DNA 메틸화(DNA methylation>==>>개념& 유전자 조절 비밀

DNA 메틸화(DNA methylation), 

 

DNA 메틸화(DNA methylation)란, 고등 생물의 발달에 매우 중요한 생화학적 프로세스이다. 

그것은 한 메틸기를 시토신 피리미딘 고리의 5번째 위치에 추가하거나 아데닌 퓨린 고리의 숫자 6 질소에 추가하는 것을 포함한다(시토신과 아데닌은 DNA의 네 가지 염기에 속한다). 이 변화는 세포 분화를 통해서 유전될 수 있다.

DNA 메틸화는 일반적인 유기체적 진화와 세포적 변이를 위해 결정적 부분이다. DNA 메틸화는 안정적으로 세포에서 유전자 표현형을 변화 시킨다. 그래서 세포는 "그들이 어디에 원래 있었는지 기억하는 것" 또는 유전자 표현형을 감소시키는 것을 할 수 있게 된다. 

예를 들면, 태아가 발현하는 동안 이자섬(pancreatic islets)으로 남도록 프로그램된 세포들은 유기체의 일생 동안 그들이 이자섬으로 남아 있도록 지속적인 신호를 보내지 않더라도 이자섬으로 남아있는다. 

DNA 메틸화는 일반적으로 접합자(zygote, 쉽게 말해서, 사람으로 치면 정자와 난자가 합쳐진 형태) 생성 과정에서 사라지고, 발현 과정에서 차후의 세포 분화를 통해서 다시 생성된다. 하지만, 가장 최신의 연구는 접합자에서 메틸 그룹이 사라지는 것보다는 수산기화(hydroxylation)가 되는 것을 보인다. 몇몇 유전자 표현형을 제어하는 메틸화 변화들은 유전될 수 있고 후성 유전적 제어라고 불린다.

추가적으로, DNA 메틸화는 시간이 지나면서 유전자의 주인에게 바이러스성 유전자들의 표현형과 다른 해로운 요소들로써 포함되어 온 것들을 억제한다. 

DNA 메틸화는 또한 기본적인 크로마틴 구조의 기초를 형성한다. 크로마틴 구조는 세포가 변경 불가능한 DNA 구조로 부터 다세포의 일생을 위해 요구되는 다양한 특성을 형성할 수 있도록 해준다. DNA 메틸화는 또한 거의 모든 종류의 암의 발현에 매우 중요한 역할을 한다.

시토신의 5번 위치에서의 DNA 메틸화는 유전형을 줄이는 특별한 효과를 가지고 잇고, 실험된 모든 척추동물에서 발견되어 왔다. 몇몇 성인 체조직(somatic tissue)에서, DNA 메틸화는 전형적으로 CpG 디뉴클레오티드 상태에서 나타난다. non-CpG 메틸화는 태아 줄기 세포에서 주로 나타난다.

유전자가 똑같은데 둘의 외모·질병 왜 달라지는 거죠?

21년간 3500쌍의 기록… 세계 최대 英‘쌍둥이 연구소’ 일란성 쌍둥이의 비밀 파헤치다

영국에 사는 60대의 바버라와 크리스틴 올리버는 일란성 쌍둥이다. 이들은 1990년대 초반 다른 수십 쌍의 쌍둥이들과 함께 런던 킹스칼리지에 새로 설립된 한 연구소를 찾았다. 쌍둥이들은 연구소에서 피를 뽑고, 골밀도를 계산하고 폐기능을 평가받았다. 

엑스레이 촬영과 전신 자기공명영상(MRI), 세심한 심리테스트도 이어졌다. 이들의 신체에 대한 모든 것은 이런 식으로 매년 한 번씩 기록됐다. 다음 달 21주년을 맞는 세계 최대의 이 ‘쌍둥이 연구소’에는 지금까지 3500쌍의 쌍둥이, 7000명에 대한 기록이 차곡차곡 쌓이고 있다. 

▲ 영국 킹스칼리지 쌍둥이 연구소에서 지난 21년간 연구한 실제 일란성 쌍둥이들.

어린아이들은 누구에게나 쉽게 주목받는다. 귀엽다거나 예쁘다는 찬사가(설사 그렇게 생각하지 않더라도) 끊이지 않는다. 하지만 가장 큰 관심을 받는 것은 단연 쌍둥이다. 쌍둥이는 생물학과 의학을 연구하는 학자들에게 있어서는 ‘축복받은 연구대상’이기도 하다. 

1900대 중반 ‘유전자’(DNA)가 발견된 이후 학자들은 유전자의 신비를 밝히는 것이 곧 생명의 신비를 밝히는 일이라고 생각했다. 하지만 이에 대한 가장 큰 반박이 바로 ‘쌍둥이’, 특히 ‘일란성 쌍둥이’였다. 하나의 배아가 둘로 나뉘어 자란 일란성 쌍둥이는 모든 유전자가 정확히 일치한다. 만약 유전자가 생명의 모든 것을 설명한다면, 이들은 겉으로 보이는 신체조건이 같은 것처럼 같은 병을 앓아야 한다. 하지만 현실은 그렇지 않다. 쌍둥이의 인생은 마치 전혀 다른 사람처럼 차이를 보이게 마련이다

킹스칼리지 쌍둥이 연구소 창립자이자 소장인 팀 스펙터 교수는 원래 백내장이나 관절염 등 나이가 들면 생기는 ‘퇴행성 질환’을 연구하고 있었다. 당시 퇴행성 질환은 나이를 먹으면서 신체 기관이 마모된 당연한 결과라는 것이 정설이었다. 스펙터는 연구소 창립 21주년을 앞두고 열린 기자회견에서 “어떤 사람들은 이른 나이에 이런 질환에 걸리고, 어떤 사람들은 그렇지 않은지가 궁금했다”면서 “일란성 쌍둥이를 비교하면 유전자와 환경 중 어느 쪽이 질병에 더 큰 영향을 미치는지 알 수 있을 것으로 생각했다”고 설명했다. 

쌍둥이를 키우는 부모들은 어린 시절 두 아이를 똑같이 보이게 하기 위해 애쓴다. 입는 옷이나 교육법, 먹는 음식까지 대부분 동일하고 이는 아이들의 어린 시절을 지배한다. 하지만 사춘기에 접어들면 쌍둥이의 길은 갈리게 마련이다. 같은 여자 쌍둥이라고 해서 모두 짧은 치마를 좋아하는 것은 아니고, 자신감이나 일에 대한 취향도 달라진다. 스펙터의 연구에서 쌍둥이 중 상당수는 얼핏 보이는 겉모습과 달리 키나 몸무게 등 외모에서 차이를 보이고, 심지어 쌍둥이들이 같은 질병으로 죽는 경우는 거의 없었다. 

지난 21년간 이 연구소에서 얻어진 결과물은 유전자와 질병에 대한 학자들의 고정관념을 송두리째 바꿔놓았다. 1953년 왓슨과 크릭의 ‘DNA 구조 규명’이 ‘유전학의 시초’라고 불리는 것처럼, 스펙터의 연구는 ‘현대 유전학의 시초’로 불린다. 

2000년까지만 해도 학자들은 선천적 질병이 한 가지 유전자의 변이에 의해 발생한다는 확신을 갖고 있었다. 분자유전학이 발달하면서 선천성 낭포성 섬유증, 헌팅턴 무도병, 근위축증(루게릭병) 등의 원인 유전자를 발견했다는 발표가 하루가 멀다 하고 쏟아졌다. 하지만 스펙터의 쌍둥이 연구는 이런 연구의 90% 이상이 ‘쓰레기’라는 증거를 제시했다. 심지어 거짓으로 판명난 연구 중에는 스펙터 스스로 과학저널 ‘네이처’ 표지에 실었던 ‘골다공증 유발 유전자 규명 연구’도 포함돼 있었다. 

스펙터의 쌍둥이 연구는 ‘쌍둥이가 어떻게 같은가’라는 기존의 접근 방식 대신, ‘쌍둥이는 무엇이 다른가’에 초점을 맞췄다. 한쪽이 질병이 발생했다면 그들의 유전자가 어떻게 달라져 있는지를 면밀하게 살폈다. 

스펙터는 “비만처럼 흔하지만 다른 형태로 나타나는 질환의 경우에는 10여개의 유전자가 관여돼 있을 것으로 생각했지만, 연구가 진행되면서 점차 늘어 현재 550여개가 알려져 있다”면서 “수많은 유전자들이 상호작용하면서 동일한 유전자를 갖고 있더라도 사람마다 서로 다른 연령대에 질환을 발병시키는 것”이라고 설명했다. 쌍둥이 연구소의 연구에 따르면 유전자는 각 개인이 한 가지 질환에 걸리는 이유 가운데 고작 0.1%만을 설명할 수 있다.

 대부분의 유전자는 특정한 상황에서만 발생하며, 같은 유전자를 가져도 평생 발현되지 않는 경우가 많다. 이를 ‘잃어버린 유전성’이라고 부른다. 질병을 일으키는 유전자는 아주 특이한 상황에서 각기 다르게 나타난다. 일란성 쌍둥이 두 사람이 심장병에 걸리는 확률은 30%지만, 류머티즘성 관절염은 15%에 불과하다. 

연구팀은 4년 전 ‘왜 쌍둥이는 자라면서 전혀 다른 인생을 살고, 다른 병이 생길까’에 대한 답을 ‘후성유전체’에서 찾았다. 

후성유전체는 환경 변화로 인해 유전자의 행동이 변하는 생체 작용이다. 세포 안쪽을 떠다니는 ‘메틸’이라는 화학물질이 DNA에 달라붙으면서 일어나는 ‘메틸화’가 원인이다. 메틸화가 일어나면 몸속에서 유전자의 활동이 억제되거나 약해질 수 있다. 

특히 메틸화는 생활 방식이나 기호에 따라 다양한 형태로 나타난다. 다이어트, 질병, 노화, 환경호르몬, 화학물질, 흡연, 약품 등이 메틸화의 주 원인이다. 결국 동일한 유전자를 가진 일란성 쌍둥이도 메틸화를 통해 전혀 다른 사람처럼 변해갈 수밖에 없다는 것이다. 

스펙터 교수는 “통증을 참는 정도가 다른 일란성 쌍둥이나 우울증, 당뇨, 유방암을 가진 일란성 쌍둥이를 대상으로 메틸화를 측정해 본 결과 상당한 유전적 차이가 진행됐다는 것을 발견했다”면서 “쌍둥이 중에서도 한쪽은 병을 일으키는 특정 유전자가 켜져 있고, 한쪽은 유전자가 꺼져 있다는 것이 분명해졌다”고 설명했다. 

쌍둥이가 각각 겪는 경험이나 사고방식 역시 그들의 삶을 달라지게 한다. 쌍둥이들은 정신적 공감대를 형성하고 있는 경우가 많고, 대부분 한쪽이 결혼하면서 유대관계에 이상이 생긴다. 한쪽이 먼저 결혼하면 다른 쪽은 상실감에 빠지고 질병을 일으키는 유전자가 켜질 가능성도 커진다. 실제로 먼저 결혼한 쌍둥이보다는 나중에 결혼하거나 결혼하지 않은 쪽에서 질병이 발생하거나 이혼할 확률이 높다는 조사결과도 있다. 

박건형 기자 kitsch@seoul.co.kr

 [획득형질도 유전된다]

조현욱
객원 과학전문기자
코메디닷컴 미디어본부장

당신이 어릴 때 겪은 영양실조, 커서 피우게 된 담배는 후손의 유전자에 영향을 미칠 수 있다. 후천적으로 획득한 형질이 후손에 전해질 수 있다는 말이다. 과학자들은 이를 ‘후성(後成)유전’이라 부른다. 유전자 자체(DNA 염기서열)는 변화가 없지만 유전자를 켜고 끄는 스위치에 변화가 생겨 이것이 후손에게 유전되는 현상을 말한다.

　2009년 ‘계간 생물학 리뷰’ 여름호는 이를 뒷받침하는 사례 100여 건을 분석한 논문을 실었다. 이에 따르면 특정 화학물질에 노출된 초파리의 후손은 13세대에 걸쳐 눈에서 뻣뻣한 털이 자라났다. 

임신한 들쥐를 번식 호르몬에 영향을 미치는 화학물질에 노출시켰더니 그 후손은 대대로 병에 걸려서 태어났다. 스웨덴의 추적 연구에 따르면 대기근의 시기에 사춘기 직전의 몇 년을 보냈던 남성은 손자가 심장질환으로 사망할 위험이 특히 높은 것으로 나타났다. 논문은 “후성유전은 박테리아·원생생물·곰팡이·식물·동물 등 모든 생물에게 일어나는 보편적 현상”이라고 결론지었다.

　

후성유전을 일으키는 대표적 요인은 DNA 메틸화다. 염기서열의 특정 부위에 메틸기(CH3:메탄에서 수소 원자 한 개가 빠진 것)가 달라붙는 것이다. 그러면 해당 유전자의 발현에 영향을 미친다. 대체로 스위치가 꺼지는 경향이 있다. 문제는 이것이 후손에게 전해질 방법이 있느냐는 것이다. 

정자와 난자가 만들어지는 과정에서 그 영향은 모두 지워지는 것으로 알려져 있기 때문이다. 하지만 반드시 그렇지는 않다는 연구 결과가 지난 25일 ‘사이언스’ 저널에 발표됐다. 영국 케임브리지대 연구팀은 생쥐의 원시생식세포-앞으로 정자와 난자가 될 세포-를 발생 단계별로 추출, 분석했다. 그 결과 메틸기는 세포분열이 거듭되는 과정에서 수산화메틸기로 변하면서 계속 희석되다가 결국 사라지는 것으로 나타났다. 이 같은 메커니즘은 처음 확인됐다.

　

연구팀은 또한 메틸화 중 극히 일부(1% 이내)는 이 과정을 피해서 난자나 정자에 전달된다는 사실도 확인했다. 후성유전을 실제로 일으킬 수 있는 메커니즘이 분자 수준에서 처음 확인된 것이다.

두려운 사실은 외부 환경과 생활 습관 모두가 유전자의 스위치가 꺼지고 켜지는 데 영향을 미친다는 점이다. 이 같은 영향 중 일부는 1, 2세대 이상 유전될 수도 있다. 건강에 주의하면서 살아야 할 이유가 또 하나 생긴 셈이다.

·코메디닷컴 미디어본부장