로버트 와인버그 - 암, 1강 암이란 무엇인가?

 

 

 

1강 암이란 무엇인가?

 

[내레이션]

 이것은 두렵습니다. 죽음과 맞닿아 있습니다. 수많은 과학자들이 매달렸습니다. 그중에서 암의 실체에 가장 가깝게 다가간 사람이 있습니다. 암 발생의 메커니즘을 최초로 발견해 낸 과학자. 이것이 어둡던 세상을 환하게 밝혔습니다. 알면 무서움은 조금 덜 해집니다. 암 연구의 세계적인 권위자 로버트 와인버그입니다.

 

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 오늘 전 암에 대해서 이야기하려 합니다. 지난 40년 동안 제 실험실에선 암 형성에 대해 여러 가지 연구를 해왔습니다. 그것이 제가 오늘 여러분과 얘기하려는 주제입니다. 암이란 무엇인가? 암의 본질은 무엇일까? 암은 어떻게 형성되는 것일까? 무엇보다 먼저 우리가 이해해야 할 것은 암은 우리의 몸 바깥에서 안으로 들어오는 외부의 침입자가 아니라, 몸속 조직에서 시작된다는 것입니다. 암은 우리의 몸과 다양한 조직에서 생기는 존재입니다. 암은 잘못된 시간과 장소에서 세포가 증식해 발생하는 질병입니다. 결국 암은 세포 질환이라고 말할 수 있습니다. 세포와 조직들이 제대로 작동하지 못하게 하는 질병인 것입니다. 암은 몇 가지 단계를 거쳐 발생합니다. 이 단계들을 거치면서 암은 점점 공격적으로 성장합니다. 이것을 종양이라고 부릅니다.

 

 즉 초기 세포가 일련의 변화를 거치면서 점차 공격적인 성향을 갖게 되는 것입니다. 그렇게 공격적으로 변한 세포는 점점 더 비정상적인 세포 집단으로 자랍니다. 이 비정상적인 세포 집단은 결국 종양을 형성합니다. 종양은 이 모든 과정이 처음 시작된 부위에서 증식합니다. 시간이 지나면 인접한 조직으로 침투하기도 합니다.

 

 

 이런 과정을 암의 진행이라고 부릅니다. 여기서 중요한 것은 암세포들이 성장 단계를 거칠 때마다 점점 더 비정상의 정도가 높아진다는 것입니다. 그렇게 비정상성이 커져서 암세포는 세포 집단으로 발전합니다. 그리고 세포 집단은 조직 형태로 커지며, 이 조직 전체를 통틀어 종양이라고 합니다. 이때 복잡한 정도는 한층 더 높아집니다. 왜냐하면 정상적인 세포에서 매우 비정상적인 세포가 된 암세포는 일련의 돌연변이 유전자를 얻게 되기 때문입니다. 여기 예시가 있습니다.

 

 

 먼저 APC 유전자의 변형이 일어나고, DNA 메틸화에도 영향을 끼칩니다. 18번 유전자에도 변화가 나타납니다. 그다음엔 RAS 종양 유전자, P53 유전자 순으로 변화가 일어납니다. 이렇게 정상 세포에서 심각한 악성 종양으로 발달하면서 암세포는 돌연변이 유전자를 얻습니다. 바로 이 돌연변이 유전자가 암세포를 점점 더 비정상적으로 만듭니다. 다시 말해 돌연변이 유전자는 암세포가 비정상적으로 행동한 결과라기보단, 암세포를 비정상적으로 행동하게 만드는 원인인 것입니다. 점점 얘기가 복잡해집니다. 여기 표시된 것을 보겠습니다.

 

 

 위 그림은 유전 정보의 매우 중요한 정보를 보여줍니다. 온전한 정상세포에서 심각한 수준의 악성종양으로 발전하면서 유전 정보가 점점 망가지고 있는 것을 알 수 있습니다.

 

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 다음 자료는 종양학자나 암 전문의가 자주 보는 사진입니다. 식도암, 대장암, 뇌, 유방, 간에서 형성되는 종양입니다. 우린 이제 높은 수준의 기술 덕분에 종양을 볼 수 있게 되었습니다. 50년 전이나 100년 전에는 불가능한 일이었습니다.

 

 이 사진은 현미경으로 본 정상 세포입니다. 보시다시피 100개의 세포들이 구조적으로 완벽한 조직을 형성하고 있습니다. 여기 보이는 모든 세포들은 조직 사이의 체액을 공급하는 채널을 만들기 위해서 마치 하나의 협력하는 기업체처럼 서로 상호작용을 하고 있습니다. 약 3 * 10의^13(=30조 개) 이르는 세포가 우리 몸을 형성하고 있습니다. 즉 30조 개의 세포들이 서로 협력하여 아주 기능적이고 정상적인 조직을 형성합니다. 이 정상조직에 있는 각각의 세포들은 이웃 세포들과 서로 소통합니다. 세포 아파트가 잘 기능하려면 어떻게 행동해야 하는지 서로 의존하는 것입니다. 

 

 이제 반대로 종양의 모습을 보도록 하겠습니다. 정상 세포와는 다르게 암세포의 활동은 서로 협력하려는 욕구로 조절되는 것이 아닙니다. 비 정상적인 암세포는 단 하나의 동기로만 움직입니다. 오로지 자기 증식입니다. 자기 복제를 더욱더 많이 하려는 것입니다. 암세포는 정상 조직을 만들거나 기능을 잘 해내는 데에는 전혀 관심이 없습니다. 그렇기 때문에 정상 조직과는 전혀 다른 모습입니다.

 

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[세포를 비정상적으로 만드는 것은 무엇인가?]

 그럼 이제 무엇이 세포를 정상으로 만들고, 비정상적으로 만드는지 궁금해지실 것입니다.

 

 여기 실험실 페트리접시에 배양된 개별 세포가 있습니다. 하얀 윤곽선으로 보이는 것이 세포핵입니다. 세포핵 속에는 세포의 행동을 지배하는 정보가 들어있기 때문에 세포의 뇌라고도 불립니다. 이 세포에게는 염색체가 포함되어 있습니다. 그리고 각각의 염색체 속에는 DNA 분자가 있습니다. 우리가 잘 알고 있는 DNA 2중 나선 구조는 모든 염색체에서 발견됩니다. 염색체의 담긴 모든 DNA를 길게 펼쳐보면 약 1M에서 2M 정도가 되는데, 그렇기 때문에 세포 안의 있는 모든 DNA를 작은 염색체 안에 담으려면 엄청나게 압축해야 합니다.

 

 여기 있는 DNA 분자를 살펴보겠습니다. DNA는 유전적 생물학적 정보를 담고 있는 정보 분자입니다. DNA 유전 정보는 알파벳 26자로 표기하지 않고, 4글자만 이용해서 나타냅니다. A, C, G, T 입니다. 이 4글자의 조합으로 지구상에 있는 모든 생명체들이 생물학적으로 얼마나 복잡한지 설명할 수 있습니다. ACGT 4글자의 서로 다른 순서와 조합이 바로 DNA의 기본요소인 것입니다. 다시 말하면 이 글자의 순서가 지구에 있는 모든 생명체의 복잡성을 결정한다고 볼 수 있습니다. 이 염기서열 체계는 대략 30억 년 전에 만들어졌으며, 살아있는 모든 세포종에 보존되어 왔습니다. 인류가 지구에 나타나기 훨씬 전부터입니다.

 

 DNA는 또 한 가지 특징이 있습니다. 다른 물체들처럼 손상을 입을 수 있다는 것입니다.

 

 

 예를 들면 붉게 표시된 위치에 T가 있는 것이 보이실 것입니다. 원래는 G가 있어야 하는 자리입니다. 다시 말해 T가 잘못된 자리에 있는 것입니다. 이것은 곧 돌연변이를 의미합니다. 이런 현상은 DNA의 변이 된 염기서열을 나타내고, 이건 DNA 속 정보가 잘못되었다는 것을 의미합니다. 정보가 잘못되었다는 것은 세포가 증식하면 안 되는 상태인데도, 오히려 증식하라고 명령을 내리는 것입니다.

 

 암이 발생하는 근본적인 원인을 살펴보려면 우리는 세포 속 DNA가 변화하는 이유, 즉 염기 서열이 변화하는 근본적인 원인까지 알아야 합니다. 염기 서열의 변화는 변질된 정보이며, 세포의 잘못된 명령을 내려서 세포가 증식하면 안 될 때에도 증식하게 만듭니다. 그래서 우린 세포를 비정상적으로 만드는 DNA 속 변질된 정보를 세부적으로 살펴볼 필요가 있습니다.

 

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[돌연변이 유전자는 단백질에 어떻게 영향을 주는가?]

 물론 세포의 생물학적 물질에서 정보가 어떻게 코드화되는지 중요하게 검토해보아야 합니다.

 

 

제가 여러분에게 보여드린 DNA 염기 서열은 RNA로 복제되며 RNA는 단백질을 만듭니다. DNA는 정보를 담고 있고, 실제로 세포 작업을 수행하는 것은 단백질입니다. 단백질은 생화학적인 반응을 수행합니다. 그리고 구조를 만듭니다. 단백질은 생화학적인 반응과 구조를 통해 이 지구상에 존재하는 복잡한 생명활동을 주관합니다. DNA가 RNA를 RNA가 단백질을 만드는 이 패러다임은 우리 삶을 지배하는 근본적인 규칙입니다. 그래서 비정상적인 생물학적 행동에 대해 얘기할 때마다 이 관계를 기억해야 합니다. DNA가 변하면 단백질도 변하고, 단백질이 비 정상적으로 변하면 세포도 비정상적으로 행동하기 때문입니다.

 

 여기 변이 되거나 손상된 DNA 염기 서열이 있습니다. 염기서열 GGC가 GTC로 바뀐 것을 볼 수 있습니다. 다시 말해서 DNA 염기 서열에서 하나의 문자, 하나의 염기가 바뀌었다는 것입니다. 우린 이것을 돌연변이라고 부릅니다. 돌연변이는 DNA에 비정상적인 염기 서열을 나타내고, 그 잘못된 염기서열의 결과이기도 합니다. 그리고 이것은 이 돌연변이 유전자를 가진 세포의 생명 활동에 아주 큰 영향을 미칩니다.

 

 

 염기서열의 사소한 변화는 그 유전자가 만들어 내는 단백질 구조의 변화를 일으킵니다. 여기를 보면 정상 단백질 글리신 대신에 비정상 단백질 발린이 있는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 변화가 단백질이 제대로 기능하지 못하도록 만드는 데, 기능이 고장 난 단백질은 암이 걷잡을 수 없는 원인입니다.

 

 DNA가 담고 있는 정보의 변화 이 아주 단순한 하나의 변화가 세포 전체 행동에 엄청난 영향을 끼칠 수 있는 것입니다. 우린 여기에서 한 개의 세포 안에 32억 개의 염기를 갖는 DNA가 게놈을 이루고 이 DNA가 여러 곳의 분포되어 있다는 것을 알 필요가 있습니다.

 

 

 여기 빨간 부분이 유전자입니다. 이 유전자는 다른 유전자 그룹과 분리되어 있습니다. 각각의 유전자 그룹은 서로 다른 단백질을 생산합니다. 각각의 유전자들은 제대로 된 단백질을 만들게끔 적절한 지시를 내립니다. 반면에 우리 게놈의 2만 개의 유전자가 존재하긴 하지만, 여기 보이는 빨간색 유전자들 사이에는 노란색으로 표시된 길게 뻗은 DNA가 있습니다. 그리고 이 노란색 부분은 단백질 생산을 담당하지 않습니다. 유전체의 그저 존재할 뿐, 세포의 행동에는 관여하지 않습니다.

 

 제가 방금 설명한 2만 개의 유전자는, 2만 개의 단백질을 생산합니다. 여기 다양한 모양과 기능을 가진 여러 종류의 단백질을 묘사한 그림이 있습니다. 이 다양한 단백질들은 생화학반응을 수행하고, 세포의 구조를 만들고 최종적으로 조직의 복잡한 구조를 구축합니다. 2만 개의 유전자 중 아주 일부분만이 세포 증식 같은 행동을 결정하는 데에 중요한 역할을 합니다.

 

 앞서 이야기한 것을 확장시켜 보면 게놈의 빨간 부분, 즉 코딩 유전자의 돌연변이가 생기면 손상된 유전자가 되고, 이것은 세포의 표현형, 즉 세포의 행동을 변화시킬 수 있습니다. 반면 유전자 사이에 존재하는 노란 부분은 몇 가지 기능을 갖고 있지만 정크 DNA라고도 불립니다. 이 노란색 부분에 생긴 돌연변이는 생물학적 기능에 영향을 주지 않습니다. 돌연변이를 일으킬 순 있지만, 세포의 행동에 어떤 심각한 영향도 주지 않는 것입니다.

 

 아직 우리가 다루지 않은 DNA 속 다른 변화가 있습니다. 여기에 한 세포의 유전자가 있습니다.

 

 

 이 유전자는 큰 손상을 입었습니다. 여기에 보이는 파란색 부분은 잘려서 삭제되거나 폐기된 유전자를 나타냅니다. 이 파란 부분이 지나치게 커지면 유전자가 삭제되거나 유전자 전체가 제거되기도 합니다. 파란 부분 외엔 유전자 안에 그대로 남아 있습니다. 유전자의 주요 부분들이 삭제되면 유전자는 비활성화됩니다. 아예 처음부터 없었던 것처럼 비활성화되는 것입니다. 게놈에 있는 정보 목록에서 완전히 사라져 버리는 것입니다. 

 

 

 이것은 사람의 정상 세포 속 염색체입니다. 제가 말씀드렸던 것처럼 46개이며, 쌍으로 배열되어 있습니다. 이중 23개는 어머니에게서, 나머지는 아버지에게서 받습니다. 여기 보이는 것처럼 매우 잘 구조화되어 있습니다. 반면 암세포의 염색체는 매우 무질서하고, 혼란스럽고 무작위 하게 결합되어 있습니다. 이것은 유전적 장애와 혼란을 나타냅니다. 결과적으로 유전적인 돌연변이의 척도가 되는 것입니다.

 

 돌연변이가 어떻게 세포의 행동에 영향을 주는지, 어떻게 이런 세포들이 생명을 위협하는 종양이 될 수 있는지 탐구하기 시작한 이상, 우린 다양한 종류의 돌연변이를 받아들여야 합니다.