줄기세포 연구로 유명한 미국 화이트헤드 연구소 소속 루돌프 재니시 (Rudolf Jaenisch)는 후성유전학의 위상에 대해 다음과 같이 표현한 바 있다. “유전학의 시대는 한물갔고, 이제 우리는 후성유전학의 시대를 맞았다. 현재 분자생물학에서 가장 중요하고 흥분되는 일들은 바로 이 분야에서 일어나고 있다.”
과장도 호들갑도 아니다. 현재 국내외 의학·생물학계에서는 후성유전학의 연구 결과가 중요한 이슈로 조명되고 있다. 최근에 줄기세포나 종양 치료와 관련하여 이루어지는 연구에서 후성유전학적 연관성을 어렵지 않게 발견할 수 있으며 지금 이 순간에도 다양한 후성유전학 관련 프로젝트가 국내외에서 경쟁적으로 진행 중이다. 그리고 이러한 연구를 통해 후성유전학이야말로 환경과 유전자의 연결에 대해 해답을 줄 수 있는 분야임이 속속 드러나고 있다.
이 책 [인간은 유전자를 어떻게 조종할 수 있을까]는 독자들이 후성유전학의 세계에 좀 더 수월하게 발을 들여놓을 수 있도록 흥미로운 가이드 역할을 한다. 이 책이 안내하는 후성유전학의 현재와 미래를 따라가다 보면 독자들은 어느덧 자신의 일상과 건강을 한층 달라진 눈으로 바라보게 될 것이다.
“유전학의 시대는 갔다.
이제 우리는 후성유전학의 시대를 맞았다.”
성격은 바꿀 수 없을까? 체형은 타고나는 것일까? 내 아이가 내 체질도 빼닮을까? 장수 유전자는 따로 있을까? 우리 몸에서 얼마나 많은 것이 유전자에 의해 결정되고 또 얼마나 많은 것이 환경이나 생활방식의 영향을 받을까?
맘에 안 드는 내 몸의 특징을 유전자 탓으로 돌려본 적 있다면, 이렇게 ‘생겨먹은 대로’ 살 수밖에 없는지 궁금해본 적이 있다면 이 책[인간은 유전자를 어떻게 조종할 수 있을까]가 다루는 ‘후성유전학’에 주목할 만하다. 이 책은 유전학으로만 설명하기에는 부족한 생명의 진화과정에 대해 좀 더 온전한 이해를 도와주는 후성유전학의 세계로 안내한다. 후성유전학은 세포에 저장되고 딸세포(세포가 분열하여 새로 생긴 세포)로 전달되지만 유전형질에는 포함되어 있지 않은 분자생물학적 정보들을 다루는 학문이다. 생물학이나 생명공학에 아직 낯선 이들에게는 이러한 설명이 다소 복잡하게 들릴지도 모른다. 그러나 알고 보면 후성유전학이 전달하는 메시지는 익숙하고 뚜렷하다. 생활방식이 미치는 영향이 우리 몸의 세포에 오롯이 새겨질 수 있다는 것, 그리고 후성유전물질이 특히 외부의 자극에 민감하게 반응하는 시기가 있다는 것이 바로 그렇다.
이 책은 총 7개의 부로 구성되어 있다. 책의 1부에 해당하는 ‘TAKE 1 유전자는 왜 스위치를 필요로 할까?’에서는 유전자와 환경 사이를 중재하는 ‘후성유전 스위치 구조’에 대해 집중적으로 알아본다. 유전체와 환경의 의사소통을 가능케 하는 후성유전학이 어떤 생화학적 기반에서 연구되고 있는지, 저자는 생물학적 지식을 전달하며 쉽게 풀어쓰고 있다. ‘TAKE 2 인간이 유전물질에 대해 힘을 행사할 수 있는 이유’에서는 어떤 생활방식을 지니는지, 그리고 특정 시기에 어떤 경험을 하는지에 따라 달라질 수 있는 우리 몸의 운명에 대해 설명한다. ‘TAKE 3 인성은 어떻게 형성되는가’는 인간의 성격이 후성유전적으로 형성될 수 있다는 잠재적 근거에 대해 면밀히 분석한다. 독자들은 스트레스 호르몬을 비롯한 전달물질이 뇌세포의 감수성에 미치는 영향을 살펴봄으로써 인간의 성향 및 태도가 환경이나 경험에 따라 달라질 수 있음을 좀 더 자세히 알게 될 것이다.
인간을 둘러싼 환경이 후성유전체에 주는 신체적 영향에 대해서는 ‘TAKE 4 건강과 후성유전학’에서 좀 더 자세히 설명한다. 특히 생명체의 발달이 집중적으로 이루어지는 태아기나 유아기에 접한 영양이 지니는 힘에 대해 말하고 있다. ‘TAKE 5 오래 살 수 있게 하는 생물학적 프로그램’에서는 장수하고 싶은 이들을 위한 팁을 생물학적 프로그램에 대한 설명과 함께 들려준다. 이어지는 ‘TAKE 6 특별한 책임’에서 독자들은 ‘DNA 이상의 것’이 몇 대에 걸쳐 유전될 수 있다는 연구 결과를 접하게 될 것이다. 마지막 ‘TAKE 7 새로운 길목에 선 바이오의학’에서는 질병 연구에 변혁을 일으키고 있는 후성유전학의 성과를 살펴보고 의학 및 약학의 미래를 전망한다.
후성유전학은 우리의 삶을 어떻게 바꿀 것인가
신경생물학 박사이며 독일의 과학 저널리스트인 저자 페터 슈포르크 Peter Spork가 이 책을 통해 전하려는 가장 중요한 메시지는 무엇인가. 바로 체질과 인성, 신진대사 등은 그저 주어지거나 물려받기만 하는 것이 아니라는 점이다. 물론 생물학적 운명, 즉 육체와 정신을 주관하는 유전 프로그램은 분명히 있다. 그러나 그 운명에 영향을 끼치는 생활방식에 변화를 줌으로써 우리는 우리의 몸뿐만 아니라 자손의 체질까지 건강하게 할 수 있다.
최근 화려하게 부상 중인 후성유전학은 사실 학계에서만 주목할 만한 이슈가 아니다. 후성유전학과 관련된 연구 결과는 생명과학이나 바이오의학 같은 분야에 대해 지식이 얕은 사람들의 일상마저 적잖이 좌우할 수 있다. 아니, 이미 많은 것을 좌우하고 있다.[인간은 유전자를 어떻게 조종할 수 있을까]에서 다루는 후성유전학은 유전자의 활동, 세포의 노화, 질병 등을 프로그래밍할 수 있는 후성유전체를 연구하는 학문이기 때문이다.
후성유전체는 생명이 환경의 변화에 적응할 수 있도록 유전자 조절을 조종해서 유전자들을 ‘켜고 끄는’ 역할을 한다. 말하자면 세포들이 유전암호를 적절하게 활용할 수 있도록 돕는 것이다. 이러한 후성유전체는 환경과 경험에 의해 변화할 수 있다. 이러한 기본적 이해와 관련된 지식을 더욱 심층적으로 전달하기 위해 저자는 메틸기, 히스톤 코드, RNA 간섭, 뉴클레오솜 등 후성유전적 스위치 시스템과 관련된 개념들도 상세히 풀어썼다. 다소 어렵게 여겨질 수도 있는 개념 또한 결국은 ‘생활방식의 변화가 육체와 정신의 건강을 변화시킨다’라는 핵심 메시지를 이해하기 위한 도구라 하겠다.
유전자를 이롭게 하는 후성유전학 사용설명서
후성유전학은 아직 발전할 여지가 무궁무진한 분야라고 할 수 있다. 이 책에는 이러한 신생 학문을 좀 더 흥미롭게 이해하는 데 도움이 될 예시와 학계의 의미 있는 연구 결과가 곳곳에 소개되어 있다. 음식이 털 색깔에 미치는 영향을 보여주는 랜디 저틀 Randy Jirtle의 아구티 쥐 실험이 그 예다.
랜디 저틀은 동료인 로버트 워터랜드와 실시한 실험에서 새끼를 밴 황색 아구티 쥐를 대상으로 특정 영양(엽산, 비타민B12 등)을 보충한 사료를 먹인 결과 갈색 털을 지니고 날씬하며 아구티 유전자에 메틸기가 더 많은 새끼 쥐가 태어나는 것을 확인할 수 있었다. 이 쥐들의 경우 ‘메틸화 식사’라고 할 수 있는 영양 보충 사료 덕분에, 배아 발달기 동안 질병을 유발하는 DNA 조각이 후성유전적으로 침묵한 것이었다.
그런가 하면 영국에서 이뤄진 실험에서는 수정 전후 6일 동안 부족한 영양을 공급받았던 양이 낳은 새끼의 경우 비교적 뚱뚱하거나 면역계가 변화하는 등의 차이를 보였다. 이는 포유류의 건강에 중요한 각인이 수정 초기에 일어난다는 것을 보여주는 결과다.
특정 시기의 중요성이 동물 실험에서만 발견되는 것은 아니다. 1945년경 네덜란드에서는 기아가 만연했는데, 일명 ‘배고픈 겨울’이라 일컬어지는 이 시기에 임신 초기를 겪은 여성의 자녀들은 마약에 중독될 가능성이 비교적 높게 나타난 연구 결과도 있다. 이 결과를 통해 연구자들은 임신 초기의 스트레스와 영양부족이 막 발달하는 태아의 두뇌 속 후성유전체에서 잘못된 스위치의 작동을 일으킨 것으로 추측할 수 있었다.
육체적 측면뿐만 아니라 정신적인 건강에도 후성유전적 변화가 중요한 의미를 지닌다는 실험 결과 역시 책을 통해 다양하게 접할 수 있다. 예컨대 뇌과학자이자 행동생물학자인 마이클 미니 Michael Meaney는 이른바 ‘핥기 및 털 손질 licking and grooming’ 실험을 통해 어미 쥐가 털을 자주 핥아주고 손질해줄수록 태어난 지 얼마 안 된 새끼 쥐는 안정감을 크게 느낀다는 결과를 도출했다. 그리고 이때 새끼가 느낀 안정감의 효과는 특별한 일이 없는 한 일생 동안 지속되었다. 실험동물들의 성격은 유전자보다는 특정 시기, 즉 생후 초기의 경험에 따라 눈에 띄게 달라졌던 것이다.
또한 저자는 임신 후기의 스트레스와 자녀의 스트레스 질병 사이의 상관관계에 관한 실험 결과를 소개하기도 한다. 실험에서는 유년기에 학대당한 경험이 있는 자살자의 두뇌를 분석하여 해마 세포가 유아기의 트라우마에 대해 반응하는 것을 확인할 수 있었는데, 이를 통해 특정 시기의 경험이 인간의 육체적·정신적 건강에 막대한 영향을 끼친다는 것을 다시금 확인할 수 있다.
줄기세포 연구로 유명한 루돌프 재니시는 “후성유전체는 유전체가 환경과 의사소통할 때 쓰는 언어다”라고 말한 바 있다. 모든 사람은 모든 세포 내에 동일한 유전체를 가지고 있다. 동시에 모든 사람은 엄청나게 많은, 서로 다른 후성유전체를 가지고 있다. 그러므로 저자는 이런 후성유전체의 다양성이 연구될 때 비로소 새로운 연구와 치료에 대한 무한한 가능성들이 열린다고 지적한다. 후성유전학은 매우 힘이 센 어머니인 유전학이 스스로의 힘으로 할 수 없었던 일, 바로 21세기의 바이오의학 혁명을 완수하는 일을 해낼 것이다. 이 책이 그러한 후성유전체의 물결을 알리는 메신저의 역할, 혹은 대중을 위한 친절한 사용설명서의 역할을 할 수 있길 소망한다.
리처드 도킨스가 말한 ‘이기적 유전자’에 대비하여 볼 수 있는 것으로, 유전자를 이타적으로 기능할 수 있도록 훈련시킬 수 있는 것이 바로 후성유전체다. 후성유전체는 유전자와 환경 사이에 놓인 가교라고 할 수 있다. 이 후성유전체의 물결을 알리는 메신저로서의 역할, 또는 길라잡이의 역할을 이 책 [인간은 유전자를 어떻게 조종할 수 있을까]는 제대로 할 것으로 기대된다.
- 강경훈 / 서울대학교 암연구소 교수, [후성유전학-DNA 메틸화에 대한 이해] 저자
인간은 몸에 대해 자유롭다
후성유전학의 발달은 암 치료나 줄기세포 연구에 특히 큰 변화를 일으키고 있다. 이 책에서도 설명하듯이 히스톤을 변화시키는 후성유전적 효소를 억제하는 약물이 실제로 암 치료에 쓰이고 있거나 임상실험 중에 있다. 또 후성유전학은 줄기세포 연구자들이 세포를 조작하는 데도 중요한 역할을 할 것이다. 앞으로 각종 질병의 치료와 약물 개발에 있어 후성유전학적 지식이 지대한 영향을 끼치리라 확신하게 하는 대목이다.
오랫동안 인정받아온 저명한 학자들의 연구 결과, 그리고 학계에서 서서히 나타나고 있는 변화 등을 폭넓게 소개하고 있는 이 책이 누누이 강조하는 바는 결국 ‘스스로를 유전자의 꼭두각시로 생각하지 말라는 것’이다. 사실 아직도 적지 않은 사람들이 유전에 관한 한 일종의 숙명론에 사로잡혀 있다. 외모, 지능, 체질, 성향 등 몸과 마음을 구성하는 많은 것들이 DNA에 박혀 있고, 또 그것이 대대로 전해진다는 믿음은 꽤 일반적이며 공고하지 않은가. 그러나 이 책의 저자는 이렇게 역설한다. “우리는 유전물질에 영향을 미칠 기회들을 가지고 있다. 우리 인간은 몸에 대해 그렇게 자유롭다”라고.
실제로 우리는 시시각각 우리 몸에 대해 커다란 자유를 행사한다. 지금 우리가 어떻게 살고 있느냐가 곧 우리의 건강, 그리고 수명을 좌우한다. 운동이 필수고 소식 小食이 좋다는 건 누구나 주지하는 사실이다. 그러나 그것이 어째서 반복하여 강조할 수밖에 없는 사실인지 과학적 근거를 떠올리기는 쉽지 않다. 이 책은 바로 그 근거가 될 예를 상세히 보여준다. 저자는 특히 대표적인 장수 지역으로 손꼽히는 오키나와의 문화를 자주 거론한다. 오키나와 사람들은 술, 담배를 멀리하고 저염식, 저지방의 식단을 즐기며 실제로 너무 적어 보이는 식사량, 그리고 많은 운동량 등을 고수한다. 그 덕에 그들의 체질량지수는 낮아지고 수명은 길어진다.
연구자들에 의하면 수명을 결정하는 요인으로는 가족 형태, 교육 정도, 직업, 수입, 사회적 지위, 스트레스를 받는 정도, 습관, 병력 등이 있는데, 특히 수명을 가장 단축시킬 수 있는 것은 건강하지 못한 생활방식이라고 한다. 실제로 건강하지 못한 생활방식은 후성유전체에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 만약 태아기나 유아기와 같은 특정한 발달 시기 동안 체내에 잘못된 프로그램이 입력되고 이후 나쁜 생활방식까지 갖는 사람의 경우, 질병을 피하기가 어려워진다는 것이다.
어떤가. 오늘도 우리는 대부분의 시간을 소파에 앉아서 보내며 고열량, 고염분의 음식도 때때로 먹었는지 모른다. 몇 번쯤은 페트병에 손을 댔을지도 모른다. 그뿐인가. 때로는 알코올이나 니코틴마저 허락했을지도 모른다. 지금 당장 그 모든 것들을 아예 끊고 백 퍼센트 건강한 습관만 지니라는 주문은 비현실적이거나 가혹해 보일 수도 있다. 그러나 후성유전학자들은 충고한다. 이런 것들이 남기는 악영향이 우리 몸에만 남는 것이 아니라 대대로 전해질 수 있다고.
다양성은 인간이 급격한 환경변화에 적응할 수 있게 해주는 가장 중요한 요소이다. 거의 모든 생명체는 다세포체로 진화하면서 동일한 성질을 가지는 단위세포들이 한 생명체로서 같이 살아가기 위해 다양한 기능을 분담할 수 있는 수단이 필요하다. 그런가 하면 각 개체의 세대 내에서 일어나는 급작스런 환경의 변화에 적응하여 살아남기 위한 수단도 절실히 요구된다. 후성유전은 이러한 고차원적인 생명체로의 진화과정에서 유전학으로만은 해결할 수 없는 문제를 풀어낸 자연의 법칙이다. 페터 슈포르크는 [인간은 유전자를 어떻게 조종할 수 있을까]에서 후성유전과 관련된 다양한 연구 결과에 대해 설명하고 있다. 특히 교육 및 건강 등 우리 일상생활에 대한 이슈들을 자연과학적 근거와 접목시켜 알기 쉽게 풀어낸 이 책을 많은 독자들에게 권하고 싶다.
- 김영준 / 연세대학교 생화학과 게놈기능제어연구단 교수
저자의 말 : 새로운 혁명이 시작되다!
프롤로그 : 후성유전학은 우리의 삶을 어떻게 바꿀 것인가
TAKE 1 유전자는 왜 스위치를 필요로 할까?
유전학에서 후성유전학으로…
TAKE 2 인간이 유전물질에 대해 힘을 행사할 수 있는 이유
환경의 영향에 대한 고찰
TAKE 3 인성은 어떻게 형성되는가
강인한 성격을 만드는 것
TAKE 4 건강과 후성유전학
질병의 예방은 모태에서부터 시작된다
TAKE 5 오래 살 수 있게 하는 생물학적 프로그램
장수하고 싶다면 기억해야 할 것들
TAKE 6 특별한 책임
우리는 유전자만 물려주는 것이 아니다
TAKE 7 새로운 길목에 선 바이오의학
후성유전체 프로젝트
에필로그
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