바이오인

1. 서론

모든 생명체는 나이가 든다. 하지만, 이 단순한 개념의 생물학은 완전히 이해되지 못했다. 우리는 노화를 분자수준, 세포수준, 개체수준에서 설명할 수 있지만, 그 과정의 근본원인을 정의하는 것은 어렵다. 노화과정을 겪는 세포의 한 가지 특징은 DNA 손상이 복구되지 않은 상태로 축적이 되고 이로 인해 유전체 보존(genome integrity)이 손상되는 것이다. 특정 세포구성물에 축적된 손상은 노화의 과정에 기여하지만, 모든 세포에 다량으로 존재하는 지질이나 단백질, 탄수화물과 같은 고분자들은 쉽게 복구되고 교체될 수 있다. 그와는 반대로, 각 세포들은 오직 하나의 유전체(genome)만을 가지고 있기 때문에 유전체가 손상이 일어나면 복구는 항상 가능하겠지만, 일정수준 이상의 손상을 받게 되면 그것은 복구되지 못하고, 결국 나이가 들어감에 따라 세포에 축적된다. 이러한 취약성에 대한 결과는 분명하다. 세포는 계속해서 오류를 가진 RNA와 단백질 결과물의 생산을 증가시킬 것이고 이러한 현상들은 점점 심해져, 비록 이것이 자연적인 현상일 지라도 이로 인한 손실은 진화과정에서 선택되지 못할 것이다. 왜냐하면 이러한 특질들은 생명체의 번식이 끝난 후에 생겼기 때문에, 선택(selection) 과정에 적용되지 않는다. 따라서, 그 후세대 내에서 선택적으로 유지되지도 제거되지도 않을 것이다.

모든 세포들은 DNA integrity를 유지하는 것이 중요하기 때문에, 정교한 DNA 손상 반응 단백질의 집합체를 가지고 있다. 세포들은 각각의 독립적인 DNA 손상 복구 기전들이 서로 얽혀있는 복구 네트워크들을 잘 갖추고 있다. 신경의 발달과정 동안, 전구세포(progenitors)들을 만들어내는 과정에서 DNA 손상의 효율적 복구는 각각의 유전체(genome) integrity를 유지하기 위해 매우 중요하다. 손상 복구는 4가지 주요 경로를 매개한다: 뉴클레오타이드 삭제 복구(nucleotide excision repair, NER), 염기 삭제 복구(base excision repair, BER), 상동 재조합(homologous recombination, HR) 그리고 비상동 재조합(non-homologous end jointing, NHEJ). 대부분의 단일가닥 손상들은 NER에 의해 복구되는 반면, 염기 내에 작은 손상들은 BER의 타겟이다. NER과 BER은 온전한 상호보완적인 가닥(complementary strand)을 template로 이용하여 DNA 합성을 통해 오류 없이 DNA의 복구(-free DNA repair)를 가능하게 한다. 예를 들어 NER은 자외선, 사이클로뷰테인 피리미딘 2량체(cyclobutane pyrimidine dimers), 화학물(bulky chemical adduct)과 같은 것들에 의해 형성된 손상들을 다양한 경로를 통해 복구한다. 활발하게 전사(tranion)가 일어나는 지역 내에 손상이 위치하는 경우에는 전사포크(tranion fork)의 지연(stalling)이 NER 단백질의 하위과정에 신호를 보내고, 전사과정과 더불어 NER (tranion-coupled NER)을 개시한다. 전사가 일어나지 않는 지역에 위치한 손상들은 다른 복합체들 - UV손상 DNA결합 단백질(UV-damaged DNA-binding protein)과 색소성건피증 그룹C 복합체(xeroderma pigmentosum group C-containing complexes) - 에 의해 DNA 나선구조에 뒤틀림이 발견되고, 이로 인해 전반적인 유전체 NER이 시작된다. DNA 이중가닥 손상에 대해서는 주로 HR과 NHEJ에 의해 복구된다. HR은 자매염색분체(sister chromatid)의 온전한 서열을 이용하여 복구하는 것으로 이것은 주로 세포주기의 S와 G2기 동안 발생하는 이중가닥 손상을 복구하는 데에 이용된다. 그와는 반대로 NHEJ는 손상된 양끝의 부위를 단순하게 접합시킨다. 따라서, 자매염색분체와 같은 정상 서열의 도움이 없기 때문에 HR보다 오류 발생이 쉽게 발생하며 이로 인한 작은 결손은 피할 수 없다. NHEJ는 G1기에서 주로 발생하고 가끔 S기에서도 발생한다. 뉴런은 일단 성숙하면 체세포분열이 끝나기 때문에(postmitotic), HR은 더 이상 이중가닥 손상 복구를 위한 옵션이 아니다. 그러므로 뉴런은 거의 NHEJ에 의존한다(신경시스템에서 다양한 DNA 손상 복구 경로는 McKinnon의 최근 리뷰를 참조). 만약 DNA 손상이 특정 한계를 넘어서면, 세포는 세포노화(senescence)나 세포죽음(cell death)을 야기할 수 있도록 페일세이프(fail-safe) 기전을 작동시킬 수 있다. 이러한 중첩적인 손상 조절 시스템은 특히 뉴런과 같은 분화된 체세포에 중요하고 형태학적으로(morphologically), 기능적으로(functionally) 전문화되어 있으며 영구적으로 postmitotic하다. 뉴런은 결손되었거나 고장난 부위를 복구하기 위해 세포분열에 의존할 수 없고, DNA 복제과정에서 가장 흔하게 일어나는 HR을 통해서도 DNA를 복구할 수 없다. 호모사피엔스와 같이 오랜 기간 살아가는 종에서의 전형적인 CNS 뉴런은 정확한 DNA 손상 복구 없이 80년 혹은 그 이상 생존해야만 한다. 그러므로 알츠하이머병과 같은 후발성의 퇴행성 질환이 불충분한 DNA 손상 복구로 인해 발생되었을 것이라고 부분적으로 설명하는 것이 이상한 일은 아니다.

2. 충분한 DNA 손상 복구가 뉴런의 건강을 유지한다

DNA 손상 복구의 실패가 노화과정을 촉진(driving force)한다는 개념은 충분히 매력적이다. 하지만 이 개념을, DNA 손상의 축적이 단지 노화과정의 부산물(즉, 원인이 아닌 결과)이라는 또 다른 개념과 함께 구별 지어 생각해보는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 우선적으로, 복구될 수 없는 DNA 손상의 기준치(baseline burden)를 만드는 발달과정의 범위를 추정하여 백그라운드 (background)를 제외해야 한다.

2.1 발달 과정 동안의 계획된 DNA 손상과 염색체 불균형

유전체 손상의 위험에도 불구하고 여러 정상적인 발달 과정들은 일시적으로 DNA 나선구조 내에서 이중가닥 손상을 유도한다. 예를 들어, 감수분열 동안 염색체의 접합(synapsis)과 교차(crossing over)의 과정은 매우 정교한 SPO11-cayalysed DNA 이중가닥의 손상 및 복구와 관련이 있다. 또한 T세포 B세포의 V(D)J 재조합(recombination) 과정에서 ‘위치 특이적 재조합 반응’(site specific recombination event)은 이중가닥 손상과 부정확한 복구과정을 통해 항원인식에 있어 다양성을 만들어낸다. 신경생물학자들은 뇌 세포들간에 다양한 표현형을 만들어 내는 이 기발하고도 경제적인 방법에 대해 흥미를 느끼고 있다. V(D)J 시스템의 여러 주요 단백질들은 실제로 성인 CNS 내에서 발현하고 있고, RAG1 전사체는 해마체와 공간적인 학습과 기억에 중요한 또 다른 번연계 지역 내에서 발견되고 있다. 게다가, RAG-1 결손 쥐들은 사회적 인식기억의 손상을 보임으로써, 이러한 전사체들의 기능적인 중요성을 강조한다. DNA 접합효소 의존적 재조합 반응이 또한 해마추출물(hippocampal extract) 내에서 발견되어, 기억의 강화에 관련이 있음을 보여준다. 그러나 뇌 안에서 site-directed V(D)J-like effects를 특정적으로 탐지하는 목적의 연구에도 불구하고, 그러한 활동들은 아직까지 발견되지 않고 있다. V(D)J 재조합과 생식세포분열과 같은 정상적인 발달 과정 동안 발생하는 계획된 손상반응 외에도, 빠르게 분열하는 전구세포에서 발생하는 ‘염색체분열결함(chromosome segregation defect)’이나 ‘유전자/텔로미어 지역 복제관련 DNA 손상 (replication-associated DNA damage at gene loci or telomere regions)’과 같은 계획되지 않은 손상들이 존재한다(그림1). 복구되지 않은 이러한 거대한 유전체상의 오류들은 뉴런 전구체의 이수체(aneuploidy)를 발생시킬 수 있고 유전체 상에 상당한 스트레스를 부여한다. 이러한 유전체 상의 스트레스로 인해 태아(fetus)의 몸 도처에 기형이 발생하여 중간 잉태(mid-gestation) 과정에서 결국 죽음에 이르게 하는 ‘DNA 접합효소 4’와 같은 DNA 복구 효소 내 변이의 치명성(lethal)이 반복적으로 발견되고 있다.

3. 성인의 뉴런 유전체의 상태

역설적으로 들리겠지만, 성인의 뉴런 유전체의 integrity는 확실하지 않기 때문에 심도 있는 조사의 대상이 되어왔다. 특정한 V(D)J 과정의 직접적인 증거의 부재는 오직 한가지 특정한 형태의 DNA 배열을 배제시켰다. 다른 종류의 ‘손상과 복구전략’이 틀림없이 가능한데, 아마 다양한 환경하에서 다양한 세포의 종류들에 의해 사용될 것으로 생각된다. 비록 이러한 전략들이 존재할 것이 확실치는 않지만, 성인 뉴런의 유전체의 또 다른 ‘손상과 복구 전략’이 존재하고 또한 일정하게 활용되고 있다고 제안될 만한 특징들이 존재한다. 다양한 증거들이 뇌 안의 뉴런들의 염색체 수의 변화를 주목하고 있다. 실제로 발달 과정에서, 대뇌피질(cerebral cortex)이 만들어질 때, 이 중 33%가 이수성의 신경모세포로부터 만들어진다고 추정된다. 물론 많은 수의 이수체의 전구체들이 아마도 발달 과정 중 세포사멸로 제거되겠지만, 비정상적인 수의 염색체를 가진 분열 후 뉴런(postmitotic neuron)들은 성숙한 뇌에서 발견될 수 있다. 그 숫자들은 종에 따라, 분석된 뇌의 지역에 따라, 사용한 기술에 따라, 의문을 가진 염색체에 따라 다르게 나타날 것이다. 쥐의 뇌에서 부위특이적 형광표지법(locus-specific FISH)을 통해 쥐의 뇌를 관찰하면 세포의 약 1-6%가 성염색체의 증가 혹은 손실이 나타난다. 형광표지법, 면역세포화학법(immunocytochemistry), 세포분리기법(cell sorting array) 등은 인간의 뇌에서 염색체 21번에 약 4%의 이수성의 비슷한 측정값을 보여주며 또한 최근의 연구는 정상적인 성인의 뇌에서 염색체 21번에 13% 비율의 이수성을 제안했으며, 이 내후각피질 (entorhinal cortex)에서 염색체 17번의 높은 이수성(6-19%)을 보고했다. 물론, 뇌의 노화과정에서 발견되는 몇몇의 이수성 증가현상은 비뉴런세포(non-neuronal cell)에서 발생하는 것이겠지만, 위의 연구결과에서 보여주는 숫자들은 여전히 성인의 뇌가 작지만 상당한 비율의 염색체 이수성의 뉴런들과 많은 비율의 ‘작은 이수성들’(microaneuploridies)을 가진 세포들을 가지고 있다는 것을 보여준다. 만약 이수성에 대한 조사가 염색체 하위단계(subchromosomal scale)까지 가능하게 되어 number variation 등까지 포함하게 된다면, 이 불균형의 추정수치는 13-41%까지 상승하게 될 것이다. 이 비율은 발달 과정 동안 뉴런의 전구체내의 DNA 복제과정에서 발생하는 오류에 의해 생성되는 기본값(background)이며, 대부분의 이러한 이수성들은 전체 계통(lineage)까지 전파되어, 광범위한 염색체 모자이크 현상(chromosomal mosaicism effects)을 야기하게 될 것이다(그림1).