유전자: 유기체의 포로신세 !

 

인간 게놈 지도 비판

 

아리 베르코비츠는 오클라오마 대학의 생물학 교수이다. 그는 <The Conversation>에 매우 비판적인 제목의 글을 실었다. 코비츠 교수의 글에서 다음과 같은 내용을 읽는다.

 

2020년 퓰리처 상을 받은 한 저널리스트는 이런 글을 기고했다. 내과 의사가 응급실에서 환자의 예기치 않은 상태를 진단할 수 없었다. 그러나 환자는 자신의 DNA 게놈을 이용할 수 있는 의료 카드를 가지고 있었다. 의사는 게놈 정보를 바로 입수하고 병을 진단한 후 유전자 치료로 환자의 생명을 구했다.

 

1990년 부터 2003년 동안 인간 게놈 프로젝트 (HGP)는 미국과 영국의 주도로 글로벌 과학 집단의 협력 리서치였다. 2000년 프란시스 콜린은 당시 미연방 보건국에서 HGP의 책임자였고 다음처럼 말했다: "아마 15년이나 20년 후에 여러분은 치유의학에서 획기적인 변혁을 볼 것입니다."

 

당시 빌 클리톤 대통령은 HGP가 전부는 아니지만 인간의 대부분 질병을 예방하고 치료하는 데 혁명을 가져올 것으로 말했다 (Why squencing the human genomes failed to produce big breakthroughs in disease, The Conversation, 2020. FEb.11).

 

그러나 미국에서 아무도 게놈 카드를 소지하고 있지 않고, 오히려 1000달러에 유전자 검진을 받으라는 이상한 광고만이 있다.

 

불치의 질병은 매우 복잡하며, 단순한 유전자 치료로 원인을 진단하기 어렵다. 헌팅톤 병 같은 경우는 유전자의 돌연변이가 원인이기도 하지만, 이외의 대부분 질병들은 유전자의 돌연변이로 일어나지 않는다. 오히려 세포 네트워크의 복잡한 작용에 관련되며, 환경적인 요인들도 있다.

 

DNA는 유전정보로 인해 삶의 블루 프린트로 각광 받았다. 유전자 결정론자들은 DNA가 살아있는 유기체를 구성하고 발전 시킨다고 과대선전을 했다. 그러나 DNA는 세포의 피드백에서 작동하는 히스톤 변형과 크로마틴 리모델링에 의해 규제되고 삭제되고 편집된다. 유전형질은 유기체의 활동과 발전에 의해 예속된다.

 

세포 네트워크: DNA 복제

 

세포 분열을 준비하면서 DNA는 사이기 (S)에서 복제한다. 그러나 복제과정은 이미 히스톤 변형을 일으키는 효소들과 더불어 크로마틴 리모델링에서 규제된다. 심지어 새롭게 복제된 딸 DNA도 이미 이전 히스톤 변형의 DNA와 결합되어 나타난다. H2A, H2B, H3, 그리고 H4는 코어 히스톤인데 복합체 옥타머로 구성된다.

 

DNA는 그 외부를 둘러싸고 링커 DNA를 통해 인접 뉴클레오솜과 끈으로 연결된 구슬처럼 보인다. 뉴클레오솜이 더욱 압축되면 크로마틴 섬유가 되며, 여기에 H1이 달라 붙어 응축되면 염색체가 된다.

 

DNA와 히스톤으로 구성된 크로마틴은 세포분열의 사이기(S)에서 응축된 상태에서 풀어진 상태가 된다. DNA는 수소결합으로 된 매우 견고한 것이며, 이것을 복제하려면 DNA의 수소결합을 여는 에네지가 필요하다.

 

이것은 복제이전 단백질 복합체에 의해 시작되며, 복제의 본래의 자리가 된다. 여기에 히스톤 변형 가운데 아세틸화와 메텔화가 영향을 미친다. 이것은 히스톤 꼬리에서 나타나며, DNA 코드는 유기체에 의해 표식이 된다. 이 분야는 오늘날 괄목하게 나타나는 에피제네틱 연구에 속한다.

 

헬리카제 효소는 분기점을 지퍼처럼 열게한다. RNA 중합요소들이 DNA에 달라 붙어 두 가닥의 반대 방향으로 복제한다. DNA의 가닥이 분리될 때 RNA 중합 효소들이 DNA를 따라 가면서 정보를 복사한다.

 

DNA를 복제하는 중합효소의 촉매작용은 새롭게 합성되는 선도가닥을 복제 분기점의 진행방향과 동일하게 5’-3’ 방향에서 일어나게 돕는다. 그러나 반대 편에서 지연가닥은 분기점 근처의 RNA 프라이머를 합성한다.

 

여기서 5’-3’ 방향의 짧고 불연속적인 DNA 가닥 (오카자키 절편)이 생긴다. DNA 연결효소(ligase)는 절편을 연속가닥으로 만든다. 복제과정에서 30억 개의 DNA에서 3백만개의 오류 즉 돌연변이가 생기지만 DNA 중합효소 (III)에 의해 교정된다.

 

복제과정을 보면 DNA는 마치 세포의 규제 메카니즘에 붙들려있는 포로와 같다. 이른바 DNA-RNA-프로틴의 일직선 방향에서 DNA가 주도권을 쥐고 군림 한다는 신 다윈주의 중심 도그마는 허구다. 세포의 피드백 루프에서 단백질의 역할과 유기체의 발전 그리고 외부의 환경의 요소가 중요하다.

 

크로마틴 건축술

 

DNA-히스톤 옥타머 상호작용은 분기점 앞에서 히스톤을 리사이클 시키며, 리사이클된 히스톤은 크로마틴에 통합된다. 새로 복제된 DNA는 이전 히스톤 변형과 크로마틴의 메카니즘에서 리사이클된 DNA와 종합된다 (세미 보존 메카니즘; 오리지널 DNA 한 가닥과 딸 DNA 한가닥이 종합되어 DNA 이중 나선으로 복제된다.)

 

크로마틴은 DNA 복제와 재결합 (지나친 돌연변이를 고정시키는 작업) 그리고 DNA 손상복구와 전사과정에 관여한다. DNA 복제가 끝나면 풀어진 크로마틴에서 뉴클레오솜의 히스톤 옥타머가 DNA에 의해 포장되고 응축된다.

 

크로마틴은 히스톤과 비 히스톤 단백질로 구성되며, 코어 히스톤 (H2A, H2B, H 3, H4)은 +전하를 띄며 -전하를 가진 DNA를 끌어당겨 외부를 포장한다. 개별 코어 히스톤은 꼬리를 가지고 있으며, 외부 효소들과의 접촉을 통해 히스톤을 변형하며, 크로마틴 상태에 영향을 미친다.

 

유전자들은 세포와 조직들에 의해 무엇을 해야할지 명령 받는다. 언제 전사를 하고 중단해야하는 지 규제된다. 이것은 탑 다운 방식으로 나타나는 세포과정의 피드백 루프이다.

 

특히 히스톤 변형과 크로마틴 리모델링은 상호 관련되며, DNA를 복제와 전사 그리고 번역의 전체과정에 관여하고 삭제하고 편집한다. 이것은 세포의 네트워크에서 DNA를 규제하는 크로마틴의 건축술이다.

 

새로 종합된 DNA는 세포분열에서 새로운 세포로 전달될 때 크로마틴 섬유(fiber)가 관여하며 정확한 정보 전달을 위해 화학적 기억을 만들어낸다 (Fundamentals of Cell Biology, 68).

 

세포 시스템에서 볼 때 DNA는 삶의 블루 프린트가 아니다. DNA는 유기체를 구성하고 발전을 이끌어가는 것이 아니라, 크로마틴 건축술에서 유전자는 삭제되고 편집된다.

 

DNA는 유기체가 발전하면서 환경과의 상호작용에서 메텔화 과정을 통해 끊임없이 영향을 받고 변형이 된다. 더우기 미토콘드리아나 핵과 세포막 그리고 분자지질(lipid) 같은 유기 화합물도 유전된다. 이런 요소들은 DNA 시퀀스에 코드화가 되어 있지 않다. 그리고 인간의 몸의 형체(phenotype)도 유전된다.

 

HGP의 미래

 

HGP는 생물학의 모든 영역의 연구에서 염청난 영향을 미쳤다. 그러나 호언 장담한 것과는 달리 기대에 미치지 못했다. HGP에 관여했던 굴지의 제약회사들이 하나 둘씩 포기하고 떠났다.

 

여전히 HGP를 옹호하는 사람들은 사람의 생명을 구하는 시도가 실패로 볼 수 있느냐 말하지만, 천문학적인 연구비와 과대선전 그리고 과학자들의 오만함과 책임 회피적인 발언이 눈쌀을 찌푸리게 한다.

 

HGP 의 미래는 과학적 소명을 가진 양식있는 전문가들의 손에 의해 맡겨져야 한다. 그리고DNA 메텔화에 대한 에피게놈 연구가 보충 되어야 한다.

 

생명과학의 신뢰를 위해 공론장에서 시민의 알 권리를 위해 민주적 장치가 보완될 필요가 있다. 그나마 시민과학 포럼이 있어서 공공선 거버넌스를 위해 헌신하는 과학자 그룹과 양심적인 지식인들로 인해 안도를 해본다.