생명의 언어 (프랜시스 콜린스)

[miramonte]

생명의 언어

The Language of Life

프랜시스 콜린스 Francis S. Collins 1950~

「세계적인 유전학자이자 의사(M.D)이다. 미국 버지니아 대학 화학과를 졸업하고, 예일 대학 물리화학 박사학위와 노스캐롤라이나 대학 의학 박사학위를 받았다. 미시간 대학의 인간유전학 교수로 재직할 당시, 낭포성섬유종, 신경섬유종, 헌틴텅병과 같은 유전 질병의 유전자 결함을 발견하는데 기여했다. 1993년부터 15년간 미국 국립보건원 소속 인간유전체 연구소(HGRI. Human Genome Research Institure)의 소장을 맡았으며, 역사상 최초로 시도된 인간유전체연구사업(인간게놈프로젝트)을 이끌었다. 인간유전체연구사업에는 세계 6개국가의 2천 여명의 과학자들이 참여했으며, 2003년에 최초의 인간 유전체 지도 완성본을 발표했다. 현재 미국 국립보건원 원장을 맡고 있다. 2007년 미국 국가과학상을 수상했다. 저서로는 신의언어(the language of GOD)와 믿음(Belief)등이 있다.」

[서론]

미국 희귀병협회는 미국에서 20만명 이하의 사람들에게만 발병하는 것으로 정의된 희귀 질병의 수가 6.000개 정도 된다고 추정했다. 종합적으로 보면 2천 5백만 명의 미국인이 이런 희귀 질병들 중 하나에 걸린다고 한다. ~~~이렇게 때문에 휘귀 질병은 결론적으로 희귀하지 않다. 여기서 나는 진실을 제대로 공개하고자 한다.

지난 몇 년 동안의 폭발적 연구는 질병이 가족을 통해서 흐른다는 일반적인 관찰을 통해 많은 질병에서 예측 가능한 역할을 담당하는 아주 정확한 DNA변이를 발견했다. 그리고 이 변이는 미래에 나타날 한 개인의 발병 가능성에 대해서 더 정확하게 예측할 수 있게 해준다는 것이 알려지고 있다. ~~~예방에 대한 인식이 높은 개인이라면 유전 검사를 받아서 이러한 구체적인 정보로 힘을 가져야 한다고 역설하는 것이다. ~~~나는 가까운 친척들이 너무나도 건강한 사람들로 구성되어 잇어서 축복받은 사람이다.

내가 실시한 유전자 분석은 내DNA 가운데 1만 개의 자리를 검사하였다. 하지만 이것은 이제 시작일 뿐이다. 빠른 미래에, 곧 5~7년 만에 우리는 자신의 전체 DNA 염기서열, 곧 암호와 같은 30억 글자를 단돈 1,000달러에 모두 분석해서 그 데이터를 가질 수 있을 것이다.

회사들 중의 하나인 ‘트웬티스리앤미’ 사는 “오늘 지금 당신 자신의 DNA비밀들을 열어주세요”라고 소비자들을 재촉한다.

이 책은 혁명의 최전선에서 보내는 보고서이다. 또한 이 책은 당신 자신이나 가족들의 건강을 위해서 당신이 해야 하는 것을 적은 사용자 지침서이기도 하다.

[1장] 이미 일어난 미래

거의 모든 질병들의 유전적인 인자가 현재 DNA의 특정한 결함들로 지적되고 있고, 인간유전체연구사업이 달성된 이후에 굉장히 많은 수가 한꺼번에 알려지고 있는 추세다. 그 결과로 전차 건강한 사람도 자신의 몸속 비밀 가운데 일부를 알 수 있게 되어 그에 대한 실제적인 조치를 취할 수 있게 되었다.

새로운 천년이 시작되기 5개월 전 여섯 국가의 20개 연구소의 2,000여 명 이상의 동료들과 함께 우리는 인간 DNA지시종합서(DNA instruction book), 다른 말로 인간 유전체에 쓰여진 글자들을 거의 90% 이상 읽어내는 데 성공했다.

• DNA는 생명의 언어

지난 10년 동안의 발견들은 대부분 대중에게 잘 알려져 있지 않다. 고등학교 때 생물 시간에서 배우는 것을 완전히 뒤바꾸어놓은 발견들 말이다.

박테리아는 DNA를 가지고 있다. 맥주를 만들 때 넣는 효모도 DNA를 가지고 있다. 고슴도치도, 복숭아도 DNA를 가지고 있다. DNA는 모든 살아 있는 생명체의 보편적 언어이다.

한 생명체의 DNA전부를 유전체라고 하는 데, 유전체의 크기는 대략적으로 한 생명체가 가진 염기쌍의 숫자로 표현될 수 있다.

DNA는 아주 긴 사다리이다. 사다리의 양쪽의 뼈대는 당과 인산의 무미건조한 연속으로 되어 있다. 그런데 정보 내용은 이 사다리 양쪽 뼈대의 내부에 배열된 염기쌍에 존재한다. 염기 A는 언제나 염기T와 쌍을 이루고, 염기 C는 언제나 염기 G와 쌍을 이룬다. 가장 단순하면서 자유 유영하는 단세포 생물종 박테리아는 몇 백만 염기쌍 규모의 유전체에 자신들의 정보를 담고 있다.

인간 유전체의 DNA 사다리에는 31억 개의 염기쌍 가로대가 놓여 있다. 보통 대부분의 포유류 동물들에는 그보다 10억 개 정도 크든지 작든지 하는 비슷한 규모의 유전체를 가지고 있다. 또 많은 양서류도 인간보다 엄청나게 큰 유전체를 가진다. 단순한 식물종인 한 양치식물은 꽃, 열매, 잎과 같은 분화된 구조를 가지고 있지도 않는데도 인간 유전체보다 100배나 큰 유전체를 가지고 있다.

유전자는 DNA 사다리에서 기능 정보를 함유하는 부분이다. 가장 짧은 유전자는 그 크기가 몇 백 염기쌍 정도 된다. 가장 긴 유전자인 듀센근위축증 유전자는 DNA 사다리의 2백만 가로대를 점유할 정도로 길다. 가장 많이 알려진 유전자는 단백질을 암호화하는 유전자들이다. 이 과정은 첫 번째로 DNA의 RNA 판본을 만드는 것을 포함한다. 만들어진 RNA는 리보솜이라는 단백질 공장들이 존재하는 세포질로 운반된다.

세포질에서 RNA 암호로 된 철자들이 단백질에 사용되는 아미노산으로 번역된다. 이 번역은 세 가지 철자로 된 암호를 이용하여 수행된다. 예를 들어 RNA에서 AAA로 되어 있는 것은 아미노산 라이신을 암호화하고, AGA는 아르지닌을 암호화 한다. DNA에 오류가 있다면 그것은 당연히 RNA의 오류가 되고 그것은 다시 단백질의 혼동으로 이어진다.

인간유전체연구사업의 가장 놀라운 발견 중의 하나는 인간 유전체에 단백질-암호화 유전자가 불과 2만 개 정도라는 것이었다. 우리는 이보다는 훨씬 많을 것이라고 예상했었다. 심지어는 저 하급동물로 여기는 선충도 1만 9천 여개의 유전자를 가지고 있지 않은가.

유전자의 내부 구조를 면밀하게 살펴보면 인간의 유전자들 사이에는 나중에 단백질로 번역될 성숙한 RNA를 만들어내는 과정에서 떨어져 나갈, 혹은 이출(spliced out)될 상당히 긴 DNA정보들이 중간 중간에 끼어 있다. 평균적으로 인간 유전자는 이런 제거할 수 있는 서열들, 곧 개재부를 8개 정도 가지고 있다.

• 생명의 언어는 개인별 차이가 조금 있다

만약에 나의 DNA를 유럽, 아프리카, 아시아 누군가의 DNA와 줄 세워 비교한다면 평균적으로 1000개의 염기쌍 중에 4개의 염기쌍 정도만이 차이를 보일 것이다.

이러한 데이터를 집중적으로 살펴보는 집단 유전학자들은 지구상의 모든 인류가 10만 년 전 아프리카 동부의 약 1만 명의 창시자로 이루어진 공통조상 집단에서 유래했다고 추정하고 있다.

• 인간유전체연구사업(게놈프로젝트)을 넘어서

• 이 모든 것이 개인맞춤 의학과 어떻게 연결되나

미국의 모든 의학전문대학원 학생들은 새로운 환자를 진단할 때 가족력을 기록하도록 교육받고 있다. ~~~~가족력은 유전성과 공유된 환경에 대한 정보를 모두 포함하고 있기 때문에 수많은 빈발성 질병들에 대한 현재 사용 가능한 위험인자들 중에서 가장 강력한 인자로 판명되고 있다.

심장혈관질환을 가진 부모나 형제자매가 한 명이라도 있다면 당신은 같은 질병에 걸릴 확률이 2배로 증가한다. 만약에 이러한 일차 친족 중에 둘 이상에게 심장병이 있고 실제로 53세 이전에 그 질병이 발병하였다면 당신의 심장병 발병 위험도는 5배가 증가하게 된다.

• 새로운 패러다임

• 개인맞춤 의학은 이미 도래했다

[2장] 유전자가 잘못되었다면

• 우성, 열성 그리고 모두

유전학에 대한 희소식을 전한다면 몇 가지 원리들에 익숙해지면 여러 다른 상황들에도 그 원리들을 적용할 수 있다.

원리1. 인간은 모두 이배체이다. 우리의 생명 지시종합서 안에 있는 거의 모든 유전자는 아버지에게서 받은 한 판본과 어머니에게서 받은 다른 판본, 즉 두 개의 판 본을 가지고 있다. 유전자들은 염색체상에 보유된다. 염색체는 세포 분열의 어느 시점에 현미경으로 볼 수 있다.

원리2. 낭포성섬유종과 같은 열성 유전 질병에서는 질병이 개인에게서 발현되려면 원인 유전자의 양쪽 판본 모두가 절차오류 판본이어야 한다. 양쪽 부모 모두가 철자오류 판본을 자녀에게 전달해야만 질병이 나타난다. 이 경우 양쪽 부모 모두를 보유자라고 한다. 열성 질병인 경우 보유자는 완전히 정상이며 자신의 유전 상태를 지각하지 못한다. 보유자 부모의 자녀는 넷 중의 하나의 비율로 질병에 걸린다.

원리3. 우성 유전일 경우 질병에 걸리는 개인은 유전자의 한 판본이 정상 판본이고 다른 판본이 철자오류 판본일 때, 한 판본만 잘못 쓰여져 있어도 질병이 나타나는 데에는 충분하다.

원리4. 대부분 유전적 상태들의 유전은 열성과 우성이라는 단일 유전자성 유전처럼 단순하지가 않다. 대부분의 철자오류 유전자들은 질병에 걸릴 사전 경향이 존재하지만, 질병의 사전 결정을 형성하는 것은 아니다.

원리5. 당뇨병, 심장병, 암과 같은 거의 모든 빈발성 질병들에도 그 발병에 영향을 주는 유전적 성분이 있고, 한 가지 이상의 여러 유전적 위험인자들이 원인이 된다. 이러한 질병들을 다유전자성 질병이라고 한다. 그런데 이 유전적 위험인자들의 영향력은 개별적으로는 보통 아주 작은 편이라서, 다유전자성 질병이 생기려면 여러 유전적 위험인자들 중의 상당수가 적절한 환경적 자극과 함께 조합되어야 한다.

• 유전자로부터 치료?

유전 질병의 원인이 되는 특정한 돌연변이를 알아내는 것과 질병을 극복 하는 것은 서로 다른 문제이다.

• 식단이 당신을 살린다

유전자나 약물 치료법과는 달리 또 하나의 치료 방향은 환경적 접근법이다. 당신의 환경에서 가장 중요한 부분은 당신이 먹는 식품이다. ~~~일부의 경우에는 식단만 바꾸어도 질병의 영향을 정확하게 반대로 돌릴 수 있게 되었다.

• 누가 왜 당신을 스크리닝하는가?

• 신생아 스크리닝

• 보유자 스크리닝

• 선천성 결함을 진단하기 위한 산모 스크리닝

가까운 미래에는 선천성 기형을 찾기 위한 산모 스크리닝에 중대한 변화가 있을 것이다. 아주 획기적인 것으로는 산모의 혈액 속에서 태아 DNA를 스크링하는 것으로써 다운중후군과 같은 이상을 이전보다 훨씬 직접적으로 검사할 수 있게 될 것이다.

• 융모 표본 뜨기와 양수 천자에 의한 산전 진단

염색체 이상을 확실하게 밝히는 목적으로 지난 40년간 가장 흔하게 시행된 검사는 임신 16~20주 사이에 시도할 수 있는 양수천자라는 검사법이다. 이 방법에서는 주사바늘로 복부를 관통하여 태아를 둘러싸고 있는 액체(양수)의 일정한 양을 추출해낸다.

• 착상 전 유전 진단

[3장] 당신의 비밀을 스스로 알아야 할 때

• 유전체 속에 숨겨진 시한폭탄 찾기

유전체 혁명은 이제 빈발성 질병과 상태로 확장되고 있다. 당뇨병, 빈발성 종양, 심장병, 뇌졸중, 정신병 같은 빈발성 질병들은 단순한 유전 양상을 따르진 않지만, 그럼에도 불구하고 유전학적인 요소들이 많다. 이러한 질병들을 이해하려면 단일 유전자의 우성, 열성 모델보다 더 복잡한 유전 모델이 필요하다. 최근의 발견들은 다음과 같은 진술을 할 수 잇게 해 준다.

1) 모든 질병에 잇어서 구체적인 유전적 위험인자들과 환경적 위험인자들이 존재하고 이러한 인자들이 신속하게 규명되고 있다.

2)이러한 발견들은 치료뿐 아니라 예방에 효과적이고 새로운 통찰을 가져다 주고 있다.

3)이러한 유전학적 진보에 대해서 당신이 더 많이 알면 알수록, 자신의 생활방식과 건강검진을 관리하여 질병을 예방할 수도 있고, 조기 혹은 치료 가능 시기에 치료할 수도 있다.

• 첫 번째 성공 이야기 : 황반변성

• 발견의 홍수

• 유전적 위험인자를 알게 된다는 것의 의미: 당뇨병 이야기

제1 당뇨병(TID)은 사실상 ~~~인슐린을 분비하는 이자의 베타 세포를 공격하여 궁극적으로는 완전히 파괴시킨다. 이것은 보통 아동기에 많이 나타나지만 성인이 되어서도 나타나는 경우가 있다. TID는 보통 비만과는 상관없이 나타난다. 효과적인 치료를 위해서는 인슐린 주사를 맞는데, 이 질환의 일차적인 난관이 바로 인슐린 부족으로 생기기 때문이다.

제2 당뇨병에는 베타 세포에 대한 면역 세포의 공격이 없다. 대신 비만이 발병의 주된 기여 인자이다. 몸무게가 증가하게 되면 인슐린의 요구량도 증가하게 된다. 이자의 베타 세포는 이전보다도 더 많은 양의 인슐린을 만들어내라는 요청을 받고 결국에는 과잉작동하게 되어 요구량에 훨씬 못 미치는 양만을 생산하게 된다. 그렇게 되면 혈액 속의 포도당 수준이 올라가게 된다. 이러한 과정은 악순환을 불러일으켜서 증가된 포도당은 베타세포에 독성을 가지게 된다. 이에 따라 결국 당뇨병이 생긴다. 환자들은 아직 기능이 남아 있는 베타 세포에서 인슐린의 분비를 촉진시키는 약물을 복용함으로 써 많은 경우 당뇨병을 성공적으로 치료할 수가 있다. 하지만 좀 더 진행된 제2형 당뇨병인 경우에는 제1형 당뇨병의 경우처럼 인슐린을 주사해야 한다.

과학자들은 전체 유전체를 대상으로 유전자를 찾을 수 있는 능력 덕분에 제1형 당뇨병 유발에 영향을 미치는 10여 개 이상의 유전적 위험인자들을 찾을 수 있었다.

• 위험도 예측과 RBI 법칙

• 숨겨진 유전력이 유전체의 어디에 존재할까?

[4장] 유전자와 암

• 암은 유전체의 질병이다

지난 20세기에 암의 원인에 대한 수많은 이론들이 제기되었다. 그러나 그 진짜 해답을 찿기 시작한 것은 분자유전학이라는 과학이 시작한 1980년대부터이다. 물론 당시에는 암에 대한 초점이 다른 생물종에서 암을 발생시키는 레트로바이러스에 맞추어져 있었다. 이러한 부류의 바이러스 연구에서 부상하게 된 놀라운 발견은 바로 바이러스들이 보유하고 잇는 암 유전자가 실제로는 정상적인 동물의 유전체 속에 이미 존재하던 유전자이고 그것이 활성화되었다는 점이다.

암이라는 것은 몸에 있는 거의 모든 세포에서 생겨날 수 있는 것이고 그에 따라 다양한 증상과 결과를 가져오며, 모든 암의 근저에는 DNA 서열의 파열과 브레이크가 고장난 자동차 같은 고삐 풀린 세포 성장이 있다. 돌연변이를 일으킨 세포들은 자라지 말아야 할 때에 성장하여 주위의 조직들에 손상을 가한다. 더욱 무서운 것은 이렇게 이상 성장한 세포들이 혈관이나 림프관 속으로 들어갈 수 있고 몸의 여러 부분으로 이동하여 전혀 다른 조직에서 암을 형성함으로써 거의 대부분을 죽음으로 몰고 간다는 것이다.

지금까지 암 발생에 관여하는 대부분의 유전자들은 세 가지 범주로 구분된다. 첫 번째 범주는 발암 유전자이다. 이 유전자들은 정상적인 세포에서는 세포 성장을 촉진하는 단백질을 암호화한다. 당연하겠지만 이런 유전자들은 발생에 있어서도 중요한 것이다. 왜냐하면 우리 인간도 이후에 엄청나게 자라야 하는 단 하나의 세포에서부터 발생하기 때문이다. 또한 발암 유전자에 속하는 유전자들은 몸에 손상이 생긴 다음의 회복이나 건강 유지에 필요한 세포 재생에 중요한 유전자들이다. 발암유전자들은 정상적으로는 아주 엄격하게 조절된다. 그러나 발암유전자에 돌연변이가 일어나게 되면 이 성장 신호들이 정상적으로 조절되지 않고 풀려날 수 있게 된다. 이것은 자동차가 엑셀레이터가 밟힌 상태로 고정된 것과 마찬가지이다.

예를 들어 인간 유전체에서 처음으로 발견된 발암유전자는 라스(RAS)라고 부르는 유전자이다. RAS 유전자의 암호화 구역에서 단 한 글자가 변경되면 활성이 켜진 위치에서 고정된 단백질을 만들어버리는 것이 된다. 돌연변이 RAS 유전자는 대장암과 방광암에 굉장히 높은 빈도를 나타난다.

두 번째 범주에 속하는 암 유전자들은 종양억제자이다. 발암유전자를 양이라고 한다면, 종양억제자는 음이라고 할 수 있다. 종양억제자는 악셀레이터가 아니라 브레이크에 해당한다. 정상적인 상태에서 종양 억제자는 세포성장이 억제되어야 할 시점에 세포의 성장속도를 늦추는 역할을 한다. 그러나 돌연변이가 종양억제 유전자를 비활성화시키면 조절 기능이 상실된다. 종양억제 유전자에서 고려할 중요한 하나의 사실은 우리 인간이 바로 이배체라는 점이다. 종양억제 유전자의 한 판본이 비활성화 되더라도 다른 한 판본이 활성화되어 기능하고 있기 때문에 그 영향을 별로 크지 않다. 그런데 나머지 한 판본도 돌연변이가 되거나 결실하게 되면 진짜 문제가 발생한다.

세 번째 범주의 암 발생 유전자들은 바로 DNA의 실수와 오류들을 교정하는 단백질을 암호화하는 유전자들이다. 암이 바로 유전체의 질병이면서 돌연변이에 근거하여 발생한다는 것을 제대로 알고 있다면 철자 교정 기능이 상실된 것도 암 위험도를 높일 수 있을 것이라고 어렵지 않게 추정할 수 있다.

• 암은 여러 단계의 과정이다

400조나 되는 세포 속(우리 몸의 전체 세포 수)DNA의 60억 염기쌍의 복제에서 오류가 생길 확률은 충분히 높은 편이어서 매일 우리 각자의 몸에서는 돌연변이가 아주 여러 번씩 일어난다. 그리고 종국에는 미국인들 중의 3분의 1이 암으로 사망하고 있지만, 우리들 대부분은 그러한 운명을 피할 수 있다. 정상적으로 좋은 행동을 보이는 세포 하나를 완전히 악성 세포로 전환시키려면 활성을 가진 돌연변이들이 상당히 많이 축적되어야 한다는 사실이 점차로 확실해지고 있다. ~~~명백한 악성이 나타 나기 까지에는 관련 돌연변이들의 계속적인 축적이 있어야 하는 것이다.

BRCA1 돌연변이의 보유자는 이미 몸의 모든 세포에 첫 번째 돌연변이를 가지고 있어서 암이라는 문제에 한 단계 가깝게 가 있는 셈이다. 그렇지만 하나의 암세포에 존재하게 되는 돌연변이들 중의 대부분은 유전성이 아니라 그 개인이 사는 동안에 발생한 것(혹은 획득된 것)이라는 사실을 주의 깊게 살펴보아야 한다.

• 다시 보는 BRCA1 유전자

• 암 위험도를 알고 싶은가?

• 유전적 상처에 차별적 모욕주기

1990년에서부터 유전적 차별에 대해 논의할 필요가 있다고 지적되었다. 지지자 공동체, 특별히 BRCA1/2 검사에 관심을 가진 유방암 지지 단체들과 함께 과학자들 모둠 일부는 건강보험과 직장에서의 유전적 차별을 사잔 금지하는 연방 입법 청구서를 작성하였다. 1996년에 뉴욕 주대표 하원의원인 루이즈 슬러터 의원은 최초로 이러한 문제를 다루는 입법을 추진했다. 그 논리는 눈 감고도 알 수 잇을 만큼 명백했다. 우리들 중 누구도 우리의 DNA를 선택할 수 없으므로 우리를 차별하기 위해서 DNA가 사용되어서는 안 된다.

하지만 제대로 준비된 법안을 미국 국회의 양우너을 통과시켜서 법으로 시행되게 하는 것보다 인간 유전체의 서열을 rfuwjd하는 것이 훨씬 다 쉬운 것으로 판명되었다. 건강보험 업계와 여러 고용자 단체들(특히 상공회의소)의 반대는 법안 통과를 계속 저지했다. 2007년 4월 25일이 되어서야 하나의 법안이 하원을 통과하였다. 시적이라고 해야 하는지 아니면 전적으로 우연이라고 해야 하는지, 4월 25일은 전통적으로 미국의 학교들이 DNA날이라고 하는 기념일로, 1953년 왓슨과 크릭의 논문(DNA의 이중나선 구조를 밝힌 논문)이 출간된 날이다.

또 다른 관련 법안이 미국 상원을 통과한 것은 2008년 4월 24일이었다. 그리고 얼마 지나지 않아 그 법안은 하원도 통과했다.

2008년 5월 14일 백악관 대통령 집무실에 우리들 중 몇 명이 지켜보는 가운데 조지 워커 부시 대통령이 그 입법에 서명하였다. 이 승리를 얻기까지 12년이라는 세월이 흘렀다. 이 입법이 몇년만 더 일찍 발효되었다면 내 시카고 친구는 4기 난소암이라는 끔찍한 결과를 감수하지 않아도 되었을 것이다.

• 다른 유전성 종양들

유방암과 난소암 다음으로 아마도 가장 중요한 유전성 암은 바로 대장암일 것이다.

우성 질병인 가족성선종성용종에 걸리면 대장에 이러한 플립(용종)들이 수백 혹은 수천 개가 덮이고, 아동기에 이미 생기기도 한다. 이러한 상황은 개별적 풀립들을 제거하는 것을 거의 불가능한 것으로 만들고, 대장 전체를 제거하는 시술(대장 절제술)을 요구한다. 이런 상태를 조기에 작가하지 못하는 것은 비극이 아닐 수 없다.

암에 걸린 가족을 가진 개인에게 이 수술을 받지 않도록 권고하는 것은 굉장히 좋지 않은 조언이다.

• 덜 심각한 유전적 위험인자

• 대부분의 암 돌연변이는 유전되지 않는다

정상 세포가 완전히 악성인 상태에 도달하려면 여러 단계들을 거쳐야 한다. 압도적으로 많은 이러한 돌연변이들은 태어난 이후 한 개인이 살아가는 와중에 생겨난다. 돌연변이들은 단계적으로 일어나는 세포 성장에 영향을 주는데, 그것이 발암유전자이거나, 종양억제 유전자이거나, 혹은 DNA짝짝이 수선 유전자이거나 간에 그 세포가 다른 주위의 세포보다 조금 더 빠르게 자라나도록 사전 정향(돌연변이들이 존재하여 세포 성장이 촉진되도록 세포 특성이 사전에 변화되었다는 의미임)시킨다. 생물학적 진화의 최적화 생존과 유사성이 잇는 이 과정에서 이러한 돌연변이들은 축적되고, 부가적인 돌연변이들을 가진 희귀 세포들은 다른 이웃 세포들에 비해서 성장 이점을 얻게 된다. 다행스럽게도 인체의 면역체계와 다른 방어 기제들은 이러한 초기 암들 대부분이 너무 멀리 가버리기 전에 인식해서 중지시켜버린다. 이 감시체계를 피하는 바로 그 암세포들이 생명에 위협이 되어버린다.

DNA 복제에서 무작위적인 실수들이 일어나는 것은 삶의 일부이다. 사실상 매번 세포가 분열할 때마다 62억의 DNA 글자들이 복제되는데도 불구하고, 우리가 얼마나 생물학적 아수라장에서 벗어나 있는지 보면 참으로 놀랍다. 당신의 몸을 구성한 수정 이후, 당신이 지닌 대부분의 세포들은 수십 번의 복제 단계를 이미 거친 상태이다.

그러나 이 모든 돌연변이들이 단순히 운이 나빠서 발생한 것이라고 가정하는 것은 오류이다. 바로 환경이 다른 주요한 영향을 일으킨다. 암에 미치는 모든 환경적 영향인자들 중 흡연은 가장 위험도 순위가 높다. 흡연은 입안, 식도, 허파의 DNA를 직접적으로 변화시킨다. 그리고 췌장, 방광, 대장, 다른 신체 부위의 암 발생 위험도를 높인다. 흡연은 돌연변이 발생원으로서 최상급이다.

평균적으로 흡연자들은 비흡연자들보다 12년 정도 수명이 짧다. 담배 흡연은 DNA에 손상을 입혀서 돌연변이 유발원이 되는 여러 화합물을 포함하고 있다. 암 유발원이라고 부르는 이 화합물들은 연기 없는 토바코에도 존재한다. 그래서 토바코를 씹거나 냄새를 맡는 사람들도 구강암의 위험도가 높다.

태양 빛이 강렬한 날, 자외선 차단 로션을 바르지 않은 피부에 자외선이 흡수되면 자외선은 노출된 부위에 특이한 방식으로 DNA 손상을 입힌다. 이러한 노출은 미래에 악성 피부암인 흑색종에 걸리게 할 수 있기 때문에 어린이들에게 특히 위험하다.

전통적으로 아시아에서는 위장암이 많은 이유를 식단, 특별히 생선을 요리하는 방식에다가 책임을 돌려왔다. 그러나 최근 헬리코박터 파일로리라는 세균성 생명체가 인간의 위에서 생존할 수 있고. 이것이 아시아의 위장암을 일으키는 주요 피의자인 것으로 여겨지고 있다.

• 암에 대한 종합적 이해를 향하여

암이 유전체 질병이라면 그 비밀들을 밝혀내는 데에 우리에게 가장 필요한 장비는 바로 고도로 효율적이면서도 고도로 정확한 저비용의 DNA 염기 서열 분석기이다. 현재 이러한 장비가 우리 손에 있다.

• 분자적 발견에서부터 마법의 탄환 만들기

• 암치료 개인맞춤화하기

[5장] 인종이 무슨 상관일까?

• 글쎄 그럼 인종이란 무엇인가?

DNA 표본이 조상들에 대한 정확한 지식을 제공할 수 있는가? 이런 결과들을 신뢰할 수 있을까? DNA가 이제까지 우리 자신들을 구분하던 전통적 구분법들에 대해 어떤 이야기를 할 수 있을까?

칼 폰 린네(Carl von Linnaeus)는 인간을 아메리카누스, 유로피아누스, 아시아누스, 아프리카누스라는 네 가지 인종으로 분류할 수 있다고 말했다.

• 모든 인류의 DNA 서열은 상당히 유사하다

지구상의 두 지점에서 두 사람을 불러서 그 두 사람의 DNA 를 검사하면 99.6%가 같다.

집단유전학자들은 현재 지구상의 호모사피엔스 60억 명은 대략적으로 1만 명의 공통조상으로부터 유래했다고 추정했다. 인간 생물종의 창시자가 되는 이 사람들은 10만 년에서 15만 년 전에 아프리카 동부에서 살았을 것으로 추정된다. 오늘날 현대 인류에게서 확ㅇ니할 수 있는 변이들의 대부분은 이들 1만 명의 창시자들에게 이미 존재하고 있었으며, 한 지역에서 다른 지역으로 이주하면서 배열이 재조정되든지 아니면 다시 재조합되든지 했다.

같은 영장류의 인류 속에 속하는 네안데르탈인은 우리가 내려온 계통에서 50만년 전에 이미 갈라져 나가서 다른 종이 되었으며 궁극적으로 중간에 멸종하였다. 최근 네안데르탈인의 DNA 서열이 결정되었고 3만 년 전 즈음에 호모사피엔스 종과 공존하였지만 호모사피엔스 종 사이에서는 자손을 본 적은 없는 것으로 알려졌다.

• 특정 유전적 변이들의 빈도는 전 세계에 걸쳐 차이를 보일 수 있다.

• 인간 유전체의 일부는 자연선택으로 꼴 지워졌다

최근에 유럽인들에게서 피부색의 변화에 대한 주요 분자적 원인이 밝혀졌다. SLC24A5라는 유전자는 피부와 털에 가장 많은 검은 색소 멜라닌의 생합성에 아주 중요하다. 아프리카 사람들에게는 다른 모든 척추동물과 마찬가지로 이 유전자가 완전하게 기능한다. 반면에 거의 100%의 유럽ㅇ니들에게서 이 유전자는 암호화하는 단백질의 기능을 거의 없애버리는 돌연변이를 가지고 있다.

우리의 아프리카 공통조상들이 두 살 무렵에 이미 젖당 소화 능력을 소실했다는 것을 시사 하는 증거가 있다. 두 살 되는 무렵에 대장에서 락테이스라는 효소가 충분한 양으로 생성되지 않아 젖당을 소화시키지 못하게 되는 것이다. 성인에게서는 락테이스라는 효소가 결핍되어 있기 때문에 성인의 식단에 상당량의 우유가 포함되면 배가 부푼다든지 식사를 하게 되고 젖당으로부터 양분을 얻을 수 없게 된다. 하지만 유럽과 중동과 동아시아의 어떤 초기 인류 모둠들은 농업의 발전으로 소와 염소를 기르면서 그로부터 우유를 얻게 되었다. 따라서 이들 중에 우유 안에 있는 젖당을 소화시킬 수 있는 사람들에게 이것은 장점이 되었다. 이러한 모둠들은 대부분의 성인들도 락테이스라는 효소를 어릴 때와 마찬가지로 생성한다. 대부분의 북부 유럽인들은 락테이스 유전자의 조절 부위에 돌연변이를 지니고 있어서 성인이 되어서도 지속적으로 유전자가 켜져 있게 되었다.

• DNA는 조상성을 예측하게 해준다

• 인종 분류의 부조화

제2형 당뇨병은 아메리카 원주민과 아프리카계 미국인들에게 특정적으로 더 많이 발병하고 상태도 심각하다. 미국 남서부의 피마 인디언에게는 50% 이상이 50세 무렵에 제2형 당뇨병에 걸리는 것으로 나타났다. 위암의 경우는 유럽계나 아프리카계보다 아시아계 사람들에게서 더욱 많이 나타난다.

• 개인맞춤 의학에서 인종은 어떤 역할을 할까

• 인종과 처방

[6장] 유전자와 병균

• 당신의 유전자는 병원균을 방어한다

진화는 미생물이 질병을 일으킬 기회를 제한하는데에 매우 효과적이게끔 당신의 몸을 디자인했다.

[7장] 유전자와 뇌

흑질이라는 뇌 특정 부위의 신경은 신경신호 전달물질인 도파민이라는 물질을 만들어낸다. 파킨슨병 치료의 중심은 도파민의 부족 내지는 결핍을 L-도파라는 물질로 대체해 넣어주는 것이다.

[8장] 유전자와 노화

[9장] 개인맞춤 약물 투여량

[10장] 미래의 비전

• 유전자 치료

1971년에서 1983년까지 이 세상을 살다간 데이비드 베터라는 ‘풍선 속의 소년‘은 면역 체계가 없었기 때문에 살균하지 않은 어떤 것과도 작접적으로 접촉할 수 없었다. 절망적인 상황에서 마지막으로 완전히 적합한 공여자는 찾을 수가 없었지만 담당 주치의는 시험적으로 골수이식을 시도하였다. 처음에는 그 골수이식이 성공적인 것 같아 보였다. 하지만 데이비드는 이후에 일종의 암종에 걸렸는데 기증자의 골수에 있었던 바이러스인 것으로 판명되었다. 세계의 많은 사람들이 이 소식으로 비탄에 젖을 무렵 데이비드는 사망하였다. 그의 묘지명에는 “그는 한 번도 이 세상과 제대로 접촉하지 못했지만, 세상은 그로 인해서 감동을 느꼈다.”라고 적혀 있다.

의학적 용어로 데이비드의 병은 중증합병면역결핍증(SCID)이다. 그가 걸려 있던 유형은 X-연관 SCID라고 하며, 남자아이에게만 나타나는 병이다. 데이비드에게는 어린 시절에 죽은 형이 있었고, 이 사실은 주치의가 데이비드의 질병에 대해 사전에 주의를 기울이도록 했다.

데이비드가 세상을 떠난지 6년 후에 미국 국립보건원에서는 다른 드라마틱한 광경이 벌어졌다. ADA유전자의 돌연변이 때문에 생기는 다른 유형의 SCID가 있는데, 이 병에 걸린 ‘아산티 드실바’라는 아이가 최초의 유전자 치료를 받게 된 것이다.

유전자 치료의 목적은 그 아이의 면역 세포 속에 충분한 수의 정상적인 ADA유전자 판본을 집어넣음으로써 유전자의 정상적 기능을 회복하도록 하여 여러 다른 감염으로부터 그녀를 보호하게 만드는 것이었다.

유전자 치료는 어떤 경우에는 환자의 몸에서 세포 일부를 떼어내서 환자의 세포에서 결핍된 DNA를 채워 넣은 다음 다시 그 세포를 환자에게 되돌려 주입하는 식으로 이뤄진다. 이러한 유전자 치료 방법을 ‘생체외’ 유전자치료라고 한다. 하지만 많은 인간 신체의 세포 조직들(뇌와 심장과 같은 조직)은 떠어 내드라도 이러한 방식으로 재치환할 수 없고, 다른 방식의 유전자 치료는 유전자를 인체에 직접적으로 주입하는 전략을 사용한다. 이러한 방식을 ‘생체 내’ 유전자 치료라고 한다.

• 줄기세포 치료의 예고된 혁명

줄기세포는 자기 재생이 가능하며 적절한 자극이 주어진 다음에 다른 유형의 세포로 재프로그램화할 수 잇는(분화)세포이다. 줄기세포에는 여러 많은 종류가 있다. 모든 줄기세포들의 어머니는 정자와 난자가 융합하여 형성된 단일 배아로, 자궁에 착상할 수 잇는 잠재력을 내적으로 소유하고 있으며 살아 있는 아이가 생겨나게 한다. 이러한 줄기세포를 전형성능을 가진(totipotent)것으로 부른다. 인간 배아는 두 개의 세포로 분열하고, 다음에 4세포로, 그리고 8세포로 분열하기 때문에 전체적으로 전형성능은 아주 짧은 기간만 유지된다. 배아가 100세포 정도가 되었을 때에 상당부분의 세포들은 태아의 몸체를 형성하는 것으로 예정된 세포들로 분화하게 되고 다른 세포들은 태반을 형성한다.

그 공 모양의 배아가 아직 연필 자국 정도의 크기일 때 일정한 모둠의 배아 세포들(내부 세포덩어리)은 태반을 형성하는 능력을 이미 상실한 상태이지만, 인간 몸의 모든 조직으로 분화될 수 있는 능력은 그대로 유지하고 있다. 이러한 세포들은 복수형성능을 가진 것으로 부른다. 수십 년 동안 생쥐를 대상으로 한 실험들은 이 세포를 실험실에서 무한히 배양할 수 있으며 복수형성능을 지속적으로 유지한다는 것을 말해준다.

그러면 성인은 어떨까? 전형성능이나 복수형성능 줄기세포는 성인 인간의 몸에는 없다. 하지만 사실상 다른 유형의 줄기세포는 몸의 여러 부위에 존재한다. 가장 쉽게 눈에 띄는 것은 골수일 것이다. 하지만 이 줄기세포들은 여러 세포 유형으로 분화해 나가는 능력에 있어서는 보다 더 제한성을 지닌다. 과학자들은 이것을 다형성능을 가진 것으로 부른다. 이러한 성체 줄기세포의 존재는 한 공여자에게서 한 수용자에게로 골수를 이식하는 것을 가능하게 만들어준다. 골수이식을 통해 수용자의 혈액 형성과 면역 체계를 공여자로부터 추출한 다형성능 세포들로 재집단화 하는 것이다. 성체 골수 세포가 다른 조직으로 분화될 수 있고 아마도 심장 발작후 심장 근육의 수선에 기여할 수 있을 것이라는 의견이 있다.

다형성능 세포들의 제한적인 자기 재생 및 분화 능력은 치료가 절실하게 필요한 많은 질병들을 치료하는 데 제약성을 보인다. 전문가의 용어를 따라가자면 복수형성능은 다형성능보다는 훨씬 강력하다. 이것은 배아줄기세포에 왜 그렇게 높은 관심이 집중되었는지를 설명해준다. 선호되는 어떤 세포 유형으로도 될 수 있는 거의 무제한의 잠재성이 높은 수준의 과학적 관심을 만들어낸 것이다. 이는 또한 생명 윤리에 있어서도 야단법석을 만들어내고 있다.

인간의 줄기세포를 만드는 표준적 방법(그림10-3a)은 10년 전에 처음 정립된 것으로, 인공 수정에 의해 생산된 인간 배아의 내부세포덩어리를 빼내는 것이다. 실험실에서의 주의 깊은 배양을 통해서 이 세포들은 거의 무제한적으로 기를 수 있다. 이러한 경우를 우리는 줄기세포선(stem cell ling)이라고 부른다.

• 미래를 가능하게 만들기

유전자 치료와 줄기세포 치료라는 두 가지 치료 방법들은 불확실 하지만 큰 기대를 걸 만한 전망을 가지게 한다. 나는 이 두 방법들에 내기를 걸 의향도 있다.

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[Review]

“유전자 치료와 줄기세포 치료라는 두 가지 치료 방법들은 불확실하지만 큰 기대를 걸 만한 전망을 하게 한다. 나는 이 두 방법에 내기를 걸 의향도 있다.”(본문)

오랫동안 아내의 병시중한 친구가 있었다. 당시 황우석 박사가 줄기세포 배양에 성공하고 실험 대상자를 모집한다는 말을 듣고 친구는 신청하고 좋아했다. 그 후 여러 가지 불미스러운 기사들과 함께 친구의 희망 사라지고 말았다.

줄기세포는 말 그대로 일반 세포와는 다르다. 일반 세포는 신체 특정 부위에 분화되어서 기능이 제한적인 데 비해서 줄기세포는 아직 신체 각 부위에 분화되기 전 세포를 말하는 것으로 잠재력이 큰 세포이다. 대략 정자와 난자가 책상 후 100개 이상으로 분화되기 전의 세포라고 한다. 줄기세포 치료는 이것을 환자의 손상된 부위에 착상시켜서 새롭게 분화가 일어나도록 하는 치료라고 한다.

우리의 몸에는 약 60조에 달하는 세포로 되어 있고, 각 세포에는 부모로부터 물려받은 23쌍의 염색체가 들어 있으며 한 쌍을 게놈이라고 부른다. 각 게놈에는 이중나선구조의 DNA 사슬이 들어 있다. 이 사슬에는 4종류의 염기(A. T. G. C)가 A는 T와 그리고 G는 C와 서로 마주 보는 형태로 약 31억 개의 쌍으로 배열되어 있으며 길이는 약 2미터에 달한다.

유전자는 이 DNA 염기 배열에서 기능 정보를 함유하는 부분으로, 짧게는 몇 백 염기쌍 정도에서 가장 긴 유전자인 듀센근위축증 유전자는 DNA 사다리의 2백만 가로대를 점유할 정도로 길다고 한다. DNA는 이 유전 정보에 따라서 분화되고 세포구성에 필요한 단백질과 기타 요소를 만든다. 이 과정에서 환경적인 요소가 작용할 때 염기배열에 돌연변이를 일으키고 단백질 생성에 오류를 일으키는 것이 질병이다. 우리 신체에는 면역체계가 있어서 정상적인 유전자를 지니고 있을 때는 돌연변이를 막아낼 수 있지만, 유전적으로 돌연변이에 취약한 유전 소양을 갖추고 있다면 문제가 될 수밖에 없다.

“암이라는 것은 몸에 있는 거의 모든 세포에서 생겨날 수 있고 그에 따라 다양한 증상과 결과를 가져오며, 모든 암의 근저에는 DNA 서열의 파열과 브레이크가 고장 난 자동차 같은 고삐 풀린 세포 성장이 있다. 돌연변이를 일으킨 세포들은 자라지 말아야 할 때 성장하여 주위의 조직들에 손상을 가한다. 더욱 무서운 것은 이렇게 이상 성장한 세포들이 혈관이나 림프관으로 들어갈 수 있고 몸의 여러 부분으로 이동하여 전혀 다른 조직에서 암을 형성함으로써 거의 대부분을 죽음으로 몰고 간다는 것이다”(본문)

21세기에 들어서면서 과학은 게놈의 비밀을 90% 이상 밝혀냈고, 치료하는 단계에 가까워졌다고 한다. 특히 암, 당뇨, 심장, 다운중후군, 정신 등 과 같은 여러 질환에서 DNA 검사를 통해서 유전적인 요소가 밝혀지고 이에 대한 예방과 치료가 속속 개발되고 있다고 한다. 이 책에서는 현재 이루어지고 있는 유전자 치료에 대한 여러 연구 과정과 방법 등에 대해 자세하게 소개하고 있다.

“가까운 미래에는 선천성 기형을 찾기 위한 산모 스크리닝에 중대한 변화가 있을 것이다. 아주 획기적인 것으로는 산모의 혈액 속에서 태아 DNA를 스크링하는 것으로써 다운중후군과 같은 이상을 이전보다 훨씬 직접적으로 검사할 수 있게 될 것이다”(본문).

오늘날 줄기세포에 의한 치료는 개별 DNA 염기배열을 치료하는 것보다 기술적으로 용이하다는 점에서 기대가 되는 방법이다. 문제는 줄기세포 자체가 태아의 생성 과정에서 채취한다는 점에서 윤리적 문제가 제기되고 있기에 보다 다양한 방법으로 줄기세포를 배양하는 방법이 개발되고 있다고 한다.

유전적 결함을 사전에 발견하기 위해 개인의 DNA를 검사하는 일도 마찬가지다. 병이 발병했을 때 치료 목적이나, 자신에게 유전적 소양이 발견될 때 미리 예방한다는 측면도 있지만, 아직 드러나지도 않은 질병, 단순히 취약하다는 이유로 의료보험이나 여러 삶의 방식에서 차별받는다면 정신적 고통을 남길 것이다. 이 책에서는 그런 여러 가지 경우의 문제도 다루었다.

이 책의 저자는 세계적인 유전학자로 1993년부터 15년간 미국 국립보건원 소속 인간유전체 연구소 소장을 맡았으며 역사상 최초로 시도된 인간 게놈프로젝트를 이끈 장본인이다. 현재는 미국 국립 보건원장으로 재직 중이다. 이 책은 2010년도에 출판되었기에 오늘날에는 더 많은 과학적 지식이 축적되었을 것으로 보인다. 어려운 학문이지만 일반인들도 이해할 수 있도록 여러 사례와 함께 재미있게 엮은 책이다. ■

[본문]

“세포질에서 RNA 암호로 된 철자들이 단백질에 사용되는 아미노산으로 번역된다. 이 번역은 세 가지 철자로 된 암호를 이용하여 수행된다. 예를 들어 RNA에서 AAA로 되어 있는 것은 아미노산 라이신을 암호화하고, AGA는 아르지닌을 암호화 한다. DNA에 오류가 있다면 그것은 당연히 RNA의 오류가 되고 그것은 다시 단백질의 혼동으로 이어진다. ”

“인간유전체연구사업의 가장 놀라운 발견 중의 하나는 인간 유전체에 단백질-암호화 유전자가 불과 2만 개 정도라는 것이었다. 우리는 이보다는 훨씬 많을 것이라고 예상했었다. 심지어는 저 하급동물로 여기는 선충도 1만 9천 여개의 유전자를 가지고 있지 않은가. ”

“심장혈관질환을 가진 부모나 형제자매가 한 명이라도 있다면 당신은 같은 질병에 걸릴 확률이 2배로 증가한다. 만약에 이러한 일차 친족 중에 둘 이상에게 심장병이 있고 실제로 53세 이전에 그 질병이 발병하였다면 당신의 심장병 발병 위험도는 5배가 증가하게 된다.”

“인간 유전체의 DNA 사다리에는 31억 개의 염기쌍 가로대가 놓여 있다. 보통 대부분의 포유류 동물들에는 그보다 10억 개 정도 크든지 작든지 하는 비슷한 규모의 유전체를 가지고 있다. 또 많은 양서류도 인간보다 엄청나게 큰 유전체를 가진다. 단순한 식물종인 한 양치식물은 꽃, 열매, 잎과 같은 분화된 구조를 가지고 있지도 않는데도 인간 유전체보다 100배나 큰 유전체를 가지고 있다.”

"유전자는 이 DNA 염기 배열에서 기능 정보를 함유하는 부분으로, 짧게는 몇 백 염기쌍 정도에서 가장 긴 유전자인 듀센근위축증 유전자는 DNA 사다리의 2백만 가로대를 점유할 정도로 길다."

“지난 20세기에 암의 원인에 대한 수많은 이론들이 제기되었다. 그러나 그 진짜 해답을 찿기 시작한 것은 분자유전학이라는 과학이 시작한 1980년대부터이다. 물론 당시에는 암에 대한 초점이 다른 생물종에서 암을 발생시키는 레트로바이러스에 맞추어져 있었다. 이러한 부류의 바이러스 연구에서 부상하게 된 놀라운 발견은 바로 바이러스들이 보유하고 잇는 암 유전자가 실제로는 정상적인 동물의 유전체 속에 이미 존재하던 유전자이고 그것이 활성화되었다는 점이다.”

“400조나 되는 세포 속(우리 몸의 전체 세포 수)DNA의 60억 염기쌍의 복제에서 오류가 생길 확률은 충분히 높은 편이어서 매일 우리 각자의 몸에서는 돌연변이가 아주 여러 번씩 일어난다.”

“DNA 복제에서 무작위적인 실수들이 일어나는 것은 삶의 일부이다. 사실상 매번 세포가 분열할 때마다 62억의 DNA 글자들이 복제되는데도 불구하고, 우리가 얼마나 생물학적 아수라장에서 벗어나 있는지 보면 참으로 놀랍다.”

“새로운 천년이 시작되기 5개월 전 여섯 국가의 20개 연구소의 2,000여 명 이상의 동료들과 함께 우리는 인간 DNA지시종합서(DNA instruction book), 다른 말로 인간 유전체에 쓰여진 글자들을 거의 90% 이상 읽어내는 데 성공했다.”

https://blog.naver.com/bookrev/222905156020

생명의 언어(프랜시스 콜린스)