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선충, 1mm 생명체의 위대함 - Caenorhabditis elegans |
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서경희 (172038@hanmail.net), 신현영(young9828@hanmail.net) |
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단순하면서도 복잡한 예쁜꼬마선충 예쁜꼬마선충은 해부학적으로나 유전학적으로 아주 단순한 생명체로 성체가 되었을 때, 자웅동체의 경우는 생식세포를 제외하면 전체 세포수가 959개에 불과하고 웅체의 경우는 1031개 정도이다. 그리고 예쁜꼬마선충은 6개의 염색체를 가지는데 5개가 체성 염색체이고 1개가 성염색체이며, 자웅동체는 XX, 웅체는 XO로 표기한다. 그러나 C. elagans genome 프로젝트 결과 예쁜꼬마선충은 9700만 쌍의 염기서열을 가지고 있고 1만 9천개 이상의 유전자를 가지고 있다 .이것은 효모 유전자에 비해 3배 정도로 많으며 사람의 유전자의 1/3-1/5정도이다. 그리고 각각의 유전자에는 평균 5개의 인트론(intron)이 있고 염색체의 GC%가 36%이며 autosome(상염색체)에서는 tandem repeat 구조와 invert repeat가 꽤 많이 존재한다.
예쁜꼬마선충의 전체 염기서열이 밝혀지다 선충의 염기서열은 미국 워싱턴(Washington University)대학 유전학과장 로버트 워터스턴(Robert Weterstern) 박사와 영국 생거 연구소(Sanger center)의 존 설스턴(John Thersten) 박사가 이끄는 연구팀에 의해 8년에 걸친 노력 끝에 유전자 1만9천99개로 구성된 9천7백만개의 DNA 염기 쌍으로 이루어져 있음이 1998년 12월 11일에 발표되었다. 이들은 PCR product와 cosmid, YAC 등의 복제 산물을 통해 shotgun 방식을 이용해서 시퀀싱하였다. 그리고 어떻게 유전자들이 세포발달에 영향을 끼치는지 알기 위해 genome 조각들의 모음들을 중복되는 sequence로 배열하여 전체 유전자 지도를 만드는 genetic landmarks방법을 이용해 유전자의 기증을 밝히고 있다. 이러한 genome project의 결과 선충의 유전자중 40%가 인간의 것과 닮았으며 지금까지 알려진 인간 유전자 5,000개 가운데 75%를 공유하고 있어 암·알츠하이머 등 질병과 노화, 세포간 상호관계 등의 연구에 사용돼 왔다. 인간의 유전자 지도를 완성하더라도 인간을 실험 대상으로 할 수 없지만 이 선충의 유전자 중 하나를 파괴해 개체에 일어나는 변화를 살펴보면 인간 유전자의 기능을 추측할 수 있다는 것이다. 특히 유전자 정보를 특허 등록해두면 항생제·비타민 제제 등의 의약품개발을 독점적으로 할 수 있어 엄청난 산업 재산권이 될 것으로 보인다.
예쁜꼬마선충이 가지고 있는 장점 선충이 연구에 많이 이용되는 이유는 우선 배양하기 쉽고 얼려서 보관할 수 있다는 점과 발생 단계가 비교적 단순할 뿐만 아니라 수정란에서 성체에 이르기까지 세포 분열 양상이 각 개체마다 동일하고 그 과정을 현미경하에서 모두 관찰할 수 있다는 점에서이다. 다음으로는 선충의 신경 구조계가 간단하다는 점이다. 자웅동체의 경우 전체 세포 수가 959개인데 302개가 신경세포로 이루어져 있고 웅체의 경우 1031개의 체세포 중 381개가 신경세포이다. C. elegans는 간단한 신경세포를 가짐에도 불구하고 고등동물의 세포를 구성하는 분자적 구조물들 대부분이 존재하고 있다고 알려져 있고 약 40%가 유사하다고 한다. 이런 이유에서 선충을 연구에 많이 사용하고 있다. 그렇다면 인간과 유사한 여러 기능을 하는 선충의 유전자에 대해 알아보자.
예쁜꼬마선충의 신경 생물학 신경전달 물질 수용체 , 신경 전달 물질 합성 , release pathway , GTP binding protein(G protein) 과 함께 하는 2차 전달 pathway는 선충과 포유류 사이에서 잘 보존되어 있다. 하지만 gap juntion , 후각 수용체는 다른 sequence gene family로 되어있다. 대부분의 ion channel에서 척추동물과 선충은 유사하나 예상되는 valtage-activated Na+ channel은 없다. 또 척추와 무척추의 시각을 담당하는 로돕신이 결여되어 있다.
선충 유전체에는 적어도 80개의 K+ channel이 encode 되어있고 90개의 신경전달물질 gated ion channel과 후각수용체 일지 모르는 1000개의 이름 모를 수용체들이 encode되어 있다. 신경계는 선충 체세포 중 약 30%를 차지하므로 아마 gene의 상당부분을 차지하는 것으로 보인다.
선충에서는 큰 규모로 amplification이 되는 valtage-activated Na+ channel이 없다. 하지만 Ca+ channel 과 K+ channel이 존재해서 효과적으로 신호를 전달할 수 있다. Ca+ channel에 의해 Ca+이 들어가게 되고 synaptic excocytosis 와 근육수축이 일어난다. 또 K+ channel에 의해 휴지기로 되어 탈분극의 회복이 된다.
다른 동물과 같이 선충도 신경전달 물질로 아세틸콜린, 도파민, 세로토닌, 글루타민을 사용한다. 신경근육 junction에서 흥분상태인 신경세포는 아세틸콜린을 방출시키고 GABA라는 단백질을 방출시켜 흥분을 억제시킨다. 선충과 척추동물은 신경전달물질 합성과 시냅스 소포체로의 packing과 파괴, 수용에 필요한 물질로 유사한 분자를 사용하는 것으로 나타났다. (Cha-1: acetyltransferase, Unc-17: vesical transferase, cholinesterase)
ligand gated ion channel은 빠른 시간에 신호전달을 위한 신경전달물질 수용체이다. 각각의 채널은 4-5개의 유사한 subunit로 구성되어 있고 이 subunit은 1개에서 5개의 유전자에 의해 encode 되어있다. 아세틸콜린과 글루타민을 위한 흥분물질의 수용체를 포함해서 선충에서는 ligand gated ion channel을 위한 유전자가 100개 정도 있다.
한편, G protein coupled 수용체는 전반적으로 ligand gated ion channel보다 흥분 속도가 더 느리고 더 길게 변화한다. G protein coupled 수용체는 7개의 전달막 영역을 가지고 있다. 그리고 그들은 세포질 이형 3합체인 G protein과 함께 회합되어 있다. ligand와 결합할 때 수용체는 GTP교환을 일으키고 Gα/Gβγ로 분리되면서 신호가 전달이 된다. Gα와 Gβγ모두 세포 내에서 effector와 interaction한다. 주목할만한 것은 선충의 유전자의 약50%가 G protein coupled 수용체를 encode한다. 척추동물과 무척추동물 모두 여러 G protein coupled 수용체가 잘 보존이 되어 있다.
이렇듯이 신경계는 선충 체세포 중 약 30%를 차지하고 신경전달 물질 수용체 , 신경 전달 물질 합성 , release pathway , GTP binding protein(G protein) 과 함께 하는 2차 전달 pathway가 선충과 포유류 사이에서 잘 보존되어 있으므로 선충을 대상으로 세포의 성장과 발생, 그리고 여기에 관련된 유전자 발현 등에 관여하는 신호 조절 기작을 밝힐 수 있으리라 예상되고 있다.
세포 이동을 제어하는 단백질 - mig-17 동물의 몸의 복잡한 조직이나 기관은 어떻게 하고 형성하게 되는 것일까？ 조직이나 기관이 올바르게 형성되는 데에는 세포가 정해졌던 시간에, 정해졌던 방향에, 정해졌던 거리만 이동할 필요가 있다. 최근, 그 메커니즘을 분자 레벨로 해명하기 위한 연구가 활발하게 행해지고 있다. 이와 같은 연구에 의해 암세포의 침투·전이나 그것에 따른 혈관 신생 등 세포 이동이 관계하는 병의 예방법이나 치료법이 개발되는 것에 대해 기대되고 있다. 선충은 수정란에서 성충에게 이르는 세포 계보가 완전하게 해명하고 있고, 발생 과정에서의 세포 이동도 개개인의 세포 단위로 전부 알고 있다．또 1억 염기대의 전 게놈 해석이 종료하고, 많은 유전자가 포유류라고 유사하고 있는 것이 분명해졌다. 이와 같은 배경에서 선충을 이용하고 세포 이동의 제어 기구를 찾게 되었다. 그 유전자가 mig-17이다.
선충은 U자형의 생식소를 갖는데, 이것은 그 첨단의 세포가 U자형의 경로를 이동을 하기 때문이다. 먼저, 선충의 mig-17 유전자를 깨뜨린다면 생식 둥지의 첨단 세포가 정상의 경로를 이동할 수 없게 되었다. mig-17 유전자는 메타로푸로테아제(Meteroprotase)라고 불리는 단백질 분해 효소의 일종(MIG-17과 명명)을 생산하고 이 효소가 생식 둥지의 표면에 부착한다면 첨단 세포가 U자형에 이동하는 것이 밝혀졌다. MIG-17이 생식소 표면의 어떤 종류의 단백질을 분해하는 것에 따라, 첨단 세포가 정상의 경로를 인식할 수 있게 된다고 생각할 수 있다. 이 성과는 세포의 이동 방향 제어에 단백질 분해 효소가 일하는 것을 처음 보여 주었던 것이다. 이것의 기능은 미해명이지만 MIG-17이라고 닮은 단백질 분해 효소가 히토에도 있는 것을 제시하고 있고 히토의 기관 형성이나 암의 전이 등의 메커니즘 해명에의 실마리가 된다고 생각할 수 있다.
세포의 운명을 결정하는 단백질 - Cki Wnt 신호경로는 발생학적으로 중요한 신호경로이며, 여러 단계의 단백질간의 상호작용을 통해 형질발현을 조절함으로써 발생과정을 조절한다. casein kinase I (CKI)이라는 단백질이 Wnt 신호경로를 구성하고 있다는 사실을 확인하였는데 이를 통해 세포의 운명과 성장을 결정하는 메커니즘을 좀 더 명확하게 이해하게 되었을 뿐만 아니라 발생과정에 영향을 줌으로써 암과 같은 질병을 치료하는 것도 가능하게 되었다. Wnt 신호는 세포 표면에 있는 수용체를 통해 내부로 전달되어 Wnt 경로를 차단하는 단백질들의 활성을 억제한다. 그러면 그 단백질은 형질발현을 조절하는 단백질과 결합하여 핵으로 들어한 후에 목표 유전자들의 형질발현을 조절하게 된다. 어떤 연구팀에 의해 개구리를 이용한 실험을 통해 CKI가 Wnt 경로의 구성요소임을 발견하였다. 특히 CKI는 Wnt 신호가 세포 내부로 들어가서 Wnt 경로를 차단하는 단백질의 활성을 억제하기 전 단계에서 작용하는 것으로 밝혀졌다. CKI은 단백질에 인산기를 첨가하여 단백질의 활성을 변화시키는 효소인 것으로 알려져 있었지만 그 생물학적인 역할은 수수께끼로 남아있었다.
만약 개구리 배에 CKI를 추가로 더해주면 척추 축이 추가로 형성되어 두 개의 몸체를 가진 쌍둥이처럼 발생하게 된다. 그리고 자외선을 조사하여 척추 축을 파괴한 후에도 CKI를 주입하면 척추 축이 다시 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 선충을 이용한 실험에서는 CKI 활성을 억제하면 Wnt 신호를 제거한 것과 동일한 형태의 비정상적인 선충이 만들어짐을 보여주었다. Wnt 경로는 동물의 정상적인 발생에 결정적인 역할을 하고 있으며 여러 가지 암에서 Wnt 구성요소들의 돌연변이가 확인되고 있다. 따라서 이 경로를 명확하게 되면 암을 치료하거나 예방할 수 있는 방법들을 강구할 수 있게 될 것으로 기대된다.
노화조절 메카니즘 : daf-2 , daf-16 선충의 수명이 생식기관으로부터 나오는 신호에 의해 결정된다는 연구결과가 나왔다. 연구결과에 의하면 사람의 정자와 난자에 해당하는 배세포에서 만들어내는 신호는 선충의 수명을 단축시키는 반면, 배세포를 둘러싸고 있는 생식조직의 일부인 생식선 (somatic gonad)으로부터 나오는 신호는 수명을 연장시킨다고 한다. 이러한 사실은 사람의 노화과정을 이해하는 연구하는데 새로운 시각을 제공해주고 있다. 연구팀은 이전의 연구에서 선충으로부터 DAF-16과 DAF-2라는 두 유전자를 발견하였다. 이 두 유전자는 선충의 노화를 조절하는데 관여하는 것으로 밝혀졌었는데 이들이 사람의 인슐린과 IGF-1 호르몬 수용체와 유사한 체계를 구성하고 있었기 때문에 사람의 경우에도 유사한 노화조절 메커니즘이 있을 것으로 추측되고 있다. DAF-2 수용체는 인슐린이나 IGF-1과 유사한 펩티드호르몬으로부터 신호를 전달받아 세포의 수명을 연장시키는 DAF-16의 활성을 억제한다. 따라서 DAF-2 유전자에 돌연변이가 일어나면 DAF-16 활성이 증가하여 선충의 노화과정이 두 배 이상 지연된다. 그래서 배세포로부터 나오는 신호물질은 DAF-16 활성을 억제하여 수명을 단축시키고 반면에 생식선에서 나오는 신호물질은 DAF-2로부터 나오는 신호물질을 억제하여 수명을 연장시킨다는 사실이 발견되었다. 이들 두 생식기관에서 방출되는 신호물질들은 DAF-16과 DAF-2처럼 서로 상반되는 작용을 함으로써 적절한 수명을 결정해준다. 또한 DAF-2/DAF-16 시스템은 음식물이 제한되어 있을 때 선충이 일종의 동면상태로 들어가도록 하는 역할을 지니고 있다는 사실도 밝혀졌다. 이와 같은 사실들은 수명이 고정된 것이라기 보다는 호르몬들간의 상호관계에 의해 변화될 수 있는 것임을 시사해준다. 아마도 생식세포의 발달에 영향을 주는 요인들은 아마도 동물의 수명에 영향을 줄 수 있을 것이다. 예를 들어 동물의 배세포 발생이 지연되는 경우에는 배세포로부터 나오는 신호가 약화되어 DAF-16 활성이 높아지고 동물의 수명은 길어질 수 있는 듯하다.
유전학적으로는 남자가 여자보다 더 오래 산다 전통적으로 여성이 남성에 대해 가지는 이점 중의 하나는 오래 산다는 것이다. 그러나 영국의 한 유전학자는 원래는 남자가 여자에 비해 더 긴 수명을 가지고 태어난다고 주장하고 있다. 그의 말에 따르면 남성은 끊임없이 성행위를 추구하기 때문에 여성보다 빨리 죽는다는 것이다. 암수 중의 한 쪽이 더 긴 수명을 가지는 거의 모든 종--벌레, 고양이, 사람에 이르기까지--의 경우, 암컷이 더 긴 수명을 누리게 된다. 과학자들은 이 현상을 여성들의 우월한 '체질적인 우수성'에 원인을 돌리고 있다.
그러나 선충을 대상으로 한 연구는 수컷이 원래 암컷보다 더 오래 살도록 되어 있다는 결론을 내리고 있다. 예쁜꼬마선충은 수컷이 거의 없고 대부분이 자가생식을 하는 자웅동체(본질적으로는 자가수정을 위해 적은 수의 정자를 만들어 내는 암컷)이다. 수컷 선충류들을 한군데 모아두면 이들이 암컷과 같이 있을 때만큼도 살지 못하고 10일 후에 죽었지만 수컷 선충류들을 개별적으로 분리해 놓았을 때 이들은 암컷의 평균 수명인 16일보다 더 긴 20일간을 살아 있었다. 암컷들을 분리해 놓은 경우에는 아무 변화가 없었다. 그래서 수컷들이 제 수명을 채우지 못하고 죽는 이유가 수컷들이 과도하게 활동하기 때문이라는 결론을 내릴 수 있다. 인간도 예외는 아니다. 1969년 거세된 남자 619명을 대상으로한 연구에서 그들의 평균 수명이 정상적인 남자들보다 13.5년이 더 긴 것으로 밝혀졌다.
선충의 생체 시계 유전자 : clk-1 , clk-2 , clk-3 선충류에서 새롭게 발견된 유전자들이 노화가 유전시계에 의해서 타이밍이 맞추어진다는 것이 밝혀졌다. 이 유전자들에서의 돌연변이 조합은 벌레의 수명을 다섯 배나 늘였다.
그럼 장수의 비결은 무엇일까? 모든 생활사가 여유 있는 리듬으로 일어나며, 게으르고 편한 생활이 그 해답이다. 몬트리올, 맥길 대학의 두 연구자에 의한 연구에서 돌연변이가 일어났을 때 선충이 좀더 효율적으로 에너지를 사용하고 좀 더 느린 속도로 먹이를 먹고 수영을 하게 만드는 유전자들을 발견하였다. 그리고 이 돌연변이가 된 유전자들을 가지는 벌레들은 정상적인 것들보다 다섯 배나 오래 산다는 것을 알게 되었다. 심지어 어떤 벌레들은 정상 수명인 9일보다 훨씬 긴 2달을 살았다. 이것은 생체 내 시계가 가지 못하게 함으로서 벌레의 물리적인 활동 및 대사과정을 늦추는 것으로 보인다. 이는 생명이 유전적 시계를 따른다는 것을 보여주는 것이라 할 수 있다. 이것은 daf 유전자와 다른 기작을 보인다. 이 clk-1 유전자에서의 돌연변이는 선충의 각 세포가 천천히 분열하도록 하였고 전체 선충은 생활 cycle의 각 단계에서 좀 더 많은 사간을 소비하였으며 정상적인 것들보다 50%정도 오래 살았다. 게다가 성숙한 선충들은 더 자주 먹고 배설하며 정상적인 속도보다 더 천천히 몸을 흔들었다. 돌연변이 선충들은 이점을 제외하고는 정상 선충들과 차이점이 없었다. 이들은 정상체들이 하는 것과 똑같은 방식으로 음식 대사를 하였으나, 음식으로부터 에너지를 더 효율적으로 뽑아냈으며 단위시간당 좀더 작은 에너지를 사용하였다. 그리고 2개의 시계 유전자인 clk-2, clk-3 등이 발견되었다. 세 개의 유전자들에서 돌연변이 조합을 만들면 세 개의 시계유전자 중 2개에 돌연변이를 가지는 선충은 정상체 보다 4배 이상을 오래 살았다. daf-2 유전자와 시계 유전자들 전부에 돌연변이를 가지는 경우에는 정상체 보다 5배나 오래 사는 것을 관찰하였다. 여기서 수명의 증가는 생활자체를 느리게 함으로서 가능한 것으로 보인다. 이러한 유전자들은 대사과정의 속도들을 조정하는 것같이 보여지고 있다.
노화를 억제하는 유전자 발견 : mev-1 최근 생명과학분야에서는 많은 연구와 관심이 세포의 산화적 손상과 조직의 노화 현상에 집중되고 있다. 이러한 가운데 선충에 대해 연구한 결과 세포의 에너지생성과 이용에 중심적인 역할을 하는 세포소기관인 미토콘드리아로부터 노화를 억제하는 것으로 보이는 유전자(mev-1(kn1))를 발견, 주목을 끌고 있다. 호흡이나 기타 생물학적 과정에서 발생하는 부산물 중에서 특히 유해산소의 독성이 강한데 이 유전자에 이상이 생기면 유해산소가 발생, 세포 손상이 진행되어 결과적으로 일찍 죽게 된다는 것이다. 선충은 mev-1(kn1) 유전자에 돌연변이가 일어날 경우 높은 산소 농도에 과민반응을 나타낸다. 이들 연구진은 먼저 선충에 유해산소를 발생시키는 화학물질을 투여하여 빨리 죽는 선충을 분리하였다. 이들 선충의 수명은 산소 농도가 1%에서 60%로 증가함에 따라 극적으로 줄어들었으며 노화를 표시하는 마커(형광물질과 protein carbonyls)가 와일드 타입에서보다 많이 축적되는 것을 볼 수 있었다.
연구진들은 이러한 현상에 관여하는 유전자(mev-1)를 분리 확인하는 것에 성공하였는데 이 유전자는 미토콘드리아에서 에너지 변환을 하는 반응에 필요한 효소를 만들고 있음이 판명되었다. 즉 mev-1은 succinate dehydrogenase cytochrome b의 서브유닛(미토콘드리아에서 일어나는 electron transport chain(ETC)의 complexⅡ의 구성요소)을 만드는 유전자라는 것이다. 이 효소가 없으면 에너지변환반응이 진행되지 않을 뿐만 아니라 세포를 손상시켜 세포의 노화나 암으로의 진행을 촉진하는 유해산소를 증가시킨다. 또한 complexⅡ는 ETC중 전자를 succinate에서 ubiquinone으로 전달하는 단계를 촉매 하는데, 이 능력이 mev-1 변이 선충에서는 저하되어 있었다. 이로 인해 유해산소가 간접적으로 증가, 산소에 대한 과민성과 조로(早老)현상이 일어나는 것으로 보여진다. 이러한 연구 결과들은 mev-1 유전자가 산화적 스트레스에 대한 세포의 반응을 조절함으로써 노화 속도를 지배하고 있다는 것을 암시하고 있다. 유전자의 기능부전은 세포의 손상을 일으키며 이것이 결과적으로 노화로 이어진다.
인간에게도 비슷한 유전자가 존재하여 이 유전자의 이상으로 노화와 관련된 병이 일어날 가능성이 있다. 인간의 노화는 선충과 다르게 매우 복잡하고 여러 가지 요인이 복합되어 일어나는 현상이므로 이번 결과를 그대로 인간 노화과정의 규명에 적용하는 데는 무리가 있다. 그러나 이번 결과를 인간 노화의 많은 요인 중의 한 요인으로 하여 하나 하나 해명해 나가고 또한 인간에게서 같은 기능을 가진 유전자를 발견한다면 노화현상 규명에 많은 도움이 될 것이다.
인체설계 비밀의 문을 찾다 8년에 걸쳐 과학자들이 선충의 유전자 1만9099 개에 들어 있는 9700만 개의 염기쌍 구조와 순서를 완전히 해명해 다세포동물의 유전자 프로그램을 처음으로 이해하게 되었다. 이전까지 밝혀낸 생물 유전자는 대장균, 효모 등 10여종의 단세포동물로, 가장 큰 게 1200만개의 염기쌍을 지닌 곰팡이였다. 선충은 몸길이가 1mm 정도로 땅 속에서 썩은 식물을 먹으며 2∼3 주 정도 사는데, 생물학적으로 인간 세포와 매우 비슷하다. 전체 유전자 가운데 40%가 인간과 같고, 지금까지 밝혀진 인간 유전자 5천 개 가운데 75%가 선충에 들어 있다. 몸의 기능도 인간과 매우 닮았다. 유전자 수만 인간보다 적을 뿐, 고등생물의 기능을 거의 할 수 있는 신체구조를 지니고 있는 것이다. 그래서 과학자들은 인간 게놈 프로젝트와 난치병 치료에도 기여할 것으로 내다보고 있다. 이미 생물의 수명에 영향을 미치는 장수 유전자를 선충에서 찾아내, 유전자 조작으로 그 수명을 배로 늘리기도 했다. 그래서 인간의 수명을 연장할 방법도 선충에 배울 수 있을 것으로 기대되고 있다. 최근 국내 연구진들은 흙 속에 사는 예쁜꼬마선충을 이용하여 돌연변이체를 만들어 열에 약한 개체를 얻어내었고 또한 열에 강한 개체를 얻어내려고 연구를 진행하고 있다. 그리고 찾아낸 돌연변이체에서 돌연변이가 일어난 염색체상의 부위의 염기 서열을 분석하고 정상 개체와 상동성을 분석하여 결과적으로 어떠한 인자들이 스트레스 특히 열에 대한 저항성과 관련이 있는지를 조사 할 예정이다.
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