 노화 관련 유전자들의 구조와 기능을 잘 유지하게 하는 유전자 가위등의 기술이나 이상적인 조합물이 출현한다면 인간의 수명은 지금보다 크게 연장될 것입니다.물론 무뇌아적인 환경파괴와 광기로 가득찬 핵전쟁으로 인류 종 절멸이 일어난다면 위 노력의 의미는 매우 퇴색되고 인류는 잔존하기 위해 다른 별을 찾아 나서야 될 것입니다.
Q. 바이러스가 변이될 조건과 확률이 궁금합니다.
안녕하세요. 박종군 교수입니다. 바이러스를 제외한 대부분의 생물체의 유전물질은 DNA로 구성되어 있읍니다. 화학적으로 보면 DNA의 당인 deoxyribose가 수산기(OH)가 하나여서, 수산기가 두개인 RNA의 ribose보다 보다 안정한 구조라고 규명되고 있읍니다. 이에 반해, 바이러스는 DNA나 RNA를 유전물질로 가질 수 있고 RNA 바이러스가 DNA 바이러스보다 변이가 잘 일어나는 이유는 이러한 물질적 차이가 하나의 원인입니다. 모든 유전물질들이 후손에게 전달되기위해선 DNA는 DNA 중합효소에 의해 복제되어야 합니다. 이 과정은 매우 정확도가 높으나 간혹 실수가 일어나기도 하는데 이 경우 DNA 중합효소 자체의 교정기능을 통해 방금 복제된 가닥에 삽입된 잘못된 염기를 뜯어내고 정상적인 염기로 교체하는 작업이 일어납니다. 이러한 교정 기능까지도 간혹 에러가 일어날 경우, 복제가 상당히 진행된 후 만들어진 이중나선의 엉터리 염기 결합을 검열하여 DNA를 바로잡는 mismatch 회복계가 작동하여 변이를 억제합니다. 이런 방식으로 DNA의 변이는 상당히 제한적으로만 발생하도록 진화(혹은 창조나 윤회..아직 이들 가설이 완벽히 증명된 것은 아님)되엇다고 과학자들의 패러다임이 형성되어가고 있읍니다. RNA의 복제는 보통 역전사효소를 이용하여 DNA 복사체를 만드는데 이 과정은 DNA 복제보다 훨씬 엄밀성이 떨어집니다. 바이러스 입장에서는 다양하게 변이된 후손의 종류를 많이 생성함으로써 숙주의 강력한 방어체계인 면역계를 피하고 후손을 많이 만드는데 성공할 수 있을 것입니다. 이러한 DNA나 RNA 변이를 증가시키는 요인들은 환경 오염에 의한 기상이변으로 자외선이 증가되어 염기 이량체가 생성될 수 있읍니다. 온난화가 급히 진행되면 극지방의 빙산이 급히 녹아내리고 그 안에 퇴적되어있던 몇 만년 혹은 몇 천만년전의 바이러스나 병원성 세균들이 급히 우리 생태계에 노출되어, 인간을 비롯한 여러 동물들의 면역계에 과도한 부담을 주고 희귀한 질병에 자주 걸리게 되는 일이 발생할 것입니다. 광합성을 통해 탄수화물과 산소를 제공해주는 고마운 식물에 비해, 과도한 소비와 생태계 파괴만 일삼는 가장 탐욕적인 동물인 인간이라는 종이 지구의 주인이 결코 아닌만큼, 물질적 탐욕을 자제하고 친환경적인 minimal life의 습관을 견지하면서 분노조절장애적인 살육전쟁, 특히 절멸적인 변이의 최대 원인일 핵전쟁에 이르지 않게 견제해야 할것입니다.