암(cancer)이 현대인의 동반자로 떠오른 지 오래다. 식습관이나 음주, 수면시간 등 다양한 생활습관과 환경적 요인이 복합적으로 작용해 유전자 돌연변이를 일으켜 특정 조직에서 죽지않는 세포가 생기는게 암이다.

 

그런데 암은 인간만의 문제는 아니다. 보통 오래 사는 동물이나 체구가 큰 동물은 암 발병 위험이 높다고 본다. 수명이 길면 세포 내 돌연변이가 많이 축적되며, 체구가 커 세포가 많을수록 세포가 암으로 변할 확률도 커지기 때문이다.

 

다른 동물들의 암을 연구하면 인간 암 치료를 위한 힌트를 얻거나 멸종 위기종을 구할 수 있다. 몸집이 크고 세포가 많아 그만큼 세포가 암으로 변이할 가능성이 많음에도 암 발병률이 5% 안팎에 그치는 코끼리는 암 치료 길을 열 열쇠가 되지 않을까 주목받고 있다. 바다거북의 경우, 암 연구가 멸종을 늦추리라 기대된다. 평균 95~120년을 살아가는 장수 포유류 바다거북은 최근 감염성 바이러스에 의한 암 발병이 늘어나는 것으로 보고된다. 

 

특히 이들 동물의 암 관련 특징을 유전자 수준에서 찾는 연구들이 나오고 있다. 

 

Rachel Thomas 제공
Rachel Thomas 제공

 

인간과 닮은 유전자 많은 바다거북, 암에 잘 걸려

 

대표적 장수동물인 바다거북(Chelonia mydas)은 섬유유두종(fibropapilloma)을 앓아 몸에 혹같은 암덩어리를 달고 있는 경우가 많다. 특히 인간과 바다거북의 접촉이 증가한 서식지를 중심으로 거북의 암 발병이 크게 높아진 것이 확인됐다. 암을 일으키는 바이러스가 육상 및 수상 동물에서 상당수 발견되고, 박테리아가 원인이 된 암에 걸리는 사람 숫자도 최근 급증하는 등 인간과 동물이 서로 암 발병에 영향을 준다는 우려가 커지는 상황이다. 

 

미국 플로리다대 동물학과 데이비드 듀피 교수팀은 RNA 유전자 분석을 통해 그 관계를 추적했다. 바다거북에서 인간과 유사한 RNA 유전자 구역은 334개로, 그 중 321개는 인간 몸에서 암을 일으키는 유전자로 판명난 것임을 확인해 6월 7일 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 발표했다. 

 

연구팀은 향후 바다거북에서 확인된 인간과 닮은 유전자가 암 유발 가능성을 얼마나 높이는지 연구할 계획이다. 이를 위해 인간과 거북의 세포에 자외선을 쪼인 다음, 분자 수준의 Wnt 단백질 신호체계의 변화를 추가로 조사한다. Wnt 신호체계는 선충부터 포유동물까지 종을 초월해 보존돼 있는 신호체계로, 세포의 증식과 죽음의 관계한다. 여기에 문제가 생기면 암으로 진행될 가능성이 커진다고 알려져 있다.

 

듀피 교수는 “자외선 노출이 실제로 유전자에 어떤 변이를 유발해 바다거북의 세포 내 신호체계를 망가뜨리는지 살펴볼 것”이라며 “이를 통해 암으로의 진행을 억제하는 약물을 개발, 멸종위기종인 바다거북의 암 발생률을 낮추길 기대한다”고 말했다.

 

 

GIB 제공
GIB 제공


코끼리에게만 암 저항 유전자가 있다?

 

지난 3월 학술지 ‘셀리포트’에는 미국 유타대 생명과학과 크리스토퍼 그레그 교수팀이 진행한 포유류 20여종의 암 발생 원인 비교 연구가 발표됐다. 여기에는 인간은 물론 코끼리와 벌거숭이두더지쥐, 돌고래, 범고래 등이 포함됐다.

 

연구팀은 종에 관계없이 보존된 유전자구역을 비교하기 위해 비교대상이 된 20종 표유류의 유전자구역 66만 여 개를 선정한 뒤 통계프로그램으로 비교 분석했다. 그 결과 약 7%인 3만 300개가 포유류에서 공통적으로 보존된 구역임을 찾아냈다.

 

이 공통 유전자구역 안의 염기서열을 비교한 결과, 다른 종과 차이가 나는 곳이 코끼리는 3458개, 벌거숭이 두더지 쥐는 4440개, 돌고래가 2408개, 범고래는 2608개, 박쥐는 종별로 약 1만 8000~9000 여 개임을 확인했다. 특히 코끼리에게서만 암을 일으키는 유전적 손상을 막는 고유 유전자 (VRK2-FANCL-BCL11A)가 곳곳에서 발견됐다.

 

그레그 박사는 논문에서 “몸집이 큰 코끼리에게 암세포의 발생은 당장의 생존에 치명적이었을 것이기에 암세포가 되는 것을 막는 유전자가 여기저기 많이 박혀 있게 된 것으로 보인다”고 설명했다. 

 

결국 조사된 약 20여종의 포유류 중에선 코끼리만 암에 걸릴 확률이 현저히 낮은 셈이다. 그레그 박사는 “5400여 종의 포유동물마다 특징이 다 다르다”며 “무한정 커지는 암에 대한 방어체계 역시 암이 보다 치명적인 동물에서 더 유리하게 발달한 것”이라고 말했다.

 

김진호 기자

 twok@donga.com

 

원문 기사 링크 : http://dongascience.donga.com/news.php?idx=22967

 

Posted by KNUFRIC

 

고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스(기원전 384~322)는 ‘인간은 사회적 동물이다’라고 말한 바 있다. 현재 인간이 다른 모든 동물과 다른 존재로 스스로를 인식하는 데엔 이런 전제가 깔려 있다.

 

인류는 약 800만년에서 500만년 전 공통의 조상에서 침팬지와 분리됐다. 약 400만년 전에는 오스트랄로피테쿠스가, 약 200만년 전 호모 에렉투스가 나왔고 이후 호모 네안데르탈렌시스를 거쳐 약 30만~20만년 전 현생인류인 호모 사피엔스(크로마뇽인)로 진화해 왔다.

 

 

Sovereign, ISMScience Photo Library 제공
Sovereign, ISMScience Photo Library 제공

 

진화의 과정에서 인간의 언어로 ‘지성(知性)’이라 부르는 사고능력이 점차 발달했다. 인류를 다른 동물과 구분짓는 사고능력의 원천으로 영장류와 각 인류 종별 뇌용량의 차이가 주로 거론된다. 인간은 다른 동물에 비해 전체 몸무게 대비 무게가 무겁고, 에너지의 20%를 잡아먹는 크고 소모적인 뇌를 가졌다.

 

그런데 ‘도대체 무엇이 다른 동물과 달리 인간의 뇌를 커지게 만들었는가’는 해결되지 않은 난제였다.

 

지난 수 십년 간 학계에선 인간이 집단을 이루고 사회성을 유지하며 서로 소통하는 과정에서 사고를 담당하는 뇌가 커졌다는 가설이 정설로 받아들여졌다. 이른바 '사회성' 가설이다. 그런데 최근 사회성보다는 환경에 적응해 생존하기 위한 고뇌의 결과 뇌용량이 커졌다 '생태지능' 가설이 제기돼 논란을 낳고 있다.

 

하지만 인간에 비해 뇌가 작은 영장류 역시 집단을 이뤄 산다는 점에서, 또 다른 동물도 환경에 적응하기 위해 부단히 노력한다는 점에서, 기존 사회성 가설과 새로운 생태지능 가설 모두 뇌 용량 변화에 대한 명확한 결론을 내놓지 못한다.

 

이를 밝히기 위해 뇌가 커지는데 관여하는 유전자를 연구해 그 기원을 찾아보려는 시도도 진행 중이다. 최근 세 가지 유전자군이 인간의 뇌를 키운 유력한 후보로 등장해 학계의 관심을 모으고 있다.

 

 

사회성보다는 생존본능이 뇌 크기 키웠다?

 

사람들 사이에서 소통하고 감정을 표현하는 과정, 즉 사회 환경에서 뇌가 발달했다는 가설은 널리 받아들여져 왔다. 그런데 조금만 관점을 달리 보면 여기에도 허점이 있다. 인간과 유전적으로 1.6% 밖에 차이가 나지 않은 보노보 (피그미 침팬지) 역시 수많은 감정을 표현하고 동료들과 소통하며 살고 있지만 뇌는 그다지 크지 않기 때문이다.

 

그래서 영국 스코틀랜드 세인트앤드루스대 모리시오 곤살레스-포레로 연구원팀은 조금 다른 접근 방식을 택했다. 사회 환경이나 자연 환경 속에서 인간이 세포 조직별로 쏟아야 하는 에너지가 있으며, 그 에너지를 쏟는 비중에 따라 신체적 변화가 일어났다고 가정한 것이다.

 

연구팀은 여러 세대에 걸친 다양한 여성 인류의 신체를 뇌와 생식, 기타 체세포 조직 등 3가지로 구분했다. 이들 세포 조직별로 어떻게 에너지를 쓰며, 그렇게 에너지를 씀에 따라 뇌 등 신체 모습이 어떻게 진화해가는지 컴퓨터 프로그램으로 시뮬레이션 했다.

 

즉 배워서 기억을 저장하는 에너지, 생식을 위한 에너지 등 생존을 위한 에너지뿐만 아니라 개인의 사회적 협력 문제, 개인간 협력에 쏟는 문제, 집단간 협력문제 등 사회적 소통을 위해 쓰는 에너지가 각각의 조직에 미친 영향을 따로 분리해 생각한 것이다.

 

곤살레스-포레로 연구원은 지난달 23일 ‘네이처’에 발표한 논문에서 “초기 인류는 각자가 처한 생태적 또는 사회적 문제를 극복하는데 쓰는 에너지 대사 비중이 달랐을 것”이라며 “(그 차이가) 뇌의 유전자와 크기의 변화를 유발했다”고 설명했다.

 

 

Biology, University of St Andrews, St Andrews 제공
에너지 추출 효용성 모델의 모식도다. 연구팀은 사람의 조직을 뇌와  생식, 기차 체세포로 나눠 각 조직별 에너지를 쏟는 비중과 사회 환경적 요인을 수학적으로 분석했다. Biology, University of St Andrews, St Andrews 제공

 

연구팀은 이를 에너지 추출 효용성 모델(Energy-extraction dfficiencey, 이하 EEE)이라 명명했고, 환경 적응에 쓰는 에너지와 상호간 협력 또는 경쟁하는데 쓰는 에너지를 EEE 모델로 나타내기 위해 수학적 함수를 사용했다.

 

함수에 들어갈 4가지 기본 요소는 사회적 문제를 대면하는 P, 뇌나 다른 조직의 대사량을 뜻하는 Q, 개인이 가진 에너지 추출 기술인 R, 이에 따라 관찰됐거나 추정되는 신체 전체와 뇌의 무게 등을 H로 나타내 분석했다. 그 결과 호모사피엔스의 뇌와 신체의 모습은 60%가 생태환경적 문제에, 30%가 사회적 협력 문제에, 10%가 집단 간 경쟁 문제에 기인해 나타난 것으로 드러났다.

 

하지만 이 주장 역시 인류 내에서 뇌가 커지는데 기여한 사회와 생태적 이유를 다뤘을 뿐 다른 동물의 뇌가 커지지 않은 이유는 설명하지 못한다는 지적이 나온다. 결국 기존 가설이든 새로운 가설이든 명확한 해답을 주지 못하고 있는 것이다.

 

 

뇌 크기 키우는 3가지 유전자군 있다!...“그 기원 알면 뇌 크기 해답 보일 것”

 

동물의 뇌 크기에 대해 사회성과 생존 가설, 어느 한쪽으로도 설명할 수 없다면 유전자를 통해 뇌 크기의 기원을 밝힐 수 없을까?

 

찰스 다윈은 진화를 생존에 유익한 방향으로 적응한 결과라고 설명한다. 이를 유전학적으로 다시 쓰면 다양한 환경적 요인과 우연들이 유전자에 반영돼 살아남는데 더 좋은 돌연변이 형질이 선택된 것이라 할 수 있다. 즉 사회문화적 관점에서 뇌 크기를 설명하지 못한다면, 이 모든 것이 반영되는 유전자를 실마리로 비밀을 추적해 볼 수 있는 것이다.

 

미국 산타크루즈유전학연구소 이언 피데스 연구원팀은 지난달 31일(현지시각)  인간의 뇌 크기를 크게 만드는 세 가지 유전자 군을 찾아내 학술지 ‘셀’에 발표했다. 연구팀이 주목한 것은 뇌가 발달할 때 세포 간에 일어나는 ‘노치 시그널링(NOTCH signalling)’이었다.

 

세포생물학에서 시그널링이란 세포 사이에 일어나는 대화를 뜻한다. 그 중 노치 시그널링은 대부분의 다세포생물의 성장과 분열, 죽음의 과정에서 발생한다. 포유류의 경우 세포 표면에 NOTCH1~4까지 네 가지 노치 수용체(NOTCH receptor)가 있어 상호작용을 매개한다.

 

그리고 이는 사람 뇌 속 신경세포에서도 중요한 역할을 한다. 척추동물의 중추시스템이 발달할 때 모양이 다른 다양한 신경세포의 전구세포인 방사성신경교세포(radial glia cell)의 증식 정도와 갯수를 결정하는데 필수적이라고 알려져 있다.

 

연구팀은 각 영장류와 고대 인류종 등을 대상으로 노치-2 시그널링과 관련된 유전자를 분석했다. 그 결과 1번 염색체 위에서 사람에게서만 특이적으로 나타나는 세 가지 돌연변이 ‘노치-2NL’ 유전자군 (NOTCH2NLA, NOTCH2NLB, NOTCH2NLC)을 찾았고, 이것이 방사신경교세포에서 크게 발현되는 것을 확인했다. 이들 돌연변이 덕분에 방사성신경교세포의 증식이 활발해지며 뇌 조직이 많아져 뇌 용량이 커졌다는 얘기다.  

 

 

UC Santa Cruz Genomics Institute 제공
영장류와 종별 두개골 사진과 노치(NOTCH)2 돌연변이유전자군의 출연시기를 나타냈다. 약 600만년전 침팬지와 인간이 분리됐고 그로부터 3000~400만 년 뒤, 뇌크기를 증가시킨 세 가지 노치2 돌연변이 유전자군이 출현했다.-UC Santa Cruz Genomics Institute 제공

 

이 유전자 군이 처음 출현한 것은 지금으로부터 약 200만년 전으로, 약 600만년 전 공통조상으로부터 침팬지와 인간이 갈라진 뒤 약 300~400만년이 지난 뒤라고 추정했다. 피데스 연구원은 “세 가지 돌연변이 유전자군이 생기면서 NOTCH 신호 작용이 활발해져 방사성 신경교세포가 증가했으며, 이것이 뇌용량 증가로 이어졌다”며 “이 유전자가 없으면 소뇌증이나 뇌전증에 걸릴 확률이 높다”고 설명했다.

 

한편 같은날 학술지 ‘셀’에 돌연변이 노치2유전자군과 뇌에 대한 비슷한 연구 결과를 내놓은 벨기에 브뤼셀대 생물학과 피레 반더해그헨(Pierre Vanderhaeghen) 교수도 “인간에 있는 노치-2 유전자가 태아 발달 과정에서 줄기세포 수를 급격히 늘렸다”며 “뇌 크기와 관련한 핵심 유전자”라고 강조했다. 향후 이 유전자군이 생겼을 때 고대 인류가 겪은 사회와 자연 환경 등을 연계해 추적하면 뇌 크기가 커진 이유를 밝힐 수 있으리라 전망하는 이유다.

 

김진호 기자  twok@donga.com

 

(기사원문 주소 : http://dongascience.donga.com/news.php?idx=22710 )

Posted by KNUFRIC

 <KISTI의 과학향기> 제3157호

 

 

한여름에 불청객인 모기, 하지만 요새는 봄에도 가을에도 귀에서 윙윙대는 모기를 만날 수 있다. 모기에 대한 인식이 ‘질병 폭탄’인 만큼 인류는 오랜 세월 모기를 박멸하기 위해 갖은 노력을 해 왔다. 모기장을 둘러치고 모깃불을 피우고 모기의 애벌레인 장구벌레가 서식하는 물웅덩이를 없애 모기를 박멸하려고 했다.
 
말라리아 치료제와 황열 백신과 뇌염 백신을 개발하는 적극적인 대처법도 등장했다. 또한, DDT를 비롯한 각종 살충제를 개발해 모기를 박멸하는 과격한 방법까지 사용할 수 있는 방법은 모두 동원했지만, 아직 모기의 박멸까지는 길이 멀다.
 
겨울에도 모기가 출몰한다?
 
심지어 최근 들어서는 그나마 모기로부터 안전한 시기였던 겨울마저도 더 이상 안전지대가 아니라는 보고까지 나오고 있는 실정이다. 실제로 일본뇌염을 옮기는 작은 빨간집모기의 경우, 지난 2000년에는 5월 3일에서야 처음으로 발견됐었다. 하지만 매년 하루씩 발견 시기가 단축되어 2013년에는 4월 18일에 최초 발견이 보고되었을 정도로 출현 시기가 앞당겨지고 있다. 심지어 추위가 한창인 11월~12월에도 모기가 관찰되었다는 기록이 있을 정도로 최근 모기의 출현 시기는 더 빠르고 더 길어지고 있다.
 
곤충류에 속하는 모기는 기온이 평균 섭씨 14~41도 사이에서만 성충으로 활동할 수 있다. 모기의 활동시기가 빨라지고 길어진 것은 그만큼 기온과 환경이 따뜻하고 온화하게 변화했다는 뜻이다. 실제로 학자들은 모기의 등장 시기가 더 빨라진 것에는 온실 효과의 증가로 인한 기후 변화 때문이라는 설이 지배적이다. 온실 효과로 인한 기온 상승으로 봄이 오는 시기가 빨라졌고, 이에 맞추어 모기의 활동 시기도 빨라졌다는 것이다.
 
모기만이 아니다. 실제로 기상청의 관측에 따르면 개나리와 진달래, 벚꽃 같은 대표적인 봄꽃들의 개화 시기 역시도 지난 30년 전에 비해 6~8일 정도 앞당겨졌다고 한다. 온실가스의 증가로 인한 기온 상승은 기온이 오르는 봄의 시작을 앞당겼고, 그 결과 봄의 전령사들도 이전보다 빨리 찾아오는 셈이다.
 
덩달아 초대받지 않은 불청객 모기 역시도 바삐 오는 봄을 따라 날갯짓을 서두르고 있는 것이다. 심지어 전 지구적인 기온 상승은 모기의 출현 시기를 앞당겼을 뿐 아니라, 모기의 서식지까지도 넓히는 이중 효과를 가져왔다. 일반적으로 말라리아를 일으키는 모기들은 주로 열대 지역에 서식하기에 오래 전부터 아프리카는 말라리아 때문에 많은 피해를 받았다. 그렇지만, 아프리카 내에서도 해발 1,624m인 케냐의 나이로비, 1,479m인 짐바브웨의 하라레 같이 고위도 지역은 서늘한 기온 덕분에 모기가 서식하지 못하는 ‘말라리아 안전지대’에 속했다.
 
그런데 최근 들어 아프리카 고지대 역시 말라리아로부터 ‘안전’하지 못하게 됐다. 기후 변화로 인해 이곳 고산 지대들의 기온이 올라가자 모기 역시도 따라 올라왔기 때문이다. 실제로 질병학자들은 기후변화를 이 같은 모기 서식지 확대 현상의 가장 유력한 용의자로 의심하고 있다.
 

 

사진. 불청객 모기는 지구환경과 생활환경의 변화로 점차 활동 시기가 길어지고 있다. (출처: shutterstock)
 
생활환경 변화가 모기 출몰에 미치는 영향
 
또한 모기가 사라지는 시기가 늦춰지는 것 역시도 바뀐 생활 환경과 관계가 있다. 사람들의 생활 방식이 도시화되고 조밀화 되면서 아파트의 보급이 늘어난 것이 모기에게는 호재(好材)로 작용했다는 것이다. 아파트에는 물탱크와 온수 탱크 같은 저수 시설과 지하 주차장의 배수구처럼 겨울에도 외부에 비해 기온이 따뜻하고 얼지 않는 ‘물웅덩이’가 늘 존재한다. 이곳에서 성충 상태로 겨울을 나는 모기들도 생겨나는 실정이다.
 
특히나 날개에 힘이 약해 높은 곳은 올라가지 못하는 모기들에게 고층 아파트의 엘리베이터는 그들의 날개를 대신해 더 높은 곳의 먹잇감(?)에게 데려다주는 로켓이 되고 있다. 인간의 편의를 위해 만들어낸 아파트 시설들이 모기와의 전쟁에 있어서는 오히려 적군인 모기에게 이롭게 이용되고 있다니 참으로 아이러니한 일이다.
 
길기만 했던 겨울이 끝나고 완연한 봄이 찾아왔다. 두꺼운 겨울옷을 벗어던지고 햇살의 따뜻함을 즐길 수 있는 시기가 온 것은 반가운 일이지만, 봄날과 함께 찾아온 불청객 모기와의 귀찮은 전투가 이제 또 시작되려 하고 있다. 이제 사람들은 기존의 다양한 모기 방제 장치들에 더해 기존의 살충제보다는 생태계와 환경에 악영향을 덜 미치는 방법들을 다양하게 연구하고 있다.
 
하지만 인간보다 훨씬 이전인 2억 년 전부터 지구상에서 성공적으로 살아온 모기들을 완전히 내몰기 위해서는 앞으로도 꽤 오랫동안의 노력이 필요할 듯 보인다. 올해도 찾아올 모기와의 전쟁에서 부디 무사하시길!
 
글 : 이은희 과학칼럼니스트
Posted by KNUFRIC

 

국제협동 연구팀이 처음으로 생물학적 핵심 구성요소인 인체 단백질의 상세한 유전 지도를 만들었다. 이에 따라 수많은 질병에 대한 이해를 증진하고 신약 개발에도 큰 도움을 줄 것으로 기대되고 있다. 영국 케임브리지대와 다국적 제약사 엠에스디(MSD)연구팀은 과학저널 ‘네이처’(Nature)7일자에 발표한 논문에서 인체 혈장 ‘단백질체(proteome)’의 유전적 토대에 대한 특성을 밝히고, 약 1500개의 단백질에서 2000개 가까운 유전적 연관성을 식별해냈다.

 

이전에는 연구자들이 동시에 단지 몇 개의 혈액 단백질만 측정할 수 있어 이와 관련한 정보가 적었다. 연구팀은 소마로직(SomaLogic)사가 개발한 신기술(SOMAscan)을 사용해 3300명의 혈액에서 3600개의 단백질을 측정했다. 이어 이들 개인의 DNA를 분석해 유전체의 어느 영역이 단백질 수준과 관련이 있는지를 파악했다. 이를 통해 이전보다 네 배 이상의 관련 지식을 확보할 수 있었다.

 

피의 혈구 모습 일러스트.  핏 속 단백질의 유전 지도가 제작돼 질병 치료에 큰 도움이 될 것으로 보인다.   ©University of Cambridge

 

피의 혈구 모습 일러스트. 핏 속 단백질의 유전 지도가 제작돼 질병 치료에 큰 도움이 될 것으로 보인다. ©University of Cambridge

 

단백질체, 유전체에 비해 상대적으로 연구 덜 돼”

 

논문 시니어 저자인 케임브리지대 공중보건 및 1차진료과 아담 버터워스(Adam Butterworth)교수는 “단백질은 인체 생물학의 ‘작동체(effectors)’로서 많은 질병에서 파괴되고, 의약품의 표적이 되지만 유전자에 비해 상대적으로 연구가 덜 되었다”며, “새로운 기술을 통해 이런 지식의 격차를 해소할 수 있게 되었다”고 말했다. 이 유전 지도의 용도 중 하나는 질병을 일으키는 특정 생물학적 경로를 식별해 내는 것으로, 논문에서는 크론병과 습진을 일으키는 특정 경로를 정확하게 지적해 한 사례로 예시했다.

 

논문 주요저자 중 한 사람인 제임스 피터스(James Peters) 박사는 “지난 10년 간의 유전체학 혁명 덕분에 유전자와 질병 사이의 통계학적 연관성은 잘 파악됐으나, 구체적으로 질병을 일으키는 유전자와 경로를 확인하는 데는 어려움이 있었다”며, “이제, 우리 데이터베이스를 우리가 아는 유전적 변이와 질병 간의 관련성과 결합함으로써 질병의 생물학에 대해 더 많은 것을 알 수 있게 됐다”고 설명했다.

 

단백질과 질병 간의 연관성 확인

 

연구팀은 몇몇 경우에서 단백질 수준에 영향을 미치는 여러 유전적 변이를 확인했다.

이런 변이를 해당 단백질에 대한 ‘점수’(score)로 변환해 단백질과 질병 간의 새로운 연관성을 확인할 수 있었다. 예를 들어 예전에 폐질환과 관련된 단백질인 MMP12는 또한 심장질환과도 관련이 있는 것으로 나타났다. 그러나 MMP12 수준이 높으면 폐질환의 위험성은 낮고 심장병과 뇌졸중에서는 낮은 MMP12 수준이 오히려 질병 위험성을 높일 수 있는 것으로 확인됐다. 이것은 폐질환 환자를 치료하기 위해 이 단백질을 표적으로 개발된 약물이 생각지도 않게 심장병 위험을 증가시킬 수 있기 때문에 중요한 일이다.

 

소마스캔에서 측정된 시약 신호가 분석 대상의 단백질 수준을 표시해 준다.  Source: SomaLogic homepage

소마스캔에서 측정된 시약 신호가 분석 대상의 단백질 수준을 표시해 준다. Source: SomaLogic homepage

 

MSD 과학자들은 단백질체 유전 데이터가 약물 발견에 어떻게 사용될 수 있는지를 부각시키는데 도움을 주었다. 예를 들면 이들이 참여한 이번 연구 결과는 약물의 잠재적인 부작용을 드러내는 것 외에도 신약과 기존 약물의 단백질 표적에 대한 새로운 통찰력을 통해 약물 개발에 더욱 기여할 수 있다. 약물과 단백질, 유전적 변이와 질병을 연결함으로써 연구팀은 기존 약물이 다른 질병 치료에도 쓰일 수 있는 가능성을 제시하고, 현재 개발 중인 약물이 임상시험에서 성공을 거둘 수 있다는 믿음을 증진시킬 수 있게 됐다.

 

연구결과 활용할 수 있도록 공개 예정

 

연구팀은 세계 여러 연구공동체가 이번 연구 결과를 활용할 수 있도록 공개할 예정이다.

논문 제1저자로 케임브리지대 공중보건 및 1차진료과 소속인 벤저민 선(Benjamin Sun)

연구원은 “이번 연구에서 사용방법에 대한 몇 가지 예를 들었지만 이제 이를 사용하고 새로운 응용방법을 찾는 일은 연구 커뮤니티로 넘겨졌다”고 말했다.

 

캐롤린 폭스(Caroline Fox) MSD 부회장 겸 유전학 및 약물유전체학부 대표는 “이번 협동연구에 참여하게 된 것을 매우 기쁘게 생각한다”며, “이번 연구는 공공과 민간의 파트너쉽이 폭넓은 과학 커뮤니티에서 연구를 위해 잘 활용될 수 있다는 훌륭한 사례를 보여줬다”고 말했다.

 

이번 연구를 지원한 기관 중 하나인 영국 심장재단의 부의학책임자인 메틴 아브키란(Metin Avkiran) 교수는 “비록 우리 DNA가 각 개개인에 대한 (생물학적) 청사진을 제공하지만, 질병에 대한 감수성과 약물 반응을 결정하는 것은 우리 유전자에 의해 부호화되는 단백질의 기능과 양 그리고 구조상의 변이”라고 설명했다.

 

그는 “이번 연구는 우리 핏 속의 단백질이 유전적 구성에 의해 어떻게 조절되는지에 대한 놀랍고도 새로운 통찰력을 제공하는 한편, 심장 및 순환기계 질병 치료법 개발을 위한 새로운 기회를 열어준다”고 평가했다.

 

Posted by KNUFRIC

 <KISTI의 과학향기> 제3139호

 

 

갓 나온 아기 오랑우탄에게 엄마 오랑우탄은 없어서는 안 되는 존재이다. 엄마는 수년간이나 새끼에게 모유를 먹이고 포식자를 막고 잠자리를 살펴준다. 그렇다면 아빠 오랑우탄은? 대개 아빠는 자기 새끼를 돌보지 않는다. 북극곰도 그렇다. 엄마 북극곰은 힘 없고 경험 없는 새끼를 잘 키우려 애쓰지만 아빠 북극곰은 도와주지 않는다. 심지어 아빠 북극곰이 새끼를 잡아 먹는다는 보고도 있다.

이처럼 동물 세계에서 암컷과 수컷이 양육에 바치는 노력은 다르다. 암컷에게는 본능적으로 자기 새끼를 돌보려는 마음이 있다. 인간은 어떨까? 별 다를 것 없다. 물론 다른 동물과 비교하면 인간 남성은 양육에 더 많이 참여한다. 하지만 우리 역시 이렇게 생각한다. ‘엄마에게는 날 때부터 자식을 보살피는 본능인 ‘모성’이 있다. 반면 ‘부성’은 드물다. 게다가 부성은 본능적이지 않아서 제 아이를 돌보겠다는 이성적 선택이 아빠를 비로소 아빠로 만든다.’ 이런 신화는 인간도 원래 엄마가 더 양육에 힘 쓴다는 사실을 보여준다. 그렇지 않다면 <슈퍼맨이 돌아왔다> 같은 프로그램이 인기가 없었을 것이다.  

아빠보다 엄마가 더 아이의 울음에 민감하다는 연구는 이 점을 입증한다. 실험에서 부모는 울음소리만 듣고 자기 아이와 다른 아이를 가려야 했다. 그러자 엄마는 80% 이상이 자기 아이를 알아봤다. 아빠는 거의 절반인 45%만이 성공했다.

 

  

사진 1. 아기를 업은 엄마 오랑우탄. 엄마는 극진히 자기 새끼를 돌보지만 오랑우탄 수컷은 양육에 거의 참여하지 않는다. 유인원 중에서 수컷이 양육에 참여하는 경우는 인간 말고는 아주 드물다(출처: shutterstock).

‘엄마 vs. 아빠’가 아니라 ‘아이와 함께 보내는 시간’

최근 연구는 이런 고정관념을 반박한다. 아빠도 엄마 만큼이나 아이를 생각하는 마음이 있다.

프랑스 생 테티엔 대학의 에릭 구스타프슨 연구팀은 콩고와 프랑스에 사는 6개월 이하 신생아 29명과 부모를 대상으로 아이 알아보기 연구를 했다. 연구팀은 아이들이 목욕할 때 낸 울음소리를 녹음해 다른 아이들의 울음과 함께 부모들에게 들려줬다. 보통 사람이 듣기에 울음소리는 모두 비슷했다.

부모들은 울음소리만으로도 우연의 일치일 확률보다 높게 누가 자기 아이인지 잘 구별했다. 각 부모들은 서로 다른 30개의 울음소리(24개는 다른 아이 8명, 6개는 자기 아이)를 들었는데, 평균적으로 5.4개를 자신의 아이로 맞게 가렸고, 4.1개의 다른 아이 울음을 자기 아이로 오인했다.

재미있는 결과는 데이터를 엄마와 아빠로 나눴을 때 나타났다. 울음소리로 자신의 아이를 찾아내는 능력은 성별에 상관없었다. 오히려 부모가 아이와 얼마나 오랜 시간을 보내느냐가 좌우했다.

하루 평균 4시간 이상 아이와 시간을 보낸 14명의 아빠 중 13명이 98%의 정답률로 자기 아이를 맞췄다. 여기 끼지 못한 아빠 1명도 정답률이 90%나 됐다. 이와 동등하게 시간을 보낸 29명의 엄마 즉, 엄마 전부는 역시나 98%의 정답률을 보였다. 아이와 시간을 보내는 시간이 4시간이 채 되지 않는 나머지 아빠 13명의 정답률은 75% 수준이었다.

아이와 충분한 시간을 보낸 아빠는 울음소리로 자기 아이를 잘 알아냈다. 이는 대개 엄마가 아빠보다 아이가 보내는 신호에 민감하다는, 즉 모성이 부성보다 강하다는 기존 연구를 뒤집는 결과이다.

모성은 온전히 자연이 준 선물이 아니다. 엄마는 아이와 많은 시간을 보내면서 세상에서 아이를 제일 잘 아는 사람으로 변한다. 부성은 온전히 의식적 선택의 산물이 아니다. 아빠도 엄마처럼 아이와 함께 오랜 시간 교감하면 울음소리만 듣고도 직관적으로 내 아이인지 아닌지 잘 가려낸다. 아빠에게도 모성과 다름없는 부성이 있다.

남성은 자신과 닮은 아이를 좋아한다

사실 심리학자들은 남성에게 부성을 북돋는 선천적 기질이 있다는 증거까지 찾아냈다.

미국 뉴욕주립대 고든 겔럽 주니어 연구팀은 자신과 닮은 아이를 대하는 태도에 남녀 차이가 있는지 확인했다. 연구팀은 참여자들에게 자신의 얼굴을 합성한 아이와 다른 사람의 얼굴을 합성한 아이 사진을 동시에 보여주었다. 어느 아이가 자기 얼굴과 합성한 아이인지는 가르쳐주지 않았다. 그리고 어떤 아이를 입양하고 싶은지, 어떤 아이가 제일 마음에 드는지, 시간을 함께 보내고 싶은지, 돈을 쓰고 싶은지 선택하게 했다.

그 결과 남성은 여성보다 자신과 닮은 아이를 고르는 경향이 더 높았다. 남성 참여자들은 왜 그 아이를 택했는지 설명하기 어려워했다. 그냥 그 아이가 마음에 들었다는 것이다. 반대로 여성이 아이를 고를 때는 닮음 여부가 큰 영향을 주지 못했다. 게다가 여성 참여자들은 선택하는 시간도 길었고 선택하기 까다로웠다고 말했다. 

사진 2. 아버지는 자식이 자기를 닮았는지에 신경 쓴다. 소설가 김동인은 소설 <발가락이 닮았다>에서 인간 남성의 이런 심리를 날카롭게 묘사했다. (출처: shutterstock)
 
왜 남성은 무의식적으로 자신과 닮은 아이에게 호감을 느낄까? 진화심리학은 이를 불확실성으로 설명한다. 여성은 아이가 자기 아이라고 확신할 수 있다. 자신이 배 아파 낳았으니까. 하지만 아빠는? 아빠는 자신의 유전자를 물려받지 않은 남의 아이를 자기 아이로 착각하고 기를 수 있다. 인간 남성에게는 이런 불확실성에 대처하고 엉뚱한 아이에게 소중한 자원을 쏟지 않으려고 자신과 닮은 아이를 알아차리는 마음이 진화했다.

“오직 여성만이 아이를 임신하고 출산할 수 있다.” 명백한 사실이다. 하지만 “그러니까 여성이 자식을 키워야 한다”는 주장은 논리적 오류이다. 양육에서 고정된 본성 같은 것은 없다. 아이와 애정을 나누면 나눌수록 아빠는 변한다. 그때 아빠들의 부성은 모성에 견주어 부족함이 없다.

미국의 엄마들은 평균 14시간을 양육에 쓰는 반면 아빠들은 평균 7시간을 아이와 함께 보낸다고 한다. 아빠들이 아이와 더 많은 시간을 보내도록 사회, 정책, 개인적으로 노력하자.
 
글: 백소정 서울대학교 인지과학 협동과정/일러스트: 유진성 작가
Posted by KNUFRIC

 

 

 

넓은띠큰바다뱀 -김일훈 박사 제공

 

넓은띠큰바다뱀 -김일훈 박사 제공

 

열대 바다에 사는 맹독성 생물들이 우리 바다에도 출몰한다는 소식이 요즘 점점 더 자주 들려온다. 맹독을 지닌 것으로 유명한 코브라과에 속하는 '바다뱀'도 이런 생물 중 하나다. 지구 온난화 영향으로 이들 열대 맹독 동물들이 우리 바다 근처로 올라오면서 안전에 대한 우려도 나온다.

 

이런 가운데 국내에서 포획된 바다뱀을 실제로 볼 수 있는 전시가 열려 이목을 끈다. 국립해양생물자원관은 최근 관련된 생물학적 정보와 연구 현장 등을 볼 수 있는 바다뱀 전시관을 개관했다.


● 장어, 뱀장어, 가물치, 장지뱀…. 바다뱀과 닮았지만 다르다

 

바다 또는 바다 주변에서 발견되는 어류와 파충류 중 뱀처럼 길쭉한 외형을 가진 동물은 종종 바다뱀으로 오인되기 쉽다. 그러나 자세히 보면 확실한 차이가 있다. 어류는 아가미와 지느러미가 있지만 파충류인 바다뱀은 둘 다 없다. 어류 중에서도 우리말로 바다뱀이라 부르는 종이 있지만 이는 영어로 하면 ‘Snake eel', 즉 뱀장어다. 파충류인 뱀이 아니라 어류라는 얘기다. 

 

그러면 바다뱀은 육지 뱀과 어떤 차이가 있을까? 우선 바다뱀은 바다에서 헤엄치기 알맞은 납작한 꼬리를 지녔다. 배에서 물살을 젓는 ‘노’와 비슷한 모양이다. 배의 비늘 모양도 다르다. 육지 뱀은 움직이기 위해 마찰력을 이용해야 하기 때문에 배에 넓은 비늘이 있다. 반면 바다에서만 서식하는 바다뱀은 마찰력을 이용할 필요가 없어 대부분 배의 비늘 크기가 등 쪽과 별 차이가 없다.

 

“대부분의 생물들이 진화를 거듭하면서 바다에서 육지로 서식지를 옮겼지만 바다뱀은 반대다” 국내 해양파충류 전문가인 국립해양생물자원관 김일훈 박사의 말이다. 그는 지도교수인 강원대 과학교육학부 박대식 교수와 함께 바다뱀을 연구하고 있다. 

 

노란배바다뱀의 꼬리. 바다에서 헤엄치기 알맞게 생겼다. -김일훈 박사 제공

 

노란배바다뱀의 꼬리. 바다에서 헤엄치기 알맞게 생겼다. -김일훈 박사 제공

 

김 박사는 “바다뱀은 육지에 서식하는 뱀 중 일부가 바다에 적응하며 다시 진화한 것”이라고 설명했다. 바다뱀 외에도 바다거북, 바다이구아나 등이 이런 ‘수렴진화’를 통해 육지에서 바다로 서식처를 옮겼다.

 

실제 바다뱀 중에는 완전한 진화를 거쳐 바다에서만 서식하는 뱀도 있지만, 육지와 바다를 오가며 사는 종류도 있다. 바로 큰바다뱀아과(Laticauda 또는 sea kraits)로 평소에는 주로 바다에서 살지만 알을 낳거나 탈피를 하기 위해 육지에 종종 올라온다. 이들은 육지에 사는 뱀과 바다에만 사는 바다뱀의 중간 특징을 갖고 있다.

 

 

● 맹독 지닌 코브라과 동물...지구 온난화로 국내서도 출몰

 

“이래 봬도 코브라과에 속하는 맹독을 지닌 녀석입니다”

 

충남 서천군 국립해양생물자원관에 최근 문을 연 ‘바다뱀 연구소’ 전시관에서는 우리나라 바다에서 포획된 바다뱀을 볼 수 있다. 전시관 안 수조에는 2015년 9월, 제주 서귀포 인근 바다에서 포획된 개체가 포함된 넓은띠큰바다뱀 4마리가 유유히 헤엄치고 있었다. 공격적 이미지의 뱀이라기보다는 유순한 물고기에 더 가까운 모습이었다.


김 박사는 바다뱀에 대한 설명을 이어나갔다. “코브라과 중에서도 여기 있는 넓은띠큰바다뱀을 포함한 큰바다뱀아과와 진정바다뱀아과에 속하는 뱀들을 통틀어 바다뱀이라고 부른다”고 말했다. 

 

이런 바다뱀은 열대와 아열대 바다에 서식한다. 그러나 최근 제주를 비롯해 경남 부산과 통영, 전남 여수 등 우리나라 남쪽 인근 해상에 자주 출몰하고 있다. 김 박사는 국내에서 포획된 바다뱀 12마리의 ‘미토콘드리아 Cytb’ 유전자 서열을 분석했다. 그 결과 일본 오키나와현에 속하는 섬들인 류큐 열도 주변 해역과 타이완 주변 해역에 서식하는 바다뱀의 유전자형을 지닌 것으로 나타났다. 그는 “주로 타이완 난류나 쿠로시오 해류를 타고 우리나라 바다로 흘러 들어온 것으로 분석됐다”고 말했다.

 

국립해양생물자원관에 마련된 바다뱀 연구소에서 바다뱀에 대해 설명 중인 김일훈 박사. -이혜림 기자

 

국립해양생물자원관에 마련된 바다뱀 연구소에서 바다뱀에 대해 설명 중인 김일훈 박사. -이혜림 기자

 

김 박사는 “온난화로 해수 온도가 높아지고 있어 바다뱀이나 파란고리문어와 같은 맹독을 지닌 열대성 생물들이 더 자주 우리 바다에 출몰할 가능성이 높다”며 “현재는 먼 바다에서만 발견되지만 훗날 해수욕장과 같은 인근 해역에서도 발견될 수 있다”고 강조했다.

 

● 물리면 어떻게?... 바다뱀 연구 아직 갈 길 멀어

 

이에 김 박사는 바다뱀의 맹독에 대한 추가 연구를 진행 중이다. 바다뱀의 독은 단 몇 방울만으로 신경계를 마비시켜 사람의 목숨을 위협할 정도의 맹독으로 알려져 있다. 반면 극소량의 독을 이용하면 신경 마비를 예방하는 의약품을 만드는 데 활용될 수 있다. 

 

김 박사는 언젠가 발생할 수 있는 바다뱀 독으로 인한 안전사고에 대한 예방책도 마련할 계획이다. 그는 “만약 지금 국내에서 누군가 바다뱀에 물리는 사고가 발생하면 치료가 불가능한 것이 현실”이라고 말했다. 항혈청이 국내에 구비돼 있지 않기 때문이다. 

 

김 박사는 “종에 따라 독 성분이 각각 다르기 때문에 정확히 어떤 바다뱀에 물렸는지 알아야 치료가 가능한 실정”이라고 설명했다. 그는 “국내 바다에서 실제 포획된 바다뱀 3종의 독 성분을 분석하고 추후 지자체 허가를 받아 항혈청을 확보해 구비할 예정”이라고 말했다.

 

김 박사는 바다뱀 연구의 의의에 대해 “양서파충류가 개체수도 적고, 사람들의 관심이 적어 존재감이 없는 생물이라고 생각할 수 있지만, 오염과 같은 환경 변화의 지표가 되는 중요한 생물종”이라고 말했다. 

 

이어 “특히 바다뱀은 그동안 국내를 비롯해 해외에도 연구된 바가 거의 없어 밝혀진 생태 정보가 많지 않은데, 이는 동시에 앞으로의 연구가 더욱 중요하다는 뜻이기도 하다”고 설명했다.

 

 

이혜림 기자  pungnibi@donga.com

 

Posted by KNUFRIC

<KISTI의 과학향기> 제3125호

 

 

 

2018년 3월, 처음으로 심해아귀가 짝짓기하는 영상이 촬영돼 화제가 됐다. 심해는 지상과는 환경이 너무나 다르기 때문에 우리 상식으로는 이해하기 어려운 기상천외한 짝짓기가 벌어진다. 도대체 심해아귀가 어떻게 짝짓기를 하길래?
 
암컷에 몸에 붙어버리는 수컷 심해아귀

 

수컷 아귀와 암컷 아귀는 몸 크기가 크게 차이난다. 수컷은 고작 암컷의 10분의 1 정도밖에 안 된다. 암컷과 같이 있으면 마치 어미와 새끼처럼 보인다. 암컷은 살이 통통하고 느릿느릿 헤엄친다. 반면 수컷은 재빠르게 헤엄친다. 암컷을 발견하면 신속하게 달려가기 위해서다. 암컷도 수컷의 눈에 잘 띄도록 머리에 불이 반짝이는 초롱을 달고 있다. 수컷의 커다란 눈은 어둠 속에서도 이 불빛을 보고 암컷을 잘 찾아낸다. 암컷은 또한 몸에서 화학물질을 내뿜어 수컷을 유혹한다. 시각과 후각을 모두 사용해 서로 짝을 찾는 것이다.
 
암컷을 만난 수컷 심해아귀는 암컷의 배를 물어뜯는다. 그 상태로 시간이 흐르면 암컷과 수컷은 결국 한 몸이 돼 평생 붙어산다. 암컷보다 훨씬 작은 수컷은 정자를 제공하는 역할만 하며 대신 암컷은 수컷에게 영양분을 공급해 준다.

 

사진 1. 처음으로 심해아귀의 짝짓기 장면을 촬영한 사진. 큰 아귀 밑에 있는 작은 물고기가 수컷이다. (출처: youtube 캡처)

 

갈수록 쉽게 이혼하는 인간의 세태와 비교하면, 한번 만나 좋든 싫든 평생을 같이 사는 심해아귀가 존경스럽다. 그러나 일부일처만을 고집하는 것은 아니다. 어떤 암컷의 배에는 여러 마리의 수컷이 달라붙어 있는 경우도 있다. 수컷은 암컷을 만날 기회가 쉽지 않기 때문에 이미 다른 수컷이 달라붙어 있어도 상관하지 않는다. 물론 눈이 거의 퇴화돼 다른 수컷들이 암컷에 대롱대롱 매달려 있는 것을 보기도 힘들겠지만.
 
암컷 심해아귀는 난소에 약 5억 개의 알을 가지고 있다. 산란할 때는 수컷도 동시에 정자를 방출해야 수정이 이루어진다. 이를 위해 암컷은 자신의 성호르몬으로 수컷의 정자 방출 시기를 조절한다. 수컷이 자기 의지대로 할 수 있는 것은 숨 쉬는 일밖에 없다.
 
많은 심해 생물들이 심해아귀처럼 짝을 찾기 위해 빛을 이용한다. 발광기를 가지고 있는 새우나 오징어, 물고기는 종류에 따라 빛의 색깔이나 깜빡거리는 주기, 발광기의 형태 등이 다르다. 심지어 같은 종이라도 암컷과 수컷이 내는 빛의 형태가 다른 경우도 있다. 서로 다른 빛의 형태는 각각의 심해생물에게 외국어나 마찬가지다. 때문에 이런 차이점은 어둠 속에서 짝을 찾는데 매우 유용하다.
 
정자 미사일을 발사하는 집낙지

 

심해에 사는 문어 종류인 집낙지도 번식 습성이 신기하다. 집낙지도 암컷과 수컷의 크기 차이가 많이 나는데, 암컷은 몸 크기가 보통 10cm 정도로, 다 자라면 45cm나 되는 것도 있다. 이에 반해 수컷은 다 성장해야 고작 2cm 정도밖에 안 된다. 크기는 비록 작지만 번식 전략만큼은 뛰어나다. 수컷은 촉수가 달린 정자주머니를 만드는데 암컷을 만나면 자신의 생식기를 떼어버린다. 떨어진 생식기는 마치 목표물을 향해 발사된 미사일처럼 스스로 헤엄쳐 암컷에게로 다가간다. 수컷 생식기가 몸에서 떨어져 나와 스스로 암컷에게로 헤엄쳐간다니, 신기하지 않은가?

 

 

사진 2. 미사일처럼 생식기를 발사하는 집낙지의 모사도. (출처: wikipedia)
 
 짝이 없다면 스스로

 

이처럼 심해생물은 짝짓기를 위한 묘책을 개발해 왔다. 그러나 짝을 찾는 것이 귀찮은 심해생물이라면 자웅동체가 해결책이다. 오스트레일리아의 태즈메이니아 인근 심해에 사는 상어 종류처럼 심해생물 중에는 암컷과 수컷의 생식기관을 모두 갖고 있는 것도 있다. 그러나 대체로 느리게 움직이거나 바닥에 붙어사는 심해동물들 중에서 암수가 한몸인 경우를 볼 수 있다. 굳이 짝을 찾으려 에너지를 낭비하지 않아도 되니 좋아 보일수도 있지만, 유전학적으로 꼭 좋은 것만은 아니다.
 
이밖에도 다양한 심해생물의 번식전략은 우리 눈에는 희한하게 보일지라도 이들에게는 오랜 시간 축적해온 생존을 위한 삶의 지혜다.
 
글 : 김웅서 한국해양연구원 선임연구본부장
Posted by KNUFRIC

 

 

바이러스와 같은 유기체가 교과서에 써 있는 것과는 달리 생존을 위해  새 기능을 획득하고

새로운 진화 경로를 찾아 환경에 적응한다는 사실이 밝혀졌다.

 

미국 캘리포니아 샌디에이고(UC San Diego)대 생물학자들은 세균성 바이러스에 대한 일련의

실험을 통해 이들이 예상처럼 ‘정상적인’ 숙주를 감염시킬 뿐만 아니라 이전에는 알려지지 않은 진화 상의 과정을 통해 새로운 숙주를 감염시키는 능력을 획득한다는 사실을 발견했다.

 

과학저널 ‘사이언스’(Science) 30일자에 발표된 이 연구는 바이러스 같은 유기체가 얼마나 빠르게 주변 환경에 적응하고 있는지를 더욱 깊이 이해할 수 있게 한다.

 

연구팀은 이번 발견이, 유전자가 어떻게 새로운 기능들을 획득하는지와 돌연변이가 어떻게 한 숙주에서 다른 숙주로 전이가 용이하게 되는지에 대한 오랜 미스터리를 다루는 한편, 지카와 에볼라, 조류 독감 같은 바이러스 질환 연구에도 적용해 도움을 얻을 수 있을 것이라고 말했다.

 

UC 샌디에이고 생물학자들은 최근 람다 바이러스 연구를 통해 바이러스 같은 유기체의 새로운 진화 방법에 대한 증거를 제시했다. 사진은 람다 바이러스가 들어있는 실험실 배양 접시. CREDIT: UC San Diego

UC 샌디에이고 생물학자들은 최근 람다 바이러스 연구를 통해 바이러스 같은 유기체의 새로운 진화 방법에 대한 증거를 제시했다. 사진은 람다 바이러스가 들어있는 실험실 배양 접시. CREDIT: UC San Diego

 

적응 위한 돌연변이 어떻게 나타날까’ 의문에서 출발

논문의 시니어 저자인 생물과학대 저스틴 메이어( Justin Meyer) 조교수는 “이번 연구는

바이러스가 이전에 예상했던 것보다 적응력이 휠씬 뛰어나다는 사실을 보여준다”며,

“바이러스가 어떻게 진화적 유연성을 얻는지를 알아내 새로운 질병 출현을 막을 수 있는 방법에 대한 새로운 통찰력을 얻었다”고 밝혔다.

 

바이러스는 세포 표면의 분자 수용체에 부착돼 대상 세포를 감염시킨다. 이 수용체는 바이러스가 세포에 침투하는 것을 막는 일종의 ‘자물쇠’ 역할을 한다. 이 자물쇠를 여는 ‘열쇠’는 숙주-인식

단백질이라고 불리는 바이러스성 단백질이다.

 

연구팀은 바이러스의 돌연변이가 어떻게 단백질 열쇠를 변화시켰는지 그리고 어떤 변화로 인해 새로운 자물쇠에 접근이 가능한지에 대해 연구 초점을 맞췄다. 과학자들은 지금까지 바이러스가 비교적 적은 돌연변이를 통해 새로운 열쇠를 얻을 것이라고 알고 있었으나 이런 돌연변이가 처음에 어떻게 나타나는지에 대한 미스터리는 풀지 못했다.

 

람다 파지 DNA가 세포막에 주입되는 과정. Mannose PTS 투과 효소를 사용하는 당질 전달 시스템을 세포질로 들어가는 메커니즘으로 사용한다(2013년 10월). CREDIT: Wikimedia Commons / Sankohm

람다 파지 DNA가 세포막에 주입되는 과정. Mannose PTS 투과 효소를 사용하는 당질 전달 시스템을 세포질로 들어가는 메커니즘으로 사용한다(2013년 10월). CREDIT: Wikimedia Commons / Sankohm

 

예상 못한 바이러스의 도전 극복

UC 샌디에이고대, 도쿄대의 지구-생명과학연구소, 미국 예일대 연구팀은 이런 의문을 풀기 위해 공동작업을 진행했다.

 

메이어 교수 연구실의 캐서린 피트리(Katherine Petrie) 박사가 박테리아는 감염시키지만 인체는 감염시키지 않고 연구실 테스트에서 폭넓은 유연성을 보이는 람다(lambda) 바이러스에 대한 프로젝트 실험을 이끌었다.

 

연구팀은 람다 바이러스가 박테리아 세포 벽에 새로운 수용체가 나타남으로써 야기된 도전을

분자생물학의 확립된 규칙을 벗어나 이를 극복한다는 사실을 발견했다. 기존의 분자생물학에서는 유전적 정보가 하나의 단백질 분자로 번역돼 살아있는 세포와 바이러스들을 만드는 것으로 돼 있다.

 

논문 공저자로 연구를 수행한 학부생 새라 메디나와 연구자원봉사자 빅터 리, 저스틴 메이어 조교수, 캐서린 피트리 박사(왼쪽부터). CREDIT: UC San Diego

논문 공저자로 연구를 수행한 학부생 새라 메디나와 연구자원봉사자 빅터 리, 저스틴 메이어 조교수, 캐서린 피트리 박사(왼쪽부터). CREDIT: UC San Diego

 

한 개 사면 한 개 덤으로 얻는 격”

피트리 박사팀은 단일 유전자가 때때로 여러 개의 다른 단백질을 생산한다는 사실을 발견했다. 람다 바이러스는 구조적으로 불안정한 경향이 있는 단백질 서열을 진화시켜 적어도 두 가지의 다른 숙주-인식 단백질을 창출했다. 바이러스에게는 행운이고 숙주 박테리아에게는 불행인 이 다른 유형의 단백질들은 각각 다른 자물쇠를 공략했다.

 

논문 제1저자인 피트리 박사는 “우리는 이 진화과정을 실제 상황에서 포착할 수 있었다”며, “단백질의 ‘실수’로 인해 정상 숙주 세포뿐만 아니라 다른 세포들까지도 바이러스에 감염됐다”고 말했다. 그는 “단백질에서의 이 비유전적 변이는 단일 DNA 유전자 서열에서 더 많은 기능에 접근할 수 있는 방법으로서 물건 한 개를 사면 한 개를 덤으로 얻는 것과 같다”고 설명했다.

 

연구팀은 새로 발견된 진화 현상에 대한 추가 사례와 함께 이런 사례가 얼마나 흔한 지에 대한 증거를 찾고 있다. 아울러 개별 분자 과정 연구에 집중하기 위해 새로운 경로의 세부사항을 탐구할 수 있도록 연구 스케일을 좁히고 있다. 메이어 교수는 “이 같은 일은 진화적 혁신에서 매우 이례적인 적응”이라고 밝혔다.

 

김병희 객원기자다른 기사 보기hanbit7@gmail.com
작권자 2018.03.30 ⓒ ScienceTimes

 

Posted by KNUFRIC

KISTI의 과학향기> 제3113호

 

 

겨우내 움츠렸던 몸을 펴고 선선한 날씨에 운동을 하는 사람이 많다. 이런 날에는 공원에서 조깅, 산책 배드민턴, 테니스, 농구, 산책 등을 즐기기에 적기다. 운동은 재미도 있지만 심폐기능을 향상시키고 혈액순환을 촉진하는 등 우리 몸을 튼튼하고 건강하게 만든다. 신체적인 발달 외에도 정신적인 스트레스를 줄이는 효과도 있다. 2000년 10월 듀크 대학의 과학자들이 뉴욕타임즈에 발표한 연구결과에 따르면 운동이 항우울제인 졸로프트보다 더 효과적이라고 한다.
 
이렇듯 꾸준한 운동이 우리의 몸과 마음을 건강하게 만든다는 사실은 이미 잘 알려져 있다. 그런데 여기서 하나 더! 새학기를 맞은 학생들이 솔깃한 사실을 알려주겠다. 운동은 ‘두뇌’에도 영향을 미친다.
 
운동은 학습 능력도 높인다!
 
미국 하버드대 의대 정신과 교수인 존 레이티 교수는 “운동의 진정한 목적은 뇌의 구조를 개선하는 것이다. 운동이 생물학적 변화를 촉발해서 뇌세포들을 서로 연결시킨다.”라고 말한 바 있다. 레이티 교수는 신체와 정신이 하나라는 이론을 바탕으로 운동과 뇌의 관계를 실제 사례를 통해 과학적으로 분석한 뇌 연구의 권위자다.
 
레이티 교수가 분석한 연구 결과 중 운동을 통해 학업능력이 눈에 띄게 향상된 사례가 있다. 미국 일리노이주의 네이퍼빌 센트럴고등학교는 0교시에 전교생이 1.6km를 달리기를 하는 체육수업을 배치했다. 달리는 속도는 자기 심박수의 80~90%가 될 정도의 빠르기, 즉 자기 체력 내에서 최대한 열심히 뛰도록 했다. 이후 1, 2교시에는 가장 어렵고 머리를 많이 써야하는 과목을 배치했다. 이렇게 한 학기동안 0교시 수업을 받은 학생들은 학기 초에 비해 학기 말의 읽기와 문장 이해력이 17% 증가했고, 0교시 수업에 참가하지 않은 학생들보다 성적이 2배가량 높았다. 또한 수학, 과학 성적이 전국 하위권이었던 이 학교는 전 세계 과학평가에서 1위, 수학에서 6위를 차지했다.

 

 

사진. 몸을 깨우고 건강하게 하는 운동은 두뇌도 깨우는 효과가 있다. 겨우내 집에만 있었다면 이제 밖으로 나가 몸과 머리를 깨워보자! (출처:pixabay)
 
또 다른 실험 결과에 의하면 학력은 들이는 돈에 비례하며, 소득수준에도 비례한다. 그런데 저소득층 학생 중 운동량이 많은 학생과 운동량이 거의 없는 학생의 성적을 비교한 결과, 운동량이 많은 학생의 성적이 높았다. 이밖에도 정기적이고 강도 높은 운동을 통해 학습효율을 높이고 수업, 생활태도와 성격까지 개선한 사례는 많이 있다. 여기서 중요한 공통점은 운동의 형태와 강도, 지속시간과 빈도 등이 고려됐다는 점이다. 운동은 자발적으로(강제적인 운동은 오히려 체벌과 같은 스트레스가 된다) 하며, 자신의 신체 능력을 최대한도로 사용하는 강도로(정확히는 최대 심박수의 80~90%를 지속적으로 유지하는 강도), 일주일에 4~5회 빈도로 규칙적으로 실시했다.
 
운동이 학습 능력을 올려주는 이유
 
그렇다면 운동이 어떻게 학습능력 향상에 도움을 주는 것일까. 유산소 운동을 통해 심장박동수가 증가하면 뇌세포의 성장에 비료 역할을 하는 신경세포성장인자인 ‘BGF(Brain Growth Factor)’의 혈중 수치가 증가한다. BGF는 일종의 단백질들로, 심박수가 높아진 상태의 심장과 근육에서 분비된다. 분비된 BGF는 뉴런의 기능(정보 전달)을 강화시키고 뇌세포의 성장 자체를 촉진하며 세포가 소멸하는 것을 방지하거나 더디게 하는 역할을 한다.
 
또한 BGF와 더불어 분비되는 인슐린 유사 성장인자, 혈 간 내피세포 성장인자, 섬유아세포 성장인자 등은 복잡 다양한 과정을 거쳐 정신적인 환경을 최적화 해 각성도와 집중력, 의욕을 고취시킨다. 이들은 또한 신경세포가 서로 결합하기에 적합한 환경을 조성하고 결합을 촉진해 세포 차원에서 새로운 정보를 받아들일 준비를 갖추도록 한다. 즉 기존 뇌세포의 기능을 강화하고 단기기억이 장기기억으로 고착되는 과정의 속도를 현저히 빠르게 하는 것이다. 뇌세포를 새로 만들어 내며, 창의력이라고 알려진 뇌의 인지적 유연성도 대폭 증가시킨다. 실험에서는 단 한 번의 달리기를 했음에도 테스트에 대한 대답속도와 인지적 유연성이 향상되는 것이 관찰되기도 했다.
 
이런 물질이 운동을 할 때 폭발적으로 증가한다는 것은 한 실험을 통해 우연히 밝혀졌다. 쳇바퀴를 쉬지 않고 돌리는 쥐의 해마에 많은 수의 뇌세포가 새로 생긴 것이다. 이전까지는 뇌세포가 죽어갈 뿐 새로 생기지 않는다는 설이 대세였지만, 최근에는 뇌의 가장 복잡한 기능을 담당하는 해마와 전전두엽피질의 경우 뇌세포가 활발하게 생기고 죽는다는 것이 정설로 받아들여지고 있다.
 
운동 직후에 공부를 하자
 
이렇듯 운동을 하면 뇌세포가 생성되지만 운동 직후 이 뇌세포들이 할 역할을 잡아주지 않으면 바로 죽고 만다. 즉 새로운 것을 학습하며 뇌세포 간 연결을 이뤄 새로 생긴 뇌세포를 기존 지식체계 속에 포함시켜야 학습능력 향상에 도움이 되는 것이다. 센트럴고등학교가 0교시 체육시간 이후 가장 어려운 수업을 배치한 이유는 결국 운동을 한 직후의 뇌가 학습을 하기 가장 좋은 상태로 세팅이 되기 때문이었다.
 
‘열심히 운동한 후 꼭 뇌를 사용하라!’
학습능력 향상을 원한다면 기억해야 할 필수사항이다.
 
글 : 유기현 과학칼럼니스트
Posted by KNUFRIC

 

 

 

동물 특성에서 인체 질병치료 단서 찾아

동물의 특성에서 질병 치료의 단서를 찾아보려는 연구가 시도됐다.

 

미국 유타대 학제간 연구팀은 박쥐의 날개에서부터 코끼리의 암 저항력에 이르기까지

동물의 고유한 특성을 이용, 건강에 영향을 미칠 수 있는 인간 유전체 영역을 찾아내 ‘셀 레포츠’(Cell Reports) 6일자에 발표했다.

 

연구팀은 포유류 유전체의 비암호화(noncoding) 영역을 연구 대상으로 삼았다. 유전체의 98%를 차지하는 이 영역은 단백질을 암호화하지는 않으나 유전자가 언제 어디서 발현되는지를 통제하는 ‘스위치’가 들어 있다. 그러나 대부분의 비암호화 영역이 건강이나 질병과 관련해 수행하는

역할은 아직 불분명한 상태로 남아있다.

 

크리스토퍼 그레그(Christopher Gregg) 유타대 보건대 신경생물학 및 해부학 조교수는 “비암호화 영역을 정크 DNA라고 부르지만 나는 이를 탐험되지 않은 정글로 보고 있다”며, “우리는 다른 질병들을 통제할 수 있는 새로운 유전체 부분을 발견하기 위해 비암호화 영역을 탐구하고 있다”고 밝혔다.

 

유전체에 안내선 설정

 

연구팀은 코끼리와 겨울잠 자는 박쥐, 범고래와 돌고래, 벌거숭이 두더지 쥐와 열 세줄 땅다람쥐 등 다섯 종류의 동물 유전체 ‘정크’ 부위를 샅샅이 뒤져 빠르게 진화한 영역을 확인했다.

각 동물의 유전체에서 진화가 가속화된 수 천개의 영역이 발견됐다. 진화가 가속화된 일부 영역들은 박쥐의 날개나 코끼리의 거대한 몸체, 열 세줄 땅다람쥐의 독특한 채색 같은 인식 가능한 특성을 부여한다.

 

동물의 고유한 특징은 질병을 이해하기 위해 인간 유전체의 비암호화 영역을

식별하는데 도움이 될 수 있다. CREDIT: Temel Yasar

 

논문 제1저자로 그레그 교수 연구실의 생물정보학자이자 컴퓨터 프로그래머인 엘리오트 페리스(Elliott Ferris)는 “우리는 다른 동물 종의 극단적인 특성을 활용해 인체의 건강과 질병을 형성하는데 중요한 역할을 하는 인간 유전체의 비암호화 영역을 발견했다”고 밝혔다.

 

연구팀이 확인한 요소들을 다음과 같다.

    - 코끼리 유전체는 암 저항성 연구에 도움이 될 수 있는 DNA 복구와 관련이 있다
    - 박쥐의 유전체는 손발 기형 연구에 도움이 될 수 있는 날개 발달과 관련이 있다.
    - 돌고래와 범고래의 유전체는 각막 발달 연구에 도움이 되는 눈의 발달과 관련이 있으며, 혈액 응고 질병 이해에 필요한 고압 환경 적응과 관련된 요소도 있다.
    - 열 세줄 땅다람쥐 유전체는 백색증이나 레오파드 증후군 연구에 도움되는 착색 및 색소 침착과 관련된다.
    - 벌거숭이 두더지 쥐의 유전체는 녹내장 연구에 도움이 되는 눈 발달과 관련이 있다.

 

같은 대학 소아암 전문가인 조슈아 쉬프먼(Joshua Schiffman) 교수는 “이 방법을 통해 우리는 동물계 전반에 걸쳐 질병에 대한 자연의 잠재적 해결책을 밝혀낼 수 있다”며, “그레그 박사팀은 암 같은 질병의 잠재적 치료 표적 확장을 위해 함께 탐구할 수 있는 장을 구축하고 있다”고 말했다.

 

코끼리는 거의 암에 걸리지 않아

 

생물체는 살아가면서 끊임 없이 새로운 세포가 생겨나는 생명현상을 보이고 있는데, 세포가 복제될 때마다 암으로 이어지는 돌연변이가 생길 수 있다. 그런데 인간보다 100배나 많은 세포를 가지고 있고 60~70년을 사는 거대한 몸집의 코끼리는 암에 걸리는 경우가 거의 없다.

 

 

연구팀의 작업을 그림으로 묘사한 도표. 코끼리와 작은 갈색 박쥐, 큰 갈색 박쥐, 범고래와 돌고래, 벌거숭이 두더지 쥐,

열 세줄 땅다람쥐의 가속화된 진화를 분석해 신체의 돌연변이 비율과 암 위험, 손발의 발달, 면역력, 녹내장, 색소 침착 및

기타 임상 표현형을 형성하는 기능적 유전체 요소를 나타냈다. CREDIT: Ferris et al./Cell Reports

 

쉬프먼 교수는 유전학적으로 암에 대한 자연 저항력을 이해하기 위해 코끼리를 연구하고 있다. 앞선 연구에서 그의 팀은 다른 연구자들과 협력해 종양 억제 유전자(p53)의 여분 카피들의 잠재적 역할을 확인한 바 있다. P53은 DNA가 손상된 전암성 세포들을 제거하는 능력을 증대시킨다.

 

그레그 교수와 페리스 연구원은 코끼리 게놈의 진화가 가속화된 영역에서 돌연변이나 암 저항성을 형성하는 추가적 후보 요소들이 나타나는지를 시험했다. 테스트 결과 진화가 가속화된 수많은 영역과 관련된 세 개의 유전자(FANCL, VRK2 and BCL11A)를 식별해 냈다. 이 유전자들은 돌연변이를 막아주는 DNA 복구와 관련된 것들이었다.

 

연구 결과 토대로 암 저항성 유전체 요소지도 작성

 

쉬프먼 교수팀은 이 유전자들이 코끼리 세포의 DNA 손상에 어떻게 반응하는지를 살펴보기 위해 실험실에서 아프리카 성체 코끼리 혈액 표본에 대해 일련의 실험을 진행했다. 그레그 교수팀은 이 데이터를 활용해 DNA 손상에 반응하는 여러 유전자가 코끼리의 진화가 가속화된 영역에 풍부하다는 사실을 보여주었다. 이 결과를 통해 암 저항성을 증진시킬 수 있는 포유류 유전체 요소들의 지도가 만들어졌다.

 

그레그 교수는 “우리는 코끼리 게놈에서 암을 회피하는 p53 이외의 다른 기전을 확인했다”고 말하고, “이 코끼리 연구 결과는 유전자 활동을 통제하고 돌연변이와 암 형성을 감소시키는 것으로 예측되는 인간 유전체에서의 비암호화 염기서열을 나타내준다”고 설명했다.

 

그레그와 쉬프먼 교수는 이번 연구에서 확인된 유전체 영역이 어떻게 인체 치료에 적용될 수 있는지를 조사하기 위해 연구팀을 꾸리고 있다. 이같이 진화가 가속화된 영역이 사람에게서도 질병 과정을 통제하는지를 테스트하기 위해서는 기능적인 연구가 더 필요하다.

 

그레그 교수는 “우리는 미지의 영역을 주시하고 있다”며, “이 방법은 유전체를 탐구해 질병을 확인하고 진단, 치료하는 새로운 접근법 발견을 위한 길을 열어준다”고 말했다.

 

 

김병희 객원기자 hanbit7@gmail.com

저작권자 ⓒ ScienceTimes

 

 

Posted by KNUFRIC