서론

  최근 주변이나 매체를 통해서 종종 ‘MBTI가 뭐냐?’ 라는 물음을 접하곤 한다. 필자는 MBTI(Myers-Briggs Type Indicator)에 대해서 자세하게 논할 수 있는 ‘성격 유형 분석’의 전문가는 아니지만, 단순하게 이해한 바로는 이 테스트의 목적이 우리 몸에 각인된 고유하고도 다양한 성격을 그룹화해서 ‘개인의 고유성을 이해하자’ 라고 하는데 있을 것이라고 본다. 어떤 생물학자들은 개인에 각인된 고유성, 다양성을 단순히 16가지로만 그룹화하는데 반감을 갖을 수도 있겠지만, 필자는 4가지 (혈액형 분석)에서 16가지로 좀더 세분화함으로써 다양성 분석에 진보를 보이고 있다는 측면에서 오히려 ‘흐뭇한’ 느낌마저 든다. 그렇다면 ‘다양한 성격(개인의 고유성)’은 바뀔 수 있는 것일까? 보통 대사산물인 호르몬의 변화를 통해 잠시동안 변화하는 감정의 기복을 ‘성격’과 결부시키지는 않을 것이다. 필자의 견해로 ‘성격’의 표현형은 각 개인에 각인된 ‘고유한 설계도’와 주변 환경에 영향을 받는 ‘설계도 기반으로 작동하는 생산시설’을 통해 나오는 결과물일 것이라 본다. 여기서 고유한 설계도는 개인의 유전자, 그리고 생산시설은 유전자 발현 체계일 것이므로 유전자와 유전자 발현 체계에 변화가 생긴다면 성격도 바뀔 수 있을 것이다. 요즘 같은 팬더믹(Pandemic) 시대의 화두인 ‘바이러스’가 진화에 미치는 영향력 또는 생식을 통한 유전체의 다양성 생산 같은 거시적 측면을 제외하고 본다면, 모든 단일 유기체는 생명 현상의 설계도인 우리의 유전자, 이 ‘DNA’가 변경되지 않게 유지하거나, 설계도에 따른 정확한 생산물들이 만들어지고 또한 정상 기능을 유지할 수 있게 하는 등의 보호 메커니즘인 유전체 유지기전(Genome maintenance mechanism)을 보유하고 있다. 하지만 이런 보호 메커니즘에 변화가 생긴다면 ‘성격의 변화 역시 가능하지 않을까?’ 라는 추측을 해 볼 수 있을 것이다. 하지만 정작 ‘보호 메커니즘의 변화, 또는 비정상적인 작동’의 측면을 바라볼 때 중요하게 여겨야 할 문제는 이 변화로 발생될 수 있는 다양한 질병에 우리가 맞닥뜨릴 수 있다는 것이다[1].
일반적으로 단일 유기체는 DNA의 무결성 (Integrity) 및 정상적인 유전자 발현 (Gene expression)체계 유지 같은 보호 메커니즘을 가동하면서 유전체 불안정성 (Genome Instability)의 결과물로 나타나는 자가면역 장애, 신경퇴행성 질환, 그리고 암 등과 같은 질병으로부터 스스로를 보호한다. 지금도 생명현상을 연구하는 수많은 연구자들이 질병 극복을 위하여 질병 발생의 핵심 요인인 유전체 불안정성 유도 인자를 찾기 위해 노력 중이며, (비)정상적인 유전체 유지 기전에 관여하는 ‘DNA, 단백질, RNA, 그리고 그들 간의 상호작용’이라는 후성유전학(Epigenetics)적 관점에서 여러 연구를 진행하고 있다. 필자 역시 그들 중 하나로 이번 논단에서는 ‘DNA와 단백질 간의 상호작용’에 사용되는 중요인자 중 하나인 ‘대사산물(Metabolite)’을 중심으로 이들이 어떤 방식으로 유전체 유지 기전에 사용되는지, 그리고 질병, 특히 노화 및 종양 형성 과정과 연계된 세포 대사의 변화가 어떻게 유전체 유지기전에 영향을 미칠 수 있는지 논하고자 한다.

본론

  세포 안에서 일어나는 다양한 과정들을 효과적으로 조절하기위해서는 DNA가 포함된 염색질(Chromatin)이 아주 정교하게 그리고 역동적으로 재배열(Dynamic reorganization)되면서 유전자 발현 체계가 작동되어야 한다. 최근 연구들에 따르면, 염색질의 구조적 변화는 단순히 유전자 발현조절이나 DNA 무결성 유지에서 그 역할을 할 뿐만 아니라 DNA 이중나선 결손 (DSBs, DNA double-strand breaks)과 같은 손상된 유전체에서도 직접적으로 관여한다는 것이 알려졌다[2-4]. 손상된 진핵생물의 DNA 복구과정에 참여하는 다양한 인자를 받아들이기 위해서는 이런 염색질의 구조적 변화는 당연한 필요조건일 것이다. 염색질을 구성하는 단위체인 뉴클레오좀(Nucleosome)은 H2A, H2B, H3, 그리고 H4라는 히스톤 단백질(Histone protein)들로 구성되며 한 개의 H3-H4 이종사량체(heterotetramer)와 두개의 H2A-H2B 이종이량체(heterodimer)의 조합으로 히스톤 팔량체(Octamer)를 이루고, 이 히스톤 복합체를 약 146-147 bps(base pairs)의 DNA가 감싸고 있는 형태를 말한다. 여기에 더해 각 뉴클레오좀 사이를 H1이라는 히스톤 단백질이 결합하여 DNA가 보다 더 응축되게 하는 형태를 취하고 있다. 다양한 요인에 의해 DNA에 손상이 발생한 경우, 복구를 위해서는 복구 인자들의 접근이 용이하게 하게 위해 응축된 염색질 구조가 해체되고 재배열될 필요가 있는 것이다. 이 과정은 DNA와 히스톤 단백질의 변화를 매개하는 후성유전학(Epigenetic)적 조절 과정들을 통해 이루어 진다[5, 6]. 후성유전학적 조절기전에는 1) DNA상 사이토신(Cytosine)과 구아닌(Guanine)의 비율이 많이 존재하는 CpG(Cytosine-phosphate-Guanine) island 부위의 메틸화(Methylation) 여부; 2) 히스톤 아세틸화(Acetylation), 메틸화(Methylation), 인산화(Phosphorylation), 유비퀴틴화(Ubiquitylation), 수모일화(Sumoylation), 그리고 ADP 리보실화(ADP ribosylation) 등을 포함하는 히스톤 단백질의 변화[7]; 3) 비암호화 RNA에 의한 유전자 발현조절 등이 있는데, 이 조절 기전들은 대부분 DNA 손상을 복구하는 과정과도 밀접하게 관여하고 있다고 알려져 있다[2-4, 6].
  염색질의 구조적 변화에 관여하는 많은 단백질들은 그들의 활성화를 위한 보조인자 혹은 기질로써 대사산물(Metabolite)들을 필요로 한다. 여러 연구들을 통해 우리는 노화나 암과 같은 질병에서 물질대사의 변화가 일어나고 이는 결과적으로 대사산물의 활용성 변화를 초래한다는 것을 알고 있다[8, 9]. 이를 통해 미루어 노화 혹은 질병과 연관된 대사 이상은 결과적으로 염색질의 기능 혹은 구조 변화를 유도함으로써 DNA 손상 및 복구 과정에 영향을 줄 것이라는 합리적인 가설을 세울 수 있을 것이다. 그렇다면 대사산물이 DNA 손상과 복구과정과 관련되어 어떻게 염색질 변화에 관여하는지, 궁극적으로 물질대사작용의 변화에 의한 이들의 양적변화가 어떻게 유전체 안정성에 영향을 미칠 수 있는 지에 대해서 조금 더 자세하게 다루고자 한다.

염색질 구조 변화의 매개체인 대사산물

   세포는 다양한 물질대사를 활용하여 에너지를 섭취하고 사용하면서 스스로의 생존과 성장을 유지하고 조절한다. 진핵세포의 경우, 영양소로부터 에너지를 생산하는 가장 효율적인 수단으로 산화적 대사(Oxidative metabolism)를 이용하는데, 이 과정은 대부분 미토콘드리아에 있는 트리카르복시산 회로 (Tricarboxyclic acid (TCA) cycle)를 통해 이루어진다. 포도당이나 지방산 등으로부터 나온 대사산물인 피루브산(Pyruvate)은 TCA 회로를 거쳐 이산화탄소로 산화되는데, 이 과정 동안 아데노신 트리포스페이트(ATP)와 환원된 형태의 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드(Nicotinamide Adenine Dinucleotide, NADH) 및 다이하이드로플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(Dihydroflavin Adenine Dinucleotide, FADH2) 같은 환원인자들이 생성된다. 또한, NADH에서 NAD+로, FADH2에서 FAD로의 순차적 산화가 발생하고 산화적 인산화(Oxidative Phosphorylation) 및 전자 수송 사슬(Electron Transport Chain, ETC)을 통해 ATP 생성을 촉진한다. 이 외에도 ATP와 NADH는 해당과정(Glycolysis)을 통해 포도당에서 직접 생성될 수도 있다[10]. 에너지 생성을 위한 대사 이외에도 세포는 세포 성장에 필요한 대사산물이나, 여러 효소 활성에 필요한 조효소 또는 기질 역할을 하는 대사산물을 적절하게 만들어 내는데[11], 이 과정은 주로 영양 과잉 상태에서 세포 성장을 유지하기 위해 호기성 해당 작용(Aerobic glycolysis)으로 전환 했을 때 보이는 현상이다. 이는 우리가 연구하는 종양에서도 많이 관찰되는 현상으로 Otto Warburg 박사에 의해 처음 기술되어 와버그 효과(Warburg effect)라고도 한다[8, 12]. 하지만 단순히 와버그 효과에서 설명하는 환경 변화에 적응하여 자연스레 발생하는 세포 대사의 변화가 물질 대사 변화의 전부를 대표하는 것은 아닐 것이다. 많은 노화 연구, 종양 발달과 같은 질병연구를 통해 세포 대사의 변화는 후성유전학적 유전자 발현 조절 또는 다른 예로 p53의 활성을 임으로 조절한 경우에도 관찰되고 있다[8, 9, 13, 14]. 따라서, 대사 산물의 활용도에 따른 염색질의 구조 변화가 오히려 DNA 손상 복구과정 등과 연계하여 노화 또는 종양 등의 질병을 발생시키는 역할을 할 수도 있을 것이라는 예측이 가능하다고 본다. 대사산물에 의해 매개되는 염색질의 구조변화는 주로 DNA와 히스톤 단백질 잔기에 다양한 변형 과정에서 확인할 수 있으며, 궁극적으로 DNA와 히스톤 단백질 사이의 상호 작용을 조절하여 뉴클레오좀의 구조 혹은 응축도에 영향을 주게 된다. 대사산물과 관련된 염색질 변형에는 아세틸보조효소A(Acetyl-CoA)에 의존적인 히스톤 단백질의 아세틸화(Acetylation), NAD+에 의존적인 히스톤 단백질의 탈아세틸화(Deacetylation), NAD+에 의해 매개되는 중합-ADP 리보실화(Poly-(ADP-Ribosyl)ation, PARylation), S-아데노실-L-메티오닌(S-adenosyl-L-methionine, SAM) 의존적인 히스톤 메틸화(Methylation) 또는 DNA 메틸화, 그리고 FAD/알파-케토글루타레이트(α-ketoglutarate, α-KG) 의존적인 히스톤 탈메틸화(Demethylation) 등이 있다(그림).

  먼저 히스톤 아세틸화는 히스톤 단백질 잔기(Histone residue)의 특정 위치에 아세틸기를 붙여 준 상태를 의미한다. 이 아세틸화는 히스톤 단백질 자체의 음전화(negative charge) 정도를 증가시키므로 결국 DNA와의 결속력의 저하와 관련이 있다. 히스톤 탈아세틸화는 일반적으로는 덜 응축된 형태의 염색질인 진염색질(Euchromatin)의 성질을 띄어 유전자 발현 활성에 관여하지만[7], 특정 히스톤 잔기의 아세틸화는 이와 반대의 작용으로 응축된 형태의 염색질인 이염색질(Heterochromatin)의 조합과정에 관여하기도 한다[15, 16]. 히스톤 아세틸화는 아세틸기 공여체로 acetyl-CoA라고 하는 대사산물을 사용한다. Acetyl-CoA는 포도당 혹은 아세트산염(Acetate)으로부터 생산되고, 이 과정에는 다양한 효소들 (ACLY, PDC, ACSS2 등)이 관여한다. 따라서, 현재의 (병리학적)영양 상태 혹은 관련 효소들의 발현 정도가 Acetyl-CoA를 매개로 진행되는 염색질의 구조 변형에 직접적으로 관여할 것임을 쉽게 추측할 수 있을 것이다. 일부 히스톤 탈아세틸화 역시 대사산물의 존재가 아주 중요하다. 히스톤 탈아세틸화 과정은 히스톤 탈아세틸화 효소(Histone deacetylase, HDAC) 그룹에 의해 매개되는데, 이 효소의 그룹 중 Class III 히스톤 탈아세틸화 효소인 시르투인(혹은 썰투인, Sirtuin) 단백질들은 NADH의 산화형 대사산물인 NAD+를 보조인자(cofactor)로 사용하기 때문에 NAD+의 활용 여부에 따라 그 활성이 조절될 것이다[17, 18]. 물론 시르투인 단백질들은 세포내에서 아주 다양한 곳에서 쓰이고 있지만, 유전자 발현조절이나 비교적 응축된 염색질 구조 유지 등의 측면에서 이들의 역할을 연구한 결과들로 미루어 보아 NAD+와 같은 대사산물의 활용 가능성 여부 역시 염색질 재배열 과정에 아주 중요한 역할을 할 것임을 짐작할 수 있다[19-21].
  염색질의 정교한 구성, 전사 과정, DNA 복제 과정, 그리고 DNA 복구 과정에서 아주 중요한 역할을 하는 PARPs(poly-(ADP-ribose) polymerases)도 (Poly)ADP-리보오스(ribose)를 히스톤 또는 비-히스톤 단백질 그리고 스스로에게 붙여주는 PARylation 과정의 보조인자로 NAD+를 사용한다. 특히, PARP 단백질은 스테로이드(Steroid)에 대한 노출, 열충격(Heat shock), 또는 유전독성 스트레스와 같은 환경에서 세포를 보호하기 위한 방안의 일환으로 염색질에 부착된 단백질에 ADP 리보실기를 붙여 이 단백질이 DNA로부터 떨어지게 만든다[22, 23]. 결과적으로 염색질이 느슨하게 개방되고, 그에 따른 전사 활성화가 촉진되게 하는 등의 방식으로 염색질 재구성에 직접 관여하는 것이다. PARP 단백질의 중요성만큼이나 NAD+활용 가능성 여부 역시 눈 여겨 봐야할 부분이다.
  아세틸화나 리보실화와는 다르게 DNA 또는 히스톤 단백질의 메틸화는 주로 전사 활성 억제 또는 보다 더 응축된 염색질과 관계가 있다. DNA 메틸화를 담당하는 DNMTs(DNA Methyl Transferases) 그리고 히스톤 단백질의 메틸화를 담당하는 HMTs(Histone Methy-Transferases) 모두 그들의 활성에 필요한 메틸기 공여체로 우리 몸의 대사산물 중 두번째로 많은 SAM을 사용한다. 메틸화 반응의 결과 SAM은 SAH(S-Adenosyl-L-homocysteine)으로 전환되는데, SAH는 다시 DNMT와 HMT 활성을 저해하는 강력한 억제제로 쓰이므로 지속적인 메틸화 활성 및 유지를 위해서는 SAH가 가수분해를 통해 아데노신(Adenosine)과 호모시스테인(Homocysteine)으로 제거되는 과정이 필수적이다. 결국 메틸화의 전반적인 과정은 대사산물인 SAM, SAH, 그리고 호모시스테인의 양적 변화에 아주 민감할 수밖에 없다[14, 24]. 특히, 이 과정을 통해 나오는 호모시스테인은 SAM으로 다시 변환되는 것 이외에, 산화적 스트레스 상황에서 완충제 역할을 하는 글루타티온(Glutathione, GSH)의 전구물질로 활용되기도 한다[25]. 여기에 착안하여 한 연구에서는 활성산소(Reactive oxygen species, ROS) 증가를 통해 GSH를 감소시킴으로써 호모시스테인이 부족한 GSH 생산을 위해서만 사용되게 만드는 환경을 만들었고 결국 이 환경이 SAM의 전체적인 양적 저하, 그리고 메틸화 효소 활성 감소를 유도한다는 것을 증명한 바가 있다[14]. 이는 특정 대사산물의 양적 변화 혹은 조절을 통해 염색질 구조 변화를 유도할 수 있다는 사실을 다시한번 시사하는 대목이다. 메틸화에 관한 초기 연구 이후 오랜 시간동안 메틸화는 회복할 수 없는 후성유전학적 표식이라고 생각되었지만, 최근의 연구를 통해 메틸화를 제거할 수 있는 단백질인 탈메틸화 효소들이 발견되었다. 최초로 발견된 탈메틸화 효소인 라이신 탈메틸화 효소(Lysine Demethylase1, LSD1)는 FAD를 보조인자로 활용하여 메틸화된 라이신(Methylated lysine)의 아민 산화(Amine oxidation), 그리고 FADH2로의 환원을 통해 메틸기를 제거하는데, 이 일련의 과정은 에너지 소비와 탈아세틸화 효소인 LSD1 활성 사이에 중요한 연관성이 있음을 제시하는 것이다[26, 27]. 또 다른 탈메틸화 효소인 JumonjiC(JmjC), 그리고 Ten-eleven translocation(TET)가 각각 히스톤 단백질의 탈메틸화와 DNA상의 메틸기 제거를 위해 TCA회로의 중간대사 물질인 α-KG를 보조인자로 활용하고 있다. 여러 연구를 통해 α-KG 생성에 중요한 효소인 isocitrate dehydrogenases1(IDH1)과 IDH2에 돌연변이(Somatic mutation)가 있는 경우 탈메틸화 효소들의 활성 감소로 이어진다 라는 것을 알 수 있었다[28, 29]. 이상의 내용들을 통해 알 수 있는 것은 세포의 성장 조건의 변화나 영양소 가용성 여부 또는 대사와 관련된 주요 효소의 돌연변이 등을 통한 세포 대사의 변화가 후성유전학적 조절기전에 밀접하게 관여하고 있다는 것이다.

DNA손상 복구와 연관된 염색질 구조 변화를 매개하는 대사산물

  우리의 몸을 구성하는 세포는 끊임없는 공격에 시달리고 있지만 정작 우리는 그것을 알지 못한다. 질병이라는 형태의 커다란 흉기가 되어 나를 위협할 때 비로소 당혹스러움과 함께 인지하게 된다. 세포에게 가장 큰 위협이 되는 공격 중 하나는 설계도의 파괴일 것이다. DNA의 손상, 그 중에서도 DNA의 이중나선의 파괴(DNA double-strand breaks, DSBs)는 DNA 복제 불능 상태를 초래하기 때문에 세포가 처할 수 있는 가장 위험한 상황 중 하나로 여겨진다. 하지만, 앞에서 언급했듯이 우리 세포는 이런 손상을 감시하고 복구하는 체계를 가지고 있기 때문에 일반적인 상황에서 이 손상을 크게 걱정할 필요는 없다. DSBs를 복구하기 위한 주요 체계로 우리는 상동재조합(Homologous recombination, HR)과 비상동 말단결합(Non-homologous end-joining, NHEJ)이라는 복구체계를 보유하고 있다. 일반적으로 HR은 자매 염색분체를 주형으로 사용하는 복사기능이 있어 오류 없이 DNA를 복구할 수 있지만, 복사해야 하는 주형 DNA 활용성 여부로 인해 세포 주기중 주로 S기와 G2기로 제한되어 운용된다. 이에 반해 NHEJ의 경우 복사를 위한 주형을 사용하지 않기에 세포주기 전반에 걸쳐 운용될 수 있으나, 오류를 검정하는 과정이 거의 없이 말단을 붙여주는 혹은 최소한의 절단을 통한 붙임 과정을 거치기 때문에 상대적으로 오류 발생 빈도가 높다[30, 31]. 지난 수년 동안의 여러 연구를 통해서 염색질 변화와 DNA손상 복구 기전 간에 중요한 연관성이 있음을 확인할 수 있었다. DNA복구에 관여하는 여러 인자들이 DNA에 쉽게 접근할 수 있는 환경이 갖춰져야 한다는 측면에서 DNA와 히스톤 단백질간의 결속 약화, 뉴클레오좀의 재배열, 이탈, 재결합, 그리고 뉴클레오좀의 성질을 변화시킬 수 있는 히스톤 변이체의 결합 및 교체 등과 같은 이러한 염색질의 구조적 변화는 꼭 필요한 것이다[6, 32, 33]. 이런 구조적 변화는 단순히 열린 구조의 염색질을 만드는 데 그치는 것이 아니라, 변형된 히스톤 단백질 자체가 복구 단백질과 직접 상호작용하며 ‘특정한 배만 들어가는 항구’의 역할을 하기도 한다. H2A 히스톤 단백질의 변이체인 H2AX의 인산화(γ-H2AX) 가 이를 설명할 수 있는 좋은 예이다. DSB으로 인한 DNA 손상반응(DNA damage response, DDR)이 개시되면 H2AX의 serine139 잔기가 여러 손상 반응 단백질들(ATM, ATR, DNA-PKcs)에 의해 인산화 되는데, 이 인산화된 형태의 H2AX인 γ-H2AX는 HR과 NHEJ에 관련된 핵심 단백질 모집에 중요한 역할을 하는 단백질인 MCD1과의 결합 친화성이 상대적으로 아주 높다. 여기에 더하여 특정 히스톤의 변형이 선별적으로 복구 인자를 선택하는 방식으로 DNA복구 과정에 연계되어 있다는 연구 내용들, 즉, 히스톤 변형과 DNA복구 과정 사이에 우리가 몰랐던 새로운 사실들이 계속해서 밝혀지고 있으며, 필자는 이 관계에 초점을 두고 그 사이에서 대사산물이 가진 역할의 중요성을 효과적으로 알리고자 아래 표에 특정 대사산물에 영향을 받는 염색질 변형인자, 그리고 DNA복구 과정에서의 영향 등에 관하여 정리하였다. (그림B, 표1)

결론

  대사산물의 활용도는 이를 관장하는 세포 항상성 유지기전의 미세한 변화에도 아주 민감하게 반응할 것이다. 정상 세포를 노화 혹은 암과 같은 병적 상태의 세포와 비교했을 때 항상성 유지기전에 뚜렷한 차이가 있음을 이제는 대사체의 차이를 보여주는 여러 연구들을 통해 확인할 수 있다. 결국 대사산물 활용도 변화를 통해 염색질의 구조 변경, 궁극적으로 유전체 보호기전의 결손 조절 등이 가능할 것이라는 가설을 세워 볼 수 있을 것이다. 필자는 현재 노화 및 질병 특이적 대사산물의 양적 변화와 DNA 복구 기전 사이의 연관성을 밝히기 위한 연구를 진행 중이다. 대사산물의 양적 변화를 위한 영양 가소성, 혹은 대사산물의 양적 변화에 직접적으로 관여하는 효소 등을 조절함으로써 DNA 복구 효율성 등이 얼마나 조절되는지를 확인하고, 궁극적으로 이들의 연관성 확인을 통해 노화 및 질병에 대한 이해도를 높이고자 하고 있다. 이를 위해서는 보다 더 많은 관련 연구를 통해 나이, 질병과 함께 동반되는 DNA 손상의 축적이나 전반적인 유전체 불안전성(Genome instability)이 대사산물의 효용성 변화를 통해 얼마나 개선될 수 있는지에 대한 광범위한 과학적 데이터 축적이 필요할 것이라 본다.