노화를 조절하는 법? 노화는 누구에게나 오는 거부할 수 없는 세월의 선물이다. 다만 사람에 따라 노화되는 속도와 양상이 다르고 이런 차이가 어디에서 오는지 노화를 막을 수는 없는지가 항상 관심의 대상이었다. 생물학의 발전은 이런 노화에 대해서도 새로운 해답을 내놓고 있다. 지난 2023년 1월에 Cell지에 발표된 논문에 따르면 DNA에 손상을 주는 효소를 넣어 발현시킬 경우 돌연변이 발생이 증가하지 않았음에도 노화가 빠른 속도로 진행되었음을 알 수 있었다. 이 효소는 DNA에 double break를 만드는 효소로 이 결과는 언뜻 보면 DNA가 많이 손상되면 노화가 촉진된다는 가설과 대체로 일치 하는 것 같지만, 사실 돌연변이 발생률에는 큰 차이가 없었다. 반면 후성유전학적 지도(epigenetic landscape)가 많이 바뀐 것을 볼 수 있었다. 즉, DNA부위에 따라 히스톤 단백질의 결합 정도가 상당히 틀린데, 이런 차이가 많이 없어진 것이다. 이 실험으로 DNA손상이 후성유전학적 변형을 유발하였고 그 결과 노화가 급속하게 진행되었다는 것이 입증된 셈이다. 사실 이미 많은 연구자들이 돌연변이 보다 후성유전학적 변화가 노화의 원인임을 주장하고 있었다. 이번 실험을 통해 DNA손상이 노화의 원인이라는 주장과 후성유전학적 변화가 노화의 원인이라는 주장의 연결점을 찾은 것으로 생각된다. 물론 DNA손상이 어떤 방식으로 후성유전학적변화를 일으켰는지 또 어떤 변화가 노화와 직접적으로 연관되어 있는지는 아직도 많은 연구가 필요하다. 하지만 다 밝혀질 때까지 기다리기엔 후원자나 연구자들의 수명이 너무 짧기에, 너무 서두르는 경향이 있지만, 많은 연구자들이 후성유전학적 변화로 인해 생긴 노화를 다시 되돌리는 방법에 많은 관심을 갖고 있다. 같은 논문에서도 ”노화현상을 되돌릴 수도 있을까?”라는 질문에 도전하였다. 이 연구자들은 야마나카 인자(Yamanaka Factor: Oct4, Sox2, and Klf4)라고 불리는 줄기세포 유도 인자들을 발현하도록 유도 하였다. 그 결과는 놀랍게도 분자적인 그리고 조직학적인 면에서 노화를 되돌린 것과 같은 효과를 볼수 있었다. 아직 정확한 기작은 모르지만 노화를 막고 되돌리고자 하는 시도가 성공할 수도 있을 가능성을 보여준 것이다. 사실 이런 실험 결과는 예전에도 시력을 잃은 쥐에 야마나카 인자의 유전자를 주입하여 시력을 회복시킨 경우가 보고 되면서 이미 그 가능성이 점쳐지고 있었다(Lu 등, 2020). 줄기세포유도인자(야마나카 인자)가 세포의 후성유전학적 특징을 원래대로 돌아오도록 도왔고 그 결과 세포가 다시 기능을 찾게 되었다는 것이다. 생각해보면 매번 아기가 새로 젊음을 지니고 태어나듯이 세포의 후성유전학적 변화를 걷어내고 다시 원점에서 시작할 수 있다면 젊음을 되찾을 수 있다는 얘기다. 다만 어떻게 안전하게 후성유전학적 변화들을 원점으로 돌려 놓을 수 있느냐가 회춘의 핵심 과제가 될 것이다. 옛 속담에도 “There are No Free Lunch.”라는 속담이 있다. Manjarrez A. 2023, Epigenetic Manipulations Can Accelerate or Reverse Aging in Mice. The Scientist, Jan. 12 News & Opinion Lu Y, Brommer B, Tian X, et al., 2020, Reprogramming to recover youthful epigenetic information and retore vision. Nature 588(7836): 124-129.

점프력은 유전자가 결정한다? 모두 알다시피 운동을 많이 하면 근육이 늘어나고 운동능력이 향상되는 것을 알고 있다. 그런데 여러가지 운동 중에 점프를 하는 운동을 많이 하게 되면단순히 근육만 발달하는게 아니고 힘줄도 더 강해진다. 그동안 어떻게 힘줄이 가해지는 힘에 적응하여 튼튼해지는지 그 기작은 잘 알려져 있지 않았다. 이 문제를 해결하기 위해 취리히에서 연구하던 Fabian Passini는 힘줄세포(tenocyte)라는 세포가 힘줄안에 위치하고 있어 힘줄에 가해지는 힘에 반응한다는 사실을 밝혀냈다. 힘줄세포에 존재하는 이온채널 겸 기계적수용기 역할을 하는 단백질(PIEZO1)을 찾아냈고, 그 유전자를 knockout시킨 생쥐를 조사해본 결과 꼬리에 연결된 힘줄이 약하다는 사실을 알아냈다. 이와는 반대로 PIEZO1을 활성화시키는 물질을 쥐에 처리하거나 Piezo1을 보다 잘 반응하도록만든 기능획득 돌연변이 유전자(gain-of-function mutant)를 넣은 생쥐의 경우 튼튼한 힘줄을 갖게 된다는 사실을 알 수 있었다. 이어진 연구에서 PIEZO1은 신장력에 반응하여 칼슘에 대한 통로가 열리도록 하여 세포내 신호를 생성하고 그 결과로 콜라겐을 서로 연결하는 유전자를발현시키거나 콜라겐 생산 자체를 증가시킨다는 사실을 알아냈다. 즉, 더 강한 힘줄이 되도록 한다. Piezo1의 gain-of-function mutant는 일부 사람들에게서도 발견된다. 특히 아프리카계 미국인에서 많이 발견되며, 이 돌연변이를 가진 사람들은 평균적으로 더 높이 점프할 수 있다는 사실을 알아냈다. 이 논문의 말미에 "만약 정상급 체육인 중에서 이런 돌연변이를 가지고 있는지 알아보면 재미있을 것 같다.”고 첨부하였다. 이 논문이 아프리카계 인종의 뛰어난 운동능력을 설명해줄 수도 있을 것 같다. 하지만 논문에서도 나와 있듯이 점프력 자체에는 영향이 없었다. 다만 힘줄의 탄력을 이용한 점프력이 증가했다. 즉, 보편적인 운동능력은 여러 가지 요인이 있기 때문에 쉽게 결론 내리기는 어려울 듯하다. 한가지 염려스러운 것은 PIEZO1의 인위적인 자극이 힘줄을 튼튼하게 만들 수 있는지 여부인 것 같다. 만약 그렇다면 새로운 종류의 약물이 도핑테스트에 첨가되어야 하는게아닐까? Offord C, 2021, Mechanosensory protein helps tendons stiffen after exercise. TheScientist, Sep 1, 2021. F.S. Passini et al., “Shear-stress sensing by PIEZO1 regulates tendon stiffness in rodents and influences jumping performance in humans,” Nat Biomed Eng, doi:10.1038/s41551-021-00716-x, 2021.

노화와 부실한 전사의 관계 전사(transcription)란 DNA를 주형으로 RNA가 만들어지는 것을 말한다. 지난 4월 12일 Nature에 발표된 논문에 따르면 노화란 전사과정에서 생기는 변화와 함께 일어나는 현상이고 또한 전사과정에 일어나는 변화가 바로 노화를 일으키는 원인이라고 한다. 이 결과는 그 동안 노화와 관련된 연구의 주 재료로사용되었던 생물들, 즉 초파리, 선충, 생쥐, 쥐, 그리고 사람 모두 에서 나타난 공통된 현상이라고 한다. 이러한 발견은 노화를 이해하는데 뿐 아니라 노화를 개선하는 방법을 모색하는 데에도 일조할 것으로 보인다. 호주 시드니의 UNSW에 속해 있는 Linsay Wu박사는 “우리가 어떻게 그리고 왜 나이를 먹는지를 이해하는데 완전히 새로운 지평을 열었다.”고 했다. 동물이 나이가 들면서 안좋은 돌연변이가 많이 생기고 또한 끝 부분은 계속 짧아지는 현상이 일어나는 것을 알고 있다. 많은 이들이 이런 변화가 유전자발현에 어떤 영향을 주는지 연구했지만 실제로 발현되는 과정, 즉 전사 자체에 어떤 변화를 주는지는 그다지 주목하지 않았다. 부실한 전사 논문의 핵심 저자이면서 컴퓨터전문가인 Beyer는 동료들과 함께 5 종류의 생물에서 나이가 들어감에 따라 전사에 어떤 변화가 일어나는지를 분석하였다.우선 노화되면서 실제로 DNA에 붙어 RNA를 생산하는 RNA중합효소II(RNA pol.II)에 어떤 변화가 생기는지 봤다. 평균적으로 나이가 들면서 RNApol.II의반응 속도는 빨라졌다. 하지만 정확도는 떨어졌음을 알 수 있었다. 즉, DNA서열과 RNA서열이 맞지 않는 경우가 많았다. 앞선 연구들에서 식사량을 제한하거나 인슐린신호전달을 억제할 경우 평균 수명이 늘어난다는 것을 밝힌바 있다. 따라서 이런 수명을 연장한 개체(초파리, 선충, 생쥐)에서는 과연 RNA pol.II에 변화가 있을지 조사한 결과 실제로 천천히 움직이는 것을 볼 수 있었다. 이에 더해 생쥐에서 저칼로리 식사를 시키면 역시 천천히 움직이는 것이 관찰되었다. 그렇다면 인위적으로 RNA pol.II의 속도를 줄이면 수명이 연장 될까? 실제로 RNA pol.II 유전자에 돌연변이를 일으켜 느린 전사가 일어나는 초파리와 선충을 만들어 조사한 결과 수명이 10 – 20% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 반대로 다시 유전자 편집을 통해원래의 속도로 회복시키면 다시 수명이 정상이 되는 것을 볼 수 있었다. 이에 연구자들은 전사가 천천히 일어나는 것과 DNA의 응축에 생긴 변화와 관계가 있는지 조사했다. DNA분자의 많은 부위가 히스톤 단백질에 붙어 뉴클레오솜을 이루고 더 응축되어 발현이 잘 일어나지 못한 상태로 있다. 사람의 폐세포와 탯줄세포를 비교하여 나이든 세포는 뉴클레오솜의 수가 적다는 것을 알 수 있었다. 즉, RNA pol.II가 움직이는데 방해가 적다는 것이다. 그렇다면 인위적으로 히스톤 단백질의 양을 증가시키면 어떤 일이 벌어질까? 초파리실험에서 히스톤 양을 증가시키면 RNA pol.II의 속도가 느려졌고 동시에 수명도 늘어나는 것을 볼 수 있었다. 이 연구는 동물들이 노화되는 것이 후생유전학적 변화와 상관있다는 기존의 연구 결과 들과도 잘 부합한다. 또한 이상한 전사(Cryptic transcription)가 노화의 원인으로, 유전자가 아니거나 유전자의 일부만을 발현하면서 노화가 일어난다는 의견과도 일맥상통한다고 볼 수 있다. 즉, DNA에 생긴 구조적인 문제가 RNA합성을 잘 제어하지 못하고 빠른 속도로 일어나게끔 변화시키고 이런 변화에 따라 전사가 빠른 속도로 여기저기서 일어나게 만든다. 그 결과 전사가 효율적으로 조절되지 못하면 세포내 대사과정에 이상이 생기고 이것이 바로 노화의 원인이라고 할 수 있다. Gemma Conroy, Aging studies in fi ve animals suggest how to reverse decline. Nature News 12 April 2023. (doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01040-x) 원 논문: Debès, C. et al. Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-023-05922-y )(2023). Baylor College of Medicine, Cryptic transcription, a novel phenomenon in mammalian stem cells, linked to aging. ScienceDaily August 2, 2021. 원 논문2: Brenna S, et al. Nature Aging, 2021; DOI: 10.1038/s43587-021-00091-x

식물들의 소리를 들어보세요. 텔아비브대학교의 연구팀이 세계 최초로 식물이 내는 소리를 녹음하여 분석했다. 클릭 소리(또는팝콘 터지는 소리)와 비슷한 소리를 사람이 말하는 정도의 세기로 발산한 것이다. 물론 이 소리는 사람이 들을 수 없는 초음파 영역이다. 연구자들에 따르면 식물은 스트레스를 받는 상황에서 식물 종 고유의 소리를 내며 스트레스의 종류에 따라 다른 소리를 낸 것으로 알려졌다. 사람의 귀에는 들리지 않겠지만 박쥐나 생쥐 그리고 곤충에게는 들리는 주파수대의소리를 낸다고 Cell지에 보고 하였다. 관련 youtube 영상은 아래와 같다. https://www.youtube.com/watch?v=hOWaXi0I2YE 이 연구를 주도한 Hadany박사에 따르면 “예전에도 식물들의 몸에 진동계를 설치하면 떨림이 생긴다는 것을 알고 있었습니다. 우리는 이런 떨림이 공기의떨림 즉 소리가 되어 조금 떨어진 거리에 전달되는지를 알아보고자 한 것입니다.” 이들은 식물들을 방음이 되는 상자에 넣고 초음파를 잡을 수 있는 특수 마이크를 10 cm정도 거리에 두고 기록하기 시작 했다. 어떤 식물들은 상자에 넣기전에 자르거나 물을 5일 이상 안 줘서 스트레스를 주었고 어떤 그룹은 전혀 스트레스를 주지 않았다(대조군). 실험결과 식물들(토마토, 담배, 보리, 옥수수,선인장 그리고 광대나물풀 등)은 생장 조건에 따라 주파수가 40-80 kHz 영역의 소리를 내는 것으로 기록되었다. 특히 대조군은 시간당 1회정도 밖에 소리를 내지 않지만 스트레스를 받으면 많게는 시간당 12번 정도까지 소리를 내었다. 사람은 어른의 경우 주파수가 최대 약 16 kHz까지 들을 수 있다. 따라서우린 식물들의 소리를 들을 수 없지만 숲 속의 다른 생물들 중에는 소리를 듣고 반응할 수 있는 영역이다. 이렇게 녹음된 소리들을 특별히 고안된 머신 러닝을 통해 분석한 결과 식물들 간에 서로 다른 소리를 낸다는 것을 알게 되었고 결국 그 소리를 이용하여어떤 식물인지 그리고 얼마나 스트레스를 받고 있는지 알아낼 수 있게 되었다. 일반적으로 온실에서 잘 키워도 소리를 내기 때문에 상당히 시끄럽다고 할수 있다. 온실에서 물은 안 주면 계속 소리의 크기가 증가하고 어느 수준 이상이 되면 소리가 없어지는 것으로 알려졌다. Hadany박사: “우리는 이 연구를 통해 아주 오래된 과학논쟁을 해결할 수 있었습니다.: 즉, 식물도 소리를 냅니다! 이 연구를 통해 우리 주위에는 식물들이내는 소리로 가득하고 그 소리에는 정보가 담겨 있음을 알게 되었죠.-예를 들면 수분부족이나 상처와 같은 정보죠. 아마도 이런 자연의 소리는 박쥐나 곤충, 그리고 설치류와 아마도 다른 식물들도 들을 수 있고 정보를 얻을 수 있을 것이라고 생각합니다. 우리 인간도 이런 정보를 이해하고 활용할 수 있을 것으로 생각됩니다.” 이 연구에 이어 식물들이 어떻게 소리를 내는지, 어떻게 곤충들이 이 소리에 반응하는지, 다른 식물들이 소리를 어떻게 듣는지 또 어떤 반응을 할지 등 다양한 호기심을 갖게된다. EurekAlert! News Release 30-MAR-2023, Global breakthrough: Plants emit sounds! Khait I, et al., Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative. Cell https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.03.009

항바이러스 면역력으로 피부 노화까지 해결? 노후 세포(senescent cell)는 더 이상 분열하진 못하지만 죽지도 않고 우리 몸에 축적될 수 있다. 이들은 우리 몸에 여러 가지 암을 비롯한 퇴행성질환을 유발하는 만성 염증을 일으키기도한다. 생쥐의 경우 이런 노후 세포들을 노화된 조직에서 제거하는 것이 조직의 평형을 회복시키고 수명을 연장하는 것으로 알려져 있다. 여기 메사추세츄 종합병원(Massachusettes General Hopital, MGH)의 연구진이 조직내 존재하는 바이러스를 제거하는 인간 특유의 면역시스템이 피부에 존재하는 노후한 세포들을 감지하고 제거할 수 있음을 발견했다. 이번 Cell지에 발표된 연구에서 따르면 젊은 피부와 늙은 피부를 이용해 노후한 세포를 제거하는능력을 비교해 봤다. 실험결과는 일단 나이가 들면 killerCD4+ T세포(cytotoxic T cell, 세포독성 T세포)의 수가 감소하는 것을 발견했다. 또한 이 세포의 수가 많으면 피부 조직내 노후한 세포의 수가 줄어드는 것으로 나타났다. 어떻게 세포독성 T세포가 나이든 세포들을 골라내는지 알아본 결과 늙은 세포들은 인간 사이토메갈로 바이러스 (cytomegalovirus, CMV; 거대세포 바이러스)가 만들어내는 항원을 발현한다는 사실을 알아냈다. 즉, 대부분의 사람에게 이미 감염되어 있는 하지만 휴면상태로 존재하는 이 사이토메갈로 바이러스의 단백질이 나이든 세포에서 발현되기 시작하면 이를 세포독성 T세포가 인식하고 공격하여 늙은 세포를 제거한다는 것이다. 이 연구에 참여한 MGH 소속 Shawn Demehri박사는 “우리 연구는 인간 사이토메갈로 바이러스에 대한 면역반응이 노화된 조직의 평형을 유지하는 역할을 한다는 사실을 밝힌 것입니다.”라고 주장했다. 이어 “우리 대부분은 이미 사이토메갈로 바이러스에 감염되어 있고 우리 면역계는 이 바이러스의 단백질을 발현하는 노후 세포들을 제거하는 방향으로 진화해 온 것 같다.”고 했다. 이 발견으로 살아있는 바이러스를 이용하여 유용하게 활용할 수 있는 방법을 알게 되었다. 즉, 우리 몸에 항-바이러스 면역체계를 증진하여 노후 세포들을제거할 수 있다는 것이다. Demehri박사는 이어 “이 사이토메갈로 바이러스에 대한 면역력을 이용하여 암, 섬유증 그리고 여러 퇴행성 질환들을 치료할 생각.”이라고 말했다. 그리고 이런 질병뿐 아니라 피부를 젊게 보이는 화장품 개발에도 활용할 수 있을 것이라고 했다. EurekaAlert! News Release 30-Mar-2023, Boosting the body’s anti-viral immune response may eliminates aging cells. Hasegawa T, Oka T, et al., Cytotoxic CD4+ T cells eliminate senescent cells by targeting cytomegalovirus antigen.DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.02.033

2023년도 뇌과학상은 시냅스의 가소성 연구자들에게 2023 brain Prize Awarded for Research on Synaptic Plasticity. 덴마크의 Lundbeck Foundation은 2023년 Brain Prize 수상자로 Christine Holt, Michael Greenberg,그리고 Erin Schuman 3명에게 총 일백만 덴마크 달러(약 백6십만 미국 달러, 우리 돈으로 치면 약 20억원)를 수여한다고 발표하였다. Brain Prize는 신경과학자들에게 수여하는 가장 권위있는 상으로 매년 뇌과학에 가장 의미있는 영향을 미친 과학자들에게 수여하고 있다. 에덴버러대학의 신경과학자이자 이 상을 주관하는 위원회 의장인 Richard Morris는 이들의 업적을 “엄청난 과학적 충격”이라고 표현했다. 이들은 뇌의 가소성(plasticity, 변화 가능한 성질)의 분자적 기작을 밝혔다: 학습, 발달, 외상 치유, 그리고 새로운 정보에 적응하여 나타나는 뇌의 재편성(rewiring) 능력. “불활성 시냅스는 성장 후 가소성을 위한 것일 수 있다.” 이들은 시냅스의 가소성에 관한 단백질 합성에 대해 각기 연구하였다. 하버드의과대학의Greenberg의 경우 전사인자인 Fos 단백질의 역할을 밝혔는데,신경활동이 이 단백질의 합성을 유도하여 다른 관련 유전자들의 발현을 주도하고 결국 신경연결에 장기적인 변화를 유도한다는 것을 밝혔다. 그의 연구실은 그 이후에도 뇌의 연결에서 일어나는 감각의존성 변화에 대한 연구를 진행하여 시냅스의 변화가 기억, 행동, 그리고 발생에서 중요한 역할을 한다는사실을 알아내었다. Greenberg박사는 Fos와 다른 유전자들에 의해 시냅스의 가소성이 진행된다는 것을 밝혔다. 하지만 어떻게 핵에서 일어나는 일시적인 변화가 시냅스의가소성을 오랫동안 유지할 수 있는지에 대한 의문은 가시질 않았다. Schuman박사는 이에 대해 핵에서의 변화가 없이도 국부적으로 일어나는 번역과정(translation, 단백질 합성과정)이 시냅스의 연결 능력을 유지하는데 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혔다. Schuman에 따르면 일단 만들어진 mRNA를 멀리 보내고 그 곳에서 필요에 따라 번역을 조절하여 시냅스의 가소성을 조절한다는 것이다. 그녀는 이후 국지적인 단백질 합성과 분해가 어떻게 시냅스의가소성에 영향을 주는지 X-염색체 허약(Fragile X-syndrome), 결절성 경화증(tuberous sclerosis)등을 통해 연구하고 있다. 런던 켐브리지대학의 신경과학자 Holt 박사는 뇌의 발생과정에서 처음 만들어진 연결이 어떻게 오래도록 지속될 수 있는지에 대해 연구했다. 그녀는 포유동물의 시각신경이 연결되는 과정을 연구하여 성장추(growth cone)라고 부르는 신경의 말단 부위가 표적기관을 찾아가는 과정에서 역시 단백질의 생성과 분해가 빠른 속도로 일어나는 현상이 중요하다는 것을 밝히게 되었다. Holt와 Schuman의 연구 모두 단백질의 합성이 신경접합을 만들고 유지하는데중요하다는 사실을 얘기하고 있다. Morris박사에 따르면 “처음 Greeberg박사가 신경의 활성이 전사에 영향을 줄 수 있다는 사실을 밝혔고 이어 Holt와 Schuman는 전사를 통해 만들어진RNA가 말단지역으로 수송되어 시냅스를 변화시키는 일을 담당한다는 사실을 밝힌 것”이라고 하였다. 이런 연구는 기초연구에 해당하지만 이들의 연구 성과는 신경발달과 각종 퇴행성 신경질환을 이해하는데 유전학적 기초를 만들어 주었다. Holt박사는 “지난 몇 년간 가장 놀라운 발견은 퇴행성 신경질환과 mRNA의 관계를 알게 된 것이다. X-염색체 허약 증후군과 알츠하이머씨병 모두 시냅스 근처에서의mRNA 번역이 잘못된 것이다.”라고 하였다. “앞으로 많은 일들이 이와(번역) 관련되어 벌어질 것이다. 이미 진행되고 있기도하지만 앞으로는 훨씬 더 많은 예들이 발견될 것이다.”라고 Morris박사는예측했다.

후성유전학적 변형이 유전된다고? 후성유전학적(epigenetic) 변화 는 생명체의 일생 동안 유전자의 발현에 중대한 변화를 준다. 이런 변화는 생식세포의 유전체에서 완전히 씻겨져 다음 세대에게는 새로운 출발을 할 수 있게 해준다. 그런데 지난 2월 7일 Cell지에 발표된 논문에 따르면 이런 후성학적 변화가 제거 과정에도 불구하고 다음 세대에게 전달된다는 증거가 제시되고 있다. 일군의 과학자들에 따르면 실험실 생쥐의 4 세대동안 후성학적으로 변형된 유전자를 추적한 결과 각 세대에서재현되는 현상을 발견했다. 이 재현은 후성학적 변화의 제거 후에도 일어나는 것으로 보인다. 저자들은 이 것이 후성학적 변화가 유전되는 현상을 메틸화-편집 생쥐를 이용한 첫 증거라고 주장한다. 1990년대 까지도 유전 형질의 변화는 DNA염기서열의 변화에 의해서만 일어난다고 알려졌다. 하지만 이런 생각은 후성유전학이 나오면서 완전히 바뀌게 되었다. 즉, 환경이나 행동에 의해 염기서열의 변화 없이도 유전자의 발현이 조절될 수 있다는 것이 알려졌다. 가장 대표적인 변화가 DNA의 메틸화에의한 후성유전학적 변화이다. DNA에 결합시킨 메틸기를 통해 유전자 발현을 조절하고 결과적으로 표현형을 결정한다. 환경 후성유전학자인 Allard박사에 따르면 유전체의 약 70%가 메틸화되어 있으며 최근까지도 이런 메틸화 양상은 유전되지 않는 것으로 알려져왔다. 이런 믿음은 배아 생식세포는 실제로 배우체(정자와 난자)로 분화되기 전에 유전체에 붙은 메틸기의 약 90%가 제거된다는 사실에 근거한다. 이 과정은 배우체가 만들어지기 전까지 최소 2번에 걸쳐 일어나며 소위 “blank slate”(빈 석고판 즉, 흰 도화지) 이라고 부르는 상태로 만든다(Von Meyenn F and Reik W, 2015). Allard박사는 이 빈 석고판을 고려하면 환경적인 유산이 전달될 가능성은 없다고 설명한다. 아직도 많은 과학자들이 후성학적 유산은 일시적인 것이라고생각하지만 이들을 더 개선된 연구법이 필요했을 뿐이다. 이 논문의 공동 저자이자 Altos Lab의 중견 연구원인 Takahashi에 따르면 CRISPR Cas-9 편집법을 이용해 특정 메틸화 패턴을 인간 줄기세포의 유전체에 넣을 수 있었다. 이 새로운 방법으로 Takahashi와 동료들은 후성유전적 유산이 유전되는지를알아보기 시작했다. 이 새로운 DNA 메틸화 편집법을 이용해 생쥐의 대사과정에 관여하는 2가지 유전자(당뇨와 비만과 관계가 있음)를 침묵시켰다. 그리고 이렇게 만들어진생쥐 줄기세포를 대리모에 이식시켜 출산시키고 10개월 동안 관찰한 것이다. 그들이 기대했던 것처럼 유전자가 편집된 줄기세포에 의해 만들어진 생쥐들은 비만이었고 콜레스테롤치도 높았다. 또한 유전자 검사를 통해 변형된 대립유전자를 갖는 생쥐들을 골라 4세대까지 키워본 결과 4대손까지도 그 메틸패턴이 유지되었고 형질 또한 그대로 유지되었다. 이 결과는 후성유전학적 변형이 유전된다는 것을 보여주는 결과이다. 그런데 이 실험 결과에서 가장 흥미로운 사실은 이들 생쥐의 생식세포로부터 DNA를 분리하여 분석해봤을 때 이들은 메틸화가 제거되는 현상을 봤다는 점이다. 그러다가 성적으로 성숙되기 직전에 다시 원래의 메틸화 패턴이 다시 나타났다. 이는 놀랍게도 아직까지 알려지지 않은 방식으로 잊었던 메틸화 패턴을 기억할 수 있다는 것이다. 아직도 너무나 많은 질문들이 대답을 기다리고 있다. ‘빈 석고판(흰 도화지) 상태’란 무엇인가? 무엇이 후성유전학적 변화를 기억해서 재현할 수 있을까?이들이 사용한 실험법에는 문제가 없는가? 후성유전학적 변화가 어떻게 유전자 염기서열에 변화를 줄 수 있을까? 등 수많은 생물학자들이 질문을 던질것이라고 생각된다. 이 주제는 생물학도들에게 뿐 아니라 사회학이나 교육학적으로도 중요하다고 생각된다. 즉, 부모세대가 어떤 교육을 받고 어떤 생활을 했느냐가 자손에게 유전될 가능성을 보여주기 때문이다. 지난 10여년간 C. elegans를 이용한 후성유전학 연구는 small RNA에 의한 후성유전학적 변화가 정말 유전된다는 사실을 보고하였고 그 결과로 차세대의 유전자 발현조절이 가능하다는 것을 보여 주었다(Toker et al., 2022). 과연 라마르크의 용불용설이 제기된 이후 지속적으로 제기되었던 “어떤 개체가 경험한 환경과 적응의 결과가 과연 다음 세대에게도 전해질 것인가?”라는 질문에 대한 해답을 구할 수 있을까? 이어진 연구들이 기대된다. Irving K, 2023, Mice pass epigenetic tweak to pups. TheScientist Feb 17, 2023. Von Meyenn F and Reik W, 2015, Forget the parents: Epigenetic reprogramming in human germ cells. Cell 181, June 4, 2015. http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.05.039 Toker et al., 2022, Developmental Cell 57, 298–309, https://doi.org/10.1016/j.devcel.2022.01.005

호흡률이 신경발달 속도를 조절한다 ? 인간의 뇌는 아주 천천히 자라는 것으로 알려져 있다 . 생쥐의 경우는 불과 몇 주 동안이면 되는 일이 사람의 경우는 왜 ? 어떻게 ? 몇 년이 걸리는 지는 잘 모르고 있다 . 이런 특징이 인간의 독특한 지적 능력과 어떤 관계가 있는지는 모르지만 , 이 과정에서 미토콘드리아가 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려졌다 . 지난 1 월 26 일에 Science Advances지에 발표된 논문에 따르면 신경의 발달은 미토콘드리아 대사에 의해 조절될 수 있다는 것이 알려졌다 . 신경세포의 성장은 회로가 짜여지는 과정이라고 할 수 있고 그 과정을 조절한다면 회로를 조절할 수 있을 것이며 난치성 뇌질환들을 치료하는 방법으로 응용될 수도 있을 것이다. 이 분야의 전문가인 Pierre Vanderhe aghen 박사의 말에 따르면 , 약 10 여년전에 인간의 신경세포를 성장 중인 생쥐의 뇌에 이식하여 축삭성장속도가 빨라질 것이라고 예상을 했으나 원래대로 느리게 성장하였다 . 즉 , 환경적인 요인에의해 천천히 성장하는게 아니고 원래 세포 안에 내재된 원인이 있다는 것이다. 이에 더해 신경은 발생하는 과정에서 일정한 때에 수상돌기와 시냅스형성 등이 동시에 일어나는 특징이 있다 . 이는 세포 안에 내재된 조절 기작이 존재한다는 것을 말한다 . 최근들어 신경의 발달 이 미토콘드리아에 의존해서 조절된다는 사실이 다른 논문에서 제시되었고 (Iwata et al., 2020) 이들 은 이 가설에 따라 미토콘드리아를 조절하면 신경발달이 조절되는지를 실험해 보았다 . 줄기세포일때는 주로 해당과정 ( glycolysis)을 통한 대사에너지 공급이 이루어진다 . 이는 세포내 구조물들의 building block 을 만들기 위한 과정이기도 하다 . 그러다 분화시기에 이르면 산화적인산화 반응 (oxidative phosphorylation, 미토 콘드리아 에 의한 에너지 공급으로 전환된다 . 이는 신경줄기세포 (neural stem/progenitor 에서도 분화되는 과정에서 glycolytic enzyme 에서 oxidative phosphorylation 에 필요한 효소들로 발현이 전환된다는 사실이 밝혀지기도 했다 . 즉 , 미토콘드리아가 활동을 하지 않을때는 줄기세포가 분열하면서 새로 만들어지고 , 미토콘드리아가 활성화되면 분열이 잠잠해지고 분화의 길로 가게된다는 것이다 (Iwata et al., 2020). 이 실험을 위해 신경세포로 분화하는데 필요한 유전자 NeuroD1 이 발현되는 시점을 분화 시작점으로 보고 신경돌기들의 발달이 어떤 속도로 일어나는지 측정하였다 . 이와 동시에 세포내 미토콘드리아의 활성을 측정하기 위해 oxygraphy 를 이용한 산소흡수량 측정을 실시하였다 . 그 결과 생쥐에서 신경으로 분화를 시작한지 20 일만에 산소 소비량이 인간신경세포에 비해 거의 10 배 증가하는 것으로 나타났다 . 그래서 사람 신경세포에 미토콘드리아 활성을 촉진 시키는 물 질 을 처리하고 몇 주가 지나자 이를 처리하지 않은 신경세포에 비해 훨씬 성숙한 모습을 보여주었다 . 이와는 반대로 생쥐 신경세포의 대사률을 떨어뜨릴 경우 신경이 자라는 속도가 감소한다는 사실도 알아 냈다. 이 연구 결과로 신경의 발달이 너무 느리거나 빨리 일어나기 때문에 생기는 질환들에 대한 치료의 가능성을 볼 수 있었다 . 하지만 연구자들도 미토콘드리아의 기능 조절만으로 모든 문제가 해결될 것 같지는 않다고 말하고 있다 (Motori et al., 2020). 인간의 뇌가 천천히 자라는 것이 인간 만이 가진 독특한 뇌의 지적 능력과 관계 있다고 생각하는 사람들이 많다 . 그렇다면 발생 중인 인간의 뇌에 미토콘드리아의 활성을 조절한다면 인간의 지능에도 영향을 줄 수 있지 않을까 ? 하는 생각을 해본다 . 특히 약물로 이런 신경의 발달을 조절할 수 있다면 지구 어디에선가 이미 이런 실험들이 진행되고 있지 않을까? Irving K, 2023, Mitochondrial metabolism dictates neuron’s growth rete. TheScientist, Jan 30.hondrial metabolism dictates neuron’s growth rete. TheScientist, Jan 30. Iwata R, Casimir P, Vanderhaghen P, 2020, Mitochondrial dynamics in postmitotic cells regulate Neurogenesis. Science 369(6505):858neurogenesis. Science 369(6505):858--862862 Motori et al., Sci. Adv. 2020; 6: eaba8271, 228 Aug 2020.8 Aug 2020. Petrelli F, Scandella V, Montessult S, et al., 2023, Mitochondrial pyruvate metabolism regulates the activation of quiescent adult neural stem cells. Sci. Adv. 9, eadd5220(2023)activation of quiescent adult neural stem cells. Sci. Adv. 9, eadd5220(2023)

세포노화란? 세포노화는 세포수준에서 노화현상이 발현되는 것이고 이는 세포가 분열을 멈추고 세포분열의 G1기에 멈추었을 때 나타난다. 이때 세포에는 여러 형태적, 대사적 변화가 나타난다. 이런 변화에는 염색체의 전반적인 탈메틸화와 이질염색질 중점 형성과 같이 유전자의 발현 양상을 바꾸는 재구성도 포함된다. 이에 더해 나이든 세포는 크기가 크고 세포내 과립들도 많아진다. 나이든 세포는 세포자살(아폽토시스)이나 면역세포에 의해 몸에서 제거된다. 세포노화가 개체의 노화와 연관되어 있긴 하지만 배발생이나 상처치유, 그리고 항상성 유지에도 중요한 역할을 한다. 예를 들면 중추신경계의 발생과정에서 제대로 된 뇌와 척수의 형성을 위해 신경관의 일부가 노화과정을 거친다. 세포의 분열 능력에는 한계가 있다는 사실은 1961년 Leonard Hayflick과 Paul Moorhead가 사람의 섬유아세포를 지속적으로 계대배양(serial culture)을 하면서 처음으로 발견했다. 이들은 세포가 40-60회 분열하고 난뒤 멈춘다는 것을 알았고 이렇게 세포의 분열 횟수가 한정된 것을 “헤이프릭의 한계, Hayflick limit”이라고 부른다. 무엇이 세포노화를 부추기나? 세포노화는 여러 내부, 외부 요인들에 의해 격발된다. 예를 들면 내부적 요인으로 텔로미어의 축소, DNA 손상, 미토콘드리아의 부전, 후생유전학적 변화, 영양소의 결핍, 발암유전자 신호의 활성화 등이 포함된다. 외부적인 요인으로는 전자기파의 조사와 화학의약품 등에 의한 스트레스를 들 수 있다. 실험실에서 세포의 노화를 실험실에서 측정하기 위해서는 몇 가지 방법을 사용할 수 있는데, 세포의 라이소솜에 있는 노화-관련 B-갈락도시데이스 (senescence-associated B-galatosidase, SABG)의 활성, p16과 p21의 발현을 노화의 지표로 사용한다. 하지만 좀더 간단하고 세포를 직접 체취하지 않고도 노화정도를 측정할 수 있는 방법이 필요하다. 노화-관련 분비 형질(SASP) 노화된 세포의 주된 변화로 노화-관련 분비 형질(Senescence-associated secretory phenotype, SASP)을 들 수 있다. SASP는 노화된 세포에서 분비되는 물질로 여기에는 면역 증진사이토카인(proinflammatory cytokines), 주화성물질(chemokine), 단백질분해효소, 생장인자, 활성산소족(ROS), 그리고 세포외기질 단백질 등을 포함한다. 노화된 세포는 이런 대사물 들을 이용하여 주위의 세포들과 소통하고 주위 환경을 바꾼다. 예를 들면 SASP는 면역세포들을 끌어모아 노화된 세포들을 제거하기도 하고, 혈관형성인자들을 통해 조직을 재구성할 수도 있고 근접신호(paracrine signal)를 통해 다른 세포들을 늙게 만들 수도 있다. 노화와 늙음 노화는 다양한 세포군을 고갈시켜 늙는데 중요한 역할을 한다. 이 세포군에는 손상된 조직을 대체해주는 선구세포와 줄기세포도 포함된다. 노화된 세포의 SASP에 의해 염증이 증가하고 이는 여러 가지 노화와 관련된 질환, 즉 심장질환, 당뇨병, 암 등에 가능성을 높인다. SASP의 근접신호는 주위 세포들의 노화를 촉진한다. 노화와 암 암의 특징은 세포의 증식이다. 그래서 예전에 학자들은 노화과정에서 증식하는 세포들이 없어지니까 종양을 억제할 것으로 생각했다. 그러나 점점 여러 증거들이 SASP가 면역억제 환경을 조성하여 암의 발생을 돕는 것으로 나타나고 있다. 항노화 치료 노화방지(senolytic) 약품은 아폽토시스에 내성이 있는 노화세포만을 선택적으로 공격하도록 개발하였다. 이런 약품들은 노회한 세포의 아폽토시스 신호를 증가시키는 방법으로 작용한다. 이런 세포들의 제거는 섬유증(fibrosis, 손상된 부위가 두터워지는 현상)과 같은 질환에 중요하다. 또한 비만, 당뇨 환자의 경우에 지방조직에 노화된 세포들의 비율이 높아 지방세포 조직을 키운다. 폐 섬유증이나 신장질환의 경우는 이런 항노화 약품에 의해 증세가 개선되는 것으로 알려지고 있다. 다른 종류의 항노화 약품으로는 SASP를 억제하는 세노몰픽(senomorphic)약품들을 들 수 있다. SASP를 줄이는 것은 이웃한 세포로 노화가 전파되는 것을 막는데 중요하다. 예를 들면 룩소리티닙(ruxolitinib)의 경우 염증성 사이토카인 합성에 관여하는 JAK 신호경로를 억제하여 염증을 줄인다. 이 약품은 동물실험에서 만성 폐쇄성 폐질환을 처치하는데 효과적인 것으로 나타났다. 이밖에도 면역세포들이 공격하도록 만드는 노화백신도 생각해 볼 수 있다. 그런데 여기서 한가지 강조해야 할 점은 세포노화 현상은 발생이나 치유과정처럼 정상적인 과정에서도 나타나는 현상이다. 자칫 멀쩡한 세포를 공격할 수도 있다는 얘기다. 따라서 부작용 없이 사용할 수 있는 방법을 찾는 것이 필요하다. The Scientist Feb. 28, 2023, Elina Kadriu, Cellular Senescence: Why Do Cells Stop Dividing? Updated on March 24, 2023 L. Hayflick, P.S. Moorhead, "The serial cultivation of human diploid cell strains," Exp Cell Res, 25(3):585-621, 1961. W. Huang et al., "Cellular senescence: the good, the bad and the unknown," Nat Rev Nephrol, 18(10):611-27, 2022.

최근에 발표된 논문에 따르면 박테리아에도 히스톤단백질과 같은 역할을 하는 단백질 들이 다수 있는 것으로 밝혀졌다. 히스톤은 진핵세포의 핵 DNA에 결합하여 염색체의 형태를 변화시키고 유전자의 발현을 조절하는 등 진핵생물에겐 아주 중요한 단백질이다. 그런데 이렇게 중요한 단백질이 원핵생물에도 있을까? 일반적으로 원핵생물에는 진핵생물의 것과는 독립적으로 진화한 DNA-folding histone-like protein이 있을 뿐 히스톤 단백질의 유전자는 없는 것으로 알려져 있다. 런던 의과학 연구소(LMS)의 진화 생물학자인 Tobias Warneck박사는 박테리아의 DNA 응축 단백질은 완전히 다른 입체구조를 갖는다고 한다. 하지만 박테리아들이 고균(archae)이나 진핵생물들과 유전자 들을 교환(수평적 유전자 운반, horizontal gene transfer) 했을 것으로 미루어 박테리아에 히스톤 유전자가 전혀 없다는 것을 의아하게 생각하는 사람들이 많았다. 지난 1월에 Warnecke와 동료들이 bioRxiv에 투고한 논문에 따르면 박테리아에서 히스톤과 비견 될만한 수 백 개의 유전자들을 발견했다고 한다. Warnecke박사 팀이 원핵생물에서 히스톤을 처음 보고한 것은 물론 아니다. 하지만 이전의 경우 진핵생물의 히스톤을 이용하여 유사한 단백질을 조사한 결과 원핵생물에서는 불과 몇 개의 후보 단백질만이 보고 되었다. 이에 대해 Wernecke는 원핵생물의 히스톤이 짧기 때문일 것이라고 생각하였고 박사후 연구원인 Antonio Hocher박사의 도움으로 고균(archae)의 짧은 히스톤을 이용하여 18,000종의 박테리아 유전체를 조사하였다. 이 전략으로 그는 400개가 넘는 단백질들이 히스톤의 특이한 3D구조를 갖는다는 것을 발견하였고 이는 박테리아 종들에서도 히스톤이 널리 퍼져있음을 말해준다. 여러 후보들 중에 Bdellovirbio bacteriovorus라는 다른 박테리아를 먹고사는 박테리아 종의 히스톤을 집중해서 연구하였다. 이 연구자들이 이 종을 선택한 이유는 생주기(Life cycle)에 따라 크기가 변하기 때문에 DNA의 응축과 풀림이 잘 조절될 것으로 보였기 때문이다. 작은 포식세포(B. bacteriovorus)가 사냥감 박테리아를 공격하여 들어간 후 크기가 커지고 다시 작은 포식세포들로 나뉘는 과정이 반복되어 일어난다. 이 연구팀은 B. bacteriovorus의 단백질 중에 Bd0055라고 부르는 히스톤구조의 단백질을 발견했고 이 단백질이 DNA의 포장을 돕는지 알아보았다. 이 단백질을 DNA와 섞으면 DNA가 전기영동 겔의 구멍을 잘 통과하지 못하는 것으로 미루어, 이 단백질은 DNA와 결합한다는 것을 알 수 있었다. 이 유전자를 제거하면 B. bacteriovorus는 밖은 물론 다른 세포안에서도 살지 못했고 이는 이들이 살아가는데 이 단백질이 절대적으로 필요하다는 것을 말한다. 그런데 이 Bd0055의 구조를 DNA와 결합시키는 컴퓨터 시뮬레이션을 보면 일반적으로 우리가 알고 있는 히스톤과는 전혀 다른 방법으로 DNA에 결합하는 것을 알 수 있다. 즉, 일반적으로 알려진 히스톤 단백질들은 안쪽에 실타래처럼 존재하고 DNA가 이 구조물 바깥을 감싸고 있는 모습이다. 그런데 Bd0055는 DNA 이중나선 구조에 결합하여 도리어 직선형을 유지하도록 만든다. 이는 DNA가 응축되는 것을 방해하는 것이고 분자생물학자인 Nasey Carey박사에 따르면 이런 구조가 박테리오파지나 사냥감 박테리아의 공격에 방어 역할을 하는게 아닌지 알아봐야 한다고 했다. 또한 네덜란드의 Dame박사는 이런 세포밖에서의 연구는 세포안에서도 일어나는지 확인해봐야 한다고 언급했다. B. bacteriovorus는 먼 친척 뻘인 Leptospira interrogans와 유전자를 교환한다고 알려져 있고 여기서도 비슷한 히스톤 단백질을 발견하였다. Laursen박사는 다음번 연구는 이 히스톤을 연구할 계획이라고 한다. 그의 지도 교수인 Karoline Luger박사는 Leptospira의 히스톤은 Bd0055와 유사한 점을 많이 가지고 있어서 “같은 특이한 방법으로 결합할지” 또 “차이점이 있을지” 궁금해하고 있다고 하였다. “우리는 그 결과를 놓고 맥주 내기를 했어요.” “어쨌든 박테리아의 히스톤들이 DNA와 결합하는 방식에 공통점이 있는지 알아볼 수 있을 것으로 기대합니다.”라고 Luger박사가 말했다. The Scientist, Feb 14, 2023, Kamal Nahas, Bacteria Have Histones After All: Study.

식물들의 후성유전 동물들과는 달리 식물은 DNA의 메틸화 정보(메틸롬, methylome)를 다음 세대에게 그대로 전달해 줄 수 있다. 그 결과로 유전자 침묵(gene silencing)이 일어나 여러 형질 변이들이 감춰질 수 있다. 말하자면 후성유전학적으로 침묵하게된 유전자는 그 다음 세대에도 침묵하게 된다는 것이다. 로버트 마티엔슨(Robert Martienssen)박사는 1980년 중반 미국의 버클리대학에서 박사후 연구원으로 일할 때 옥수수의 잎색을 창백하게 만드는 돌연변이를 발견했다. 이 돌연변이를 가진 세포는 엽록소를 갖지 못했고 따라서 광합성도 하지 못했다. 발아시켜도 저장되있던 영양분으로 몇 주 살지 못하고 하얗게 변했다. 마티엔슨 박사는 “이 돌연변이는 아주 치명적이었죠. 그런데 시간이 지나면서 회복되었어요. 그것도 아주 놀라운 방향으로요.”라고 회고했다. 돌연변이 중 일부는 잎에 건강한-초록색 줄무늬가 생기면서 조금 더 오래 살 수 있게 된 것이다. “그런 잎이 하나 둘 늘어나면서 점점 초록 빛이 강해졌고 결국 돌연변이를 이겨내고 꽃까지 피웠습니다.” 마티엔슨 박사의 설명이다. 마티엔슨 박사 팀은 이 돌연변이가 Mu 전이인자 (transposon: 유전체내 옮겨다니는 유전물질로 들어간 위치에 따라 특정 유전자들을 켜거나 끄는 역할을 한다)에 의해 일어난다는 사실을 알고 있었다. 또한 연구자들은 이 transposon이 활성화될 때는 메틸화가 없거나 아주 적을 때이고, 메틸화가 일어나면 불활성화 된다는 것을 알고 있었다. 마티엔슨박사는 잎을 창백하게 만드는 transposon과 유전자를 밝히고 서던블롯을 통해 이 transposon이 비교적 덜 메틸화 되었다는 것을 밝혔다. 반면 메틸화가 많이 일어난 경우는 진초록으로 바뀌는 것으로 나타나 “DNA 메틸화가 그 돌연변이의 형질을 막는다.”는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 줄무늬 잎은 마티엔슨박사로 하여금 다양한 색을 가진 옥수수알갱이로 유명한 바바라 매클린톡(Barbara McClintock, 1983년 노벨생리의학상 수상)박사를 생각나게 했다. “그녀는 이미 1950년대에 transposon들이 유전자 근처에 자리잡으면 유전자의 발현에 영향을 미치고 이는 다음 세대에도 나타나는 가역적인 영향 임을 알아냈죠.” 마티엔슨박사는 말을 이었다. “그녀는 이를 순환 현상(phenomenon cycling)이라고 불렀어요. 정말 잘 표현한 것입니다.” DNA 메틸화는 transposon의 활성을 조절하는 일반적인 방법이고 마티엔슨 박사의 연구가 이를 뒷받침 해준다. 1989년도에 마티엔슨박사는 Cold Spring Harbor Laboratory(CSHL)에 자리를 잡았고 매클린톡박사도 당시에 CSHL에서 활발하게 연구를 하고 있었다. 그녀는 마티엔슨박사를 그녀의 농장으로 데리고 나가 식물의 유전체에서 전이인자들이 어떻게 조절되는지에 관해 설명하곤 했다. 두 과학자 모두 어떻게 세대를 달리하며 transposon이 꺼졌다 켜졌다 하는지에 관심이 많았다. 마티엔슨은 “그녀는 DNA 메틸화로 설명하는 걸 제일 선호했죠.”라고 회상했다. 메틸화가 transposon의 활성을 조절한다는 증거가 축적되면서, 두 식물학자들은 확신을 갖게 된다. 하지만 이 발견은 아직 연관성을 추측하는 정도였다. 당시에는 DNA 메틸화를 연구할 수 있는 실험법이 정착되어 있지 않았고 DNA메틸화가 유전자의 발현을 막는다는 것을 보여줄 수 있는 방법이 없었다. 이후 마티엔슨은 애기장대풀(Arabodopsis thaliana, 아라비돕시스)로 연구대상을 바꾸어 돌연변이 실험을 하기 시작했다. 1993년, 매크린톡 박사가 서거한지 한해가 지났을 때 마티엔슨박사 팀은 DNA 메틸화에 문제가 생긴 진핵생물 돌연변이를 처음으로 발견하였다. 이 식물은 Decrease in DNA methylation 1 (DDM1)이라고 이름 붙인 돌연변이로 염색체구조를 조절하는 SWI2/SNF2-related protein 유전자에 돌연변이가 생긴 것으로 transposon과 관계된 유전체 부위에 메틸화가 현저하게 적은 특징을 갖는다. 얼마 뒤 이들은 DDM1 돌연변이 식물에 transposon의 활성이 증가한 것을 발견하였다. “Transposon의 활성과 위치가 완전히 미친 것 같았어요.”라고 마티엔슨은 설명했다. 매클린톡박사의 가설을 입증하게 된 것이다. 마티엔슨과 노벨상 수상자 매크린톡의 짧은 조우가 있은 지 20년이 지나서야 식물의 후성유전학적 연구가 폭발하기 시작했다. 식물의 DNA 메틸화는 CG서열에서만 일어나는 동물과 달리 CHG(H는 G가 아닌 염기)와 CHH 염기서열에서도 일어난다. 또한 이런 메틸화를 유전시키는 방법 또한 다양하고 뒤섞여있다. 식물의 유전체는 대개 2개 이상의 염색체 쌍을 갖으며 여기저기 transposon이 들어간 형태여서 이들 DNA를 침묵시키는 방법이 매우 잘 발달된 것 같다. 마티엔슨 박사는 “이들 transposon을 침묵시키기 위해 가능한한 메틸화시키는 것이 매우 중요하다. 이런 미친 유전체 때문에 식물들이 유전자를 침묵시키고 안정하게 만들기 위한 모든 수단을 갖고 있는 것이다.”리고 설명했다. 식물에서의 후성유전학 연구는 동물에도 영향을 주었다. 예를 들면 Vincent Colot(프랑스 과학연구 센터의 IBENS소속)과 동료들에 의해 RNA 간섭에 의해 DNA메틸화가 일어나는 기작을 처음 발견한 것이 Arabidopsis에서 였다. 이전에는 RNA간섭은 주로 RNA의 분해를 유도하여 일어난다고 알려져 있었다. RNA-유도에 의한 DNA메틸화는 생쥐의 특정 유전자에서 알려졌으며 초파리나 선충에서(그리고 아마도 생쥐에서도; 마티엔슨박사의 주장) 히스톤의 메틸화에도 관여한다는 것을 발견하였다. 하지만 동물과 식물 간에는 메틸화가 유전되는 과정에서 중요한 차이가 있었다. 즉, 동물의 경우는 생식세포를 만드는 동안 2번의 재프로그램과정이 있어 DNA와 히스톤에 붙은 메틸기를 대부분 제거한다. 그런데 식물은 후성유전학적 변화를 그대로 다음 세대에게 넘겨준다. 식물에서는 이와 같이 염기서열이 아니라 메틸화에 의해 암호화된 유전자들을 후성대립유전자(epialleles)라 부른다. 이들은 개화기나 과실을 맺는 시기와 같은 가벼운 표현형을 조절한다. “대부분의 차이는 유전자 변이에 의해 결정된다. 하지만 그것이 다가 아니고 어쩌면 후성유전학적 변이가 그만큼 중요할 수도 있다.”고 Colot박사는 주장헀다. 이 후성대립유전자가 환경에 의해 적응하도록 변화할 수 있는지는 논란의 여지가 많다. 대부분의학자들은 어디에도 “라마르크설”에 따른 진화에 대한 어떤 믿을 만한 증거도 발견하지 못했다고 말한다. 하지만 획득형질이 다음 세대에게 영향을 줄 수 있는 메틸화 양상을 바꿀 수 있다는 신호들이 나타나고 있고, 최소한, 메틸화 정보에 대한 전사가 잘 못 일어나면 유전정보에 돌연변이와 같은 새로운 변이를 만들어 낼 수 있다. “후성유전학적 변이가 훨씬 많은 변이들을 가능하게 해주고, 어떤 경우는 후성유전학적으로만 나 올 수 있는 변이도 있다.” 라고 마티엔슨박사는 말했다. 식물 후성유전암호의 해독 식물 유전자의 메틸화: 아라비돕시스에서 CG메틸화는 유전체와 transposon을 구성하는 반복서열에서 주로 발견된다. CHH (여기서 H는 G를 제외한 다른 염기를 나타낸다.)메틸화는 transposable element(이동성 인자)근처에 CG메틸화가 있는 곳에서만 볼 수 있다. 하지만 몇몇 보고에 따르면 침묵화된(silenced)유전자의 CHH에서도 발견된다. CHG메틸화는 여러 CHH메틸기와 같이 존재한다. 후성유전학을 획기적으로 발전시킨 실험 기술을 하나만 꼽으라면 DNA염기서열을 분석하기 전에 메틸기가 없는 시토신을 우라실로 만드는 다이설화이트 염기분석(disulfite sequencing)이라고 할 수 있다. 이 방법은 식물에서 일반적인 메틸화 양상뿐 아니라 CG, CHH, CHG 각각에 대한 정보를 제공해 준다. 2000년대 중반에 몇몇 연구팀에서 아라비돕시스 전체 유전체의 메틸롬(methylome: 메틸화양상)을 발표하였다. 마티엔슨박사팀은 2013년에 옥수수의 메틸화 패턴을 보고하였고 이후 몇몇 다른 그룹들이 데이터를 첨가하였다. 이 일련의 연구들에 의해 밝혀진 사실은 식물들은 각 개체마다 메틸화 패턴이 다르다는 것이다. 그런데 발생과정이나 성체가 된 후에도 후성유전학적 변화를 각 세포의 종류에 따른 유전자 발현 조절의 한 기작으로 사용하는 동물들과는 달리 식물은 그들 조직 전체에서 비슷한 메틸화 패턴을 보여준다. “대부분의 경우 식물내 다른 종류의 세포들을 보면 메틸화 패턴이 아주 비슷하다는 것이다.” 미네소타대학 유전학자인 Nathan Springer박사의 말이다. 식물의 조직간에 DNA메틸화 패턴이 유지되고 있다는 것은 식물의 메틸화가 “식물의 거대한 유전체에서는 문제가 될 수 있는 transposon을 조절하는 수단 중 하나”라는 생각을 뒷받침 한다고 화이트헤드 연구소의 역학유전학자인 Mary Gehring은 주장했다. 옥수수의 유전체를 예로 들면 90%가 이동성 인자에 의해 만들어졌다고 보고 있다. 그리고 실제로 모든 메틸화부위가 이동성 인자 근처에서 발견된다. 마티엔슨에 따르면 “Transposon은 메틸화에 의해 조절되며 이는 논란의 여지가 없다.”고 한다. “그들의 미친 유전체 때문에, 식물들은 유전체를 안정적으로 침묵시키는 가능한 모든 수단을 가지고 있다.” – Cold Spring Harbor Laboratory-Rob Martienssen 유전자에 메틸화는 훨씬 적은 편이고, 이때는 주로 CG에 붙는다. 그런데 다른 식물종을 연구하면서 유전자의 후성유전학적 조절이 나타나기 시작했다. 마티엔슨은 아라비돕시스와 옥수수와는 달리 DDM1돌연변이에 의해 치사 표현형이 압도적으로 나타나는 종들에서 그랬다. 2016년 조지아대학교의 Bob Schmitz박사와 그 연구팀은 메틸롬 지도를 완성한 식물종을 크게 늘려놓았다. 배추속(brassica family)에 속하는(아라비돕시스도 여기에 속함) 식물들은 유전자의 CG 메틸화가 크게 감소해 있거나 아예 없었고; 풀들은 유전자에 메틸기가 붙어 있었는데 주로 CHH의 형태에서 발견된다. “몇몇 식물들만 보아도 모델 식물들을 통해 알려진 법칙들이 다른 식물종에서 항상 적용되는 건 아님을 알 수 있다.”고 Schmita박사는 말했다. 메틸화의 유전 CSHL의 마티엔슨박사 연구실에서 연구년을 보낸 Colot박사는 프랑스로 돌아가 자신의 실험실에서 아라비돕시스의 후성유전학적 재조합 근친 품종들(epiRILs)을 만드는 계획을 세웠다.(즉, 유전체는 똑 같으나 후성유전학적으로 다른 품종들을 말한다.). 이들은 유전체 내 서로 다른 부위의 메틸화가 갖는 기능을 이해하는데 굉장히 유용한 도구가 될 수 있다. 또한 어떻게 식물의 메틸롬이 다음 세대로 전해지는지 알게해줄 것이라고 생각했다. Colot박사는 같은 유전적 배경을 가진 두 조상 식물에서 시작하였다. 그 중 하나는 야생형 DDM1유전자를 갖고 다른 하나는 동형접합 돌연변이를 갖고 있어 DNA 메틸화가 현저하게 줄어든 것이다. 예전의 연구들에서 보여준 것 같이 부모의 메틸롬은 자손에게 유전되어 하나는 정상, 하나는 저메틸화된 염색체를 갖는 자손이 나왔다. Colot는 이런 이형접합인 암컷 식물을 골라 야생형 수컷과 교배시켰다. 이렇게 얻은 자손 중에 DDM1이 모두 양성인 동협접합만을 골라 키웠다. 이렇게 얻은 자손들을 자가교배시켜 500가지의 품종을 구분하여 얻었고 이들은 DDM1은 정상 동형접합이고 메틸화양상만 다른 것들이다. 8-9세대로 내려간 뒤에도 1/3가량의 메틸화 서열은 “부모의 메틸화된 상태가 멘델의 법칙에 따라 분리되는 것을 볼 수 있었다. 즉, 이들은 진짜 후성유전을 보여준다.”고 Colot는 말했다. 나머지 2/3은 몇 세대 후 야생형의 메틸화 패턴을 재취득하게 되었다. 메틸화 패턴이 유지된다는 것은 연구자들이 포유동물에서 봤던 것, 즉 CG표식이 배우체 형성과정에서 2회에 걸쳐 완전히 씻겨 나가는 재프로그래밍이 있는 것과는 정반대의 현상이다. 식물에서는 일단 메틸화에 변화가 생기면 남아 있게 된다는 것이고 이런 후성유전학적 변화는 여러 형질을 조절하는 것으로 알려지고 있다. 병충해에 대한 저항성, biomass(생산성), 개화시기 등이다. “식물에는 동물보다 많은 후성유전 대립인자들이 존재한다; 아마도 재프로그래밍이 없기 때문일 것이다. 재미있는 일이 계속되는 군요.”라고 Gehring이 말했다. 어떻게 환경이 후성유전학 변화에 영향을 줄까? 예를 들면 특정 병충해에 노출되었던, 즉 특정 병원균에 노출되었던 식물은 생존력이 높아지는지 그리고 이것이 결국 라마르크식 진화로 발전할 수 있을지에 대한 질문에 대해 대부분의 연구자들은 “이에 대한 증거는 약하다.”고 한다. “사람들 생각에 식물은 환경에 반응할 수 있고 환경은 그들의 메틸롬에 영향을 미칠 수 있다. 그리고 이를 유전시킬 수도 있지 않을까? 하고 생각하지만 이에 대한 좋은 데이터는 그리 많지 않다.”고 Gehring은 말한다. “ 다른 학자들도 이런 진화적 역동성의 가능성은 희박하다고 동의한다. “환경이 식물 유전체의 DNA 메틸화에 영향을 준다는 증거는 거의 없다.” Schmitz에 따르면 “이런 연구들의 많은 경우 충분히 이루어지지 않은 부분이 있다. 흔히 1 세대에서는 (후성유전학적 변화를) 볼 수 있지만 2, 3 세대로 넘어가면 다시 원래의 모습으로 돌아오곤 했다. ” 2016년에 발표된 논문은 단기간에 실험결과를 볼 수 있는 방법을 적용하였다. University of Warwick의 식물학자인 Jose Gutierrez-Marcos와 그 동료들은 아라비돕시스의 3개 품종을 정상 또는 2급 염분토양에서 키웠고 이들의 메틸롬을 비교하여 계속되는 염분 스트레스가 지속되었을 때 후성유전학적인 변화가 생기는지 알아보았다. “우리는 각 개체 보다는 전체 군집을 봤죠.” Gutierrez-Marcos는 말을 이었다. “우리는 그저 실험 중에 나타나는 자발적인 현상이 아니고 그 보다 훨씬 강한 효과를 기대했습니다.” 연구자들은 적어도 2세대 동안 안전하게 유지되는 DNA 메틸화의 변화를 관찰했다. 비록 이 변화가 염분토양에서 키운 첫 세대에서부터 관찰되긴 했지만 형질의 변화는 2 세대가 될 때까지 잘 나타나지 않다가. 이후 더높은 접종률과 생존률 그리고 더많은 잎을 냈다. “기본적으로는 그들의 연구는 별 다른 것이 없었죠.” Gehring은 스스로 말했듯이 아직은 세대를 이어간다는 것에 대해서는 회의적이라고 말했다. “하지만 그들은 몇 개의 예를 보여주었다-즉, 스트레스에 의해 유도되었고 유전되었다는 점에서 흥미로운 점이라고 생각한다.” 이어진 5 세대에 걸친 실험에서 이러한 후성유전학적 변화는 더 확대되지는 않았다. 이는 이런 후성유전학적 적응에는 한계가 있다는 점을 보여주는 것이다. 그리고 2 세대 이후 각 실험에서 얻은 집단을 정상 흙에서 키울 경우 어떤 메틸화부위는 다시 원래의 메틸롬으로 반전되는 것을 볼 수 있었다. “하지만 어떤 부위는 아주 4 세대가 지나도록 안정하게 유지되기도 하였다.”고 Gutierrez-Marcos는 주장했다. 만약 환경에 의한 메틸롬의 적응이 일어난다면 이는 일반적인 현상은 아닐 것이다. 마티엔슨은 “개인적으로는 이 현상은 있긴 하겠지만 흔한 일은 아닐 것이고 일반적인 법칙은 아니라고 생각합니다.”라고 말했다. 이 말은 환경이 진화적인 변화를 일으키는데 꼭 후성유전학적 변화가 일어나야 하는 것은 아니라는 것이다. “모두 아다시피 어차피 후성유전학적 변이들은 존재합니다. 그런 변이들이 존재한다면 굳이 환경이 어떤 변화를 주도할 필요는 없겠지요.”라고 덧붙인다. Schmitz에 따르면 이런 변이는 사용자의 실수로 생길 수 있다, “식물은 메틸화를 유지하기 위해 엄청난 노력을 하고 있고 실제로 잘 유지하지만 실수가 있을 수 있죠. 이런 실수들은 상속 가능한 새로운 특성이 되는 겁니다.”라고 주장하였다. 재프로그램밍의 예외 사실 식물들이 후성유전학적 재프로그래밍을 거치지 않는다는 것은 완벽한 사실은 아니다. 아라비돕시스의 생식과정에서 정자의 CG 메틸화는 지워지지 않는다. 하지만 CG와 함께 transposon이나 유전자에서 발견되는 CHH형태의 메틸화는 약 90%가 지워진다. 2009년 마티엔슨은 아라비돕시스의 정자에 메틸롬을 비교한 적이 있다. 이들의 화분에는 3개의 반수체 세포가 들어 있다: 2개의 정자와 하나의 영양세포(vegetative cell)가 있다. 영양세포는 화분관의 생성을 도와 정자가 암컷 배우체의 난자로 이동하도록 도와주는 역할을 한다. 영양세포의 핵에서 일부 CG 메틸기가 제거되긴 하지만 이들은 배아를 형성하는 데는 관여하지 않는다. “이와는 반대로 놀랍게도-정자에서는 CHH메틸기를 잃죠.”라고 마티엔슨은 말했다. 수정이 일어난 이후 RNA-guided 메틸화 과정을 통해 배아의 CHH 메틸화가 회복된다. “정말 흥미롭게도 다시 small RNA에 의해 안내되어 회복됩니다.” 이는 부모 모두가 배아의 메틸화에 기여한다는 것을 의미합니다.” 당연하게도 옥수수를 수 세대에 걸쳐 보면, 서로 다른 메틸롬을 갖는 부모의 자손들은 부모 중 적어도 하나가 갖는 메틸화부위에 메틸화가 일어난 것을 볼 수 있다. “실제로 수 천개의 부위가 부 또는 모에서 유래된 small RNA에 의해 바뀐것을 발견할 수 있습니다.”라고 마티엔슨박사는 말했다. 영양세포의 CG메틸화의 재프로그래밍 또한 흥미롭다. 이들은 결과적으로 transposon의 활성을 높이기 때문에 식물의 건강에는 해로울 것이다. 하지만 마티엔슨박사에 따르면 여기에는 이점도 있다고 주장한다. 즉, 영양세포의 핵내 침묵하던 transposon의 방출은 정자의 small RNA 합성을 증가시킬 수 있다. Small RNA는 화분관을 따라 이동할 수 있으며 결국 배아의 transposon서열의 메틸화에 기여할 수 있다는 것을 알 수 있다. “만약 이들이 미래가 없는 쓸모없는 세포 종류라면 왜 transposon을 발현하지 못하게 하겠어요, 이들의 transposon은 small RNA로 가공될 수 있고 다른 세포들의 transposon을 침묵시키는데 힘을 보텔 수 있겠죠.”라고 Springer는 가설을 세웠다. “이건 마치 면역과 같다고 생각하면 됩니다.” 아직 아무도 식물의 난자에서 후성유전학적 변화를 연구하지는 못했지만, 중심세포에서 CG 재프로그래밍의 증거들이 있다. 어떤 식물에서는 비생식조직에서 후성유전학적 재프로그래밍과 같은 과정을 거친다고 알려져 있다. 예를 들면 2015년 토마토의 숙성에 DNA 메틸화가 중요하다는 것이 밝혀지기도 했고, 2016년에는 콩과식물의 공생 박테리아가 사는 뿌리 혹을 발생시키는데도 비슷한 현상을 발견하였다. 즉, 이들 조직에서만 발견되는 특이적 탈메틸화효소가 DNA메틸기를 제거한 것이다. “식물은 DNA 메틸화를 아주 잘 유지합니다. 따라서 이런 현상을 발견하면 짜릿하죠. 너무나 드문 일이니까요.”라고 Schmitz는 말했다. 농사에 적용 많은 작물들이 단일 품종을 키운다. 이론적으로는 농부들이 가장 좋은 작물-크기, 당도, 오일생산량 등-.을 골라 키울 수 있다. 이런 클론 재배는 원하는 유전자 서열을 지켜나가는 데는 확실하지만 후성유전학적 특징을 보존하는 것은 아니다. 수정에 의해 유발된 정자의 CHH 메틸화 표지의 대체는 일어날 수 없다. 아프리카의 야자수는 약 10 – 20%정도가 기름을 생산하지 못한다. 2015년에 연구자들은 기름을 만들지 못하는 야자수들은 transposon의 활성화가 일어나 기름 생산에 중요한 유전자가 파괴되었기 떄문 임을 알게 되었다. “CHH메틸화는 제대로 대체되지 못했고 때로는 잘못된 부위로 간거죠. 그래서 망친 거에요.” 이 연구에 참여했던 마티엔슨의 말이다. 메틸화의 상실은 작물식물에게 유리한 새로운 형질을 나타내기도 한다. 옛부터 작물식물을 야생식물과 교잡하여 병충해내성을 키우고 다시 원하는 특징을 가진 작물과 교접시켜온 농부들에겐 이런 후성유전학적 침묵에 가려진 형질들이 무엇인지 걱정이었다. “만약 메틸화를 바꿀 수 있다면 상속가능한 형질을 만들 수 있다는 것이다.” Schmitz는 말을 이었다. 식물 유전체에서 침묵시킨 유전자는 “다양함의 미지의 원천”이다. Schmitz의 목표는 침묵을 풀었을 때 발현되는 유전자들 중에 유용한 형질을 나타내는 것이 있는지 알아보는 것이다. “아마도 이런 방식으로 접근했을 때 보기 흉한 식물들이 나올 수 있겠죠.” 그는 말을 이었다. “하지만 흥미로운 형질을 끌어내는 것이 하나만 있어도 됩니다.” 맥클린톡 박사는 식물의 DNA 메틸화에 대한 이해가 진행되어, 더 강하고 영양가 있는 작물을 생산하기 위해 후성유전체를 건드리는 경지에 이른 것을 보면 뿌듯해 했을 것이다. 만약 그녀가 살아 있다면 같은 연구를 위해 기꺼이 손에 흙을 묻혔을 것이다. “그녀는 놀랍게도 나이 90에도 현대 분자생물학을 편하게 생각했어요.”라고 마티엔슨 박사는 회고했다. 그리고 결과적으로 그녀는 이 분야의 개척시대에 기여한 셈이 되었다. “분명한건, 당시에는 이를 후성유전이라고 부르지는 않았어요.” “하지만 우린 그게 무언지 알았던 겁니다.”라고 마티엔슨 박사는 얘기했다. 이 글에서는 본격적으로 다루지 않았지만 이글이 출판된지 5년이 지난 현시점에서 후성유전학적 변화가 유전된다는 증거들이 쌓이기 시작하고 있다. 이 글에서 암시하였듯이 후성유전학적 변화가 유전체의 안정성에도 영향을 미친다는 것은 진화에 영향을 줄 가능성을 시사한다. 이런 연구들이 종합적으로 편견 없이 진행되기 위해서는 후성유전학적 연구가 동,식물 뿐 아니라 균류, 원생생물, 그리고 원핵생물에서도 연구되어야 할 것이다. 이글은 ‘The Scientist, Plant’s Epigenetic Secrets. Feb. 1 2017’을 번역한 글입니다. 그밖에 아래의 논문과 관련 서적들을 참고하여 조금 가필하였습니다. Slotkin RK et al., 2008, Epigenetic reprogramming and small RNA silencing of transposable elements in pollen. Cell 136;461-472.