2강 무엇이 암을 유발하나?
오늘은 무엇이 암을 유발하는지에 대해 얘기하겠습니다. 대체 어떤 일이 벌어져야 암이 발생하게 되는 것일까요? 아시겠지만 세포의 주요 유전자에 돌연변이가 발생하면 손상된 돌연변이 유전자는 세포에게 명령하기 시작합니다. 증식하면 안 되는 상황에도 비정상적으로 증식하도록 말입니다. 이 돌연변이 DNA 즉 손상된 유전 정보가 암 발생의 핵심입니다.
[세포 분열과 돌연변이 유전자]
DNA의 2중 나선 구조를 살펴보겠습니다. DNA는 염기쌍으로 구성되어 있습니다. A는 T와 쌍을 이루고, C는 G와 쌍을 이룹니다. 이것이 바로 정상적인 DNA 구조 모습입니다. DNA 구조가 변형된다는 것은 이 글자들의 순서, 즉 염기쌍들의 순서가 바뀐다는 뜻입니다.
세포가 분열되는 과정에서 어떤 일이 일어나는지 아는 것은 매우 중요합니다. 왜냐하면 세포는 분열할 때 두 딸 세포에게 DNA 2중 나선을 공평하게 분배해야 하기 때문입니다. 정상적인 세포 분열에 대해 알려면 먼저 이해해야 할 것이 있습니다. 바로 DNA가 복제되는 과정입니다.
지금 보시는 것은 복제 중인 DNA 분자입니다. 원본 나선이 풀리고 있는 것이 보입니다. 2중 나선이 서로에게서 떨어지면서 풀리고 있습니다. 이 두 가닥은 복제되어 딸 세포들의 나선이 됩니다. DNA를 정확하게 복제하는 것은 딸 세포들이 DNA를 온전하게 분배받는 데에 아주 중요합니다.
지금 보시는 것은 DNA가 복제되는 아주 복잡한 과정입니다. 원본 나선이 풀린 후에 복제되는 과정입니다. 두 가닥 다 잘 복제되고 정확하게 복제되었습니다. 이제 새로운 딸 나선은 원본 나선의 복제품이 된 것입니다. 이 과정이 항상 계획대로 이루어지는 것은 아닙니다.
가끔 실수가 일어나기도 합니다. 예를 들어 원본나선의 가닥에 G가 있는 상황인데, 복제가 정상적으로 이루어진다면 C가 결합해야 합니다. 그런데 정확한 복제를 담당하는 복제 복합체가 실수를 저지른 것입니다. 이런 실수는 100만 번 중의 한번 꼴로 일어납니다. 복제 복합체가 C대신 T를 결합한 것입니다. 그 결과 새로 복제된 나선의 염기 서열에 잘못 복제된 글자가 있게 되는 것입니다. 이 잘못 복제된 염기가 바로 돌연변이입니다.
이보다 더 끔찍한 실수가 일어나기도 합니다. 예를 들어 이 DNA의 복제 과정에서는 복제되고 있는 나선 두 가닥 중 한 가닥이 절단된 것을 볼 수 있습니다. 이 절단은 DNA 이중 나선 구성에 큰 제약이 될 수 있습니다. 이런 실수는 다른 실수보다 훨씬 심각하고 고치기도 힘듭니다. 그래서 DNA가 복제되는 매 순간에는 여러 가지 위험이 따릅니다. 대부분의 복제 과정에서 실수가 일어나지 않는 것이 오히려 기적인 셈입니다. 세포가 성장하고 분열할 때마다 약 20억 개의 염기가 복제되는데 거기서 잘못 복제되는 염기는 3개, 4개, 5개 정도입니다. 그 20억 개 중에서 입니다.
"그럼 대체 뭐가 문제냐?"라고 생각하실 수 있습니다. 여기서 문제는 우리가 큰 몸집을 가지고 있고, 길고도 복잡한 생명활동을 한다는 데에 있습니다. 즉. 평생 살면서 수없이 많은 DNA 복제 과정을 겪어야 한다는 것입니다. 우리는 살면서 큰 몸에 대한 대가를 치러야 합니다.
우리 몸은 30조 개의 세포로 구성되어 있습니다. 그만큼 우리는 매우 복잡한 생명체라고 할 수 있습니다. 우리의 모든 세포는 평생 대략 300번 교체된다고 할 수 있습니다. 인간의 평균 수명을 생각해 보면 우리는 평생 1경 번의 세포 분열을 겪습니다. 그 말은 DNA 복제가 천만번, 십억 번이나 이뤄진다는 것입니다. 우리가 살아가는 70년, 80년, 90년 동안입니다. 그렇기 때문에 DNA 복제 중 실수가 일어날 가능성도 차고 넘칩니다. 그만큼 우리에게 암이 생길 위험도 높아집니다. 이 위험성은 우리가 작은 포유류에서부터 지금의 크기로 진화해 오면서 더욱 커졌습니다.
[돌연변이를 유발하는 외부 침입자]
물론 DNA 손상은 다른 요인 때문에도 이뤄나는데, DNA 복제 과정이 아닌 다른 요인으로 DNA가 손상되기도 합니다. 그 요인은 우리 몸 바깥에서 들어오기도 합니다. 우리 몸을 통과하는 햇빛은 피부 세포의 DNA를 변이 시키는 요인 중 하나입니다. 옥수수와 쌀에 생기는 곰팡이는 곰팡이는 특수한 독소를 만드는 데에 이 독소는 단세포의 돌연변이를 일으킬 확률이 높습니다. 다들 아시다시피 가장 대표적인 발암물질은 담배입니다. 조금 더 정확하게 말하자면 흡연 행위입니다. 담배 연기에는 다양한 화학물질이 들어있습니다. 이 화학물질은 폐에 흉강 세포에 침입해 DNA를 변이 시킵니다. 결과적으로 흡연자의 폐 세포는 평생 흡연하며 들이마신 화학물질로 인해 돌연변이로 가득 차게 됩니다.
여기 이 그래프의 가로열에 10가지가 넘는 다양한 종양들이 나열되어 있습니다. 세로 열은 다양한 종양 유전체에서 알아낸 변이의 정도와 밀도를 나타냅니다. 가장 오른쪽에는 흑색 종이 있습니다. 흑색 종은 UV 노출, 즉 자외선에 노출되어서 생깁니다. 그 옆에는 폐암 유전체 두 종류가 있습니다. 폐암은 대부분 흡연 때문에 생깁니다. 가장 왼쪽에는 백혈병이 있습니다. DNA의 아주 일부분만 변이 한 것을 알 수 있습니다.
요약하자면 변이의 종류와 밀도에 따라 암의 종류가 달라진 다는 것입니다. 이것은 우리의 DNA의 여러 가지 변이 요인이 있다는 것을 말해줍니다. 시간이 지나면 이 유전자들은 다양한 암을 발생시킬 수 있습니다.
[돌연변이를 유발하는 또 다른 요인들]
이 밖에도 변이 요이은 더 있습니다. 세포는 분열할 때마다 염색체를 분배하는 데 염색체 한 쌍을 두 딸 세포에게 분배해야 합니다. 인간의 정상 세포에는 염색체 46개가 있다는 것을 기억해 주세요. 모세포는 분열할 때 하나의 딸 세포에게 46개의 염색체를 또 다른 쪽에도 46개를 분배해야 합니다. 염색체의 정확한 분배는 매우 중요한데, 두 딸 세포가 온전한 염색체를 물려받을 수 있을지 없을지를 결정하기 때문입니다. 이 과정 또한 잘못될 수 있습니다. 아주 엉망이 될 수 있습니다.
왼쪽은 세포가 정상적으로 분열하는 모습입니다. 반면 오른쪽은 아주 비정상적인 모습입니다. 하나의 세포가 세게의 딸 세포로 분열되기 때문에 당연히 정상적인 분열로 볼 수 없습니다. 아주 비정상적입니다. 이렇게 분열되면 딸 세포들이 염색체를 제대로 물려받을 기회조차 없습니다. 정상적인 유전자를 받을 기회가 없는 것입니다. 여기 또 다른 사진을 보면 세게의 세포가 한바탕 싸움을 벌이고 있습니다. 중앙에 있는 염색체를 어떤 세포가 가져갈지를 두고 다투는 것입니다.
이렇게 세포들 사이에서 싸움이 일어나면 딸 세포들 중 하나는 유전적으로 아주 비정상적인 세포가 될 수 있습니다. 유전자를 적절히 분배받지 못했기 때문입니다. 염색체 세트를 제대로 갖추지 못하면 돌연변이가 될 수도 있다는 사실을 기억하십시오.
지금 보시는 돌연변이 종류는 아마 이전에 보셨을 텐데, 이는 아주 비정상적인 염색체입니다. 끊어져 있기도 하고 서로 붙어있고 합니다. 모든 암세포에서 자주 발견되는 염색체입니다. 심하게 변이 되어 있습니다.
[세포는 어떻게 증식 여부를 판단할까?]
우린 세포가 DNA 정보에 따라 행동을 결정한다는 사실은 알지만, 아직 그 행동을 어떻게 결정하는지는 다루지 않았습니다. 세포는 증식 여부를 어떻게 결정하는 것일까요? 여기 현미경으로 본 세포 100개의 사진이 있습니다. 이 세포들은 끊임없이 서로 소통하면서 세포와 증식해도 좋을지 아닐지를 결정을 내리고 서로에게 전달합니다. 이런 결정은 한 조직 안에 있는 모든 세포들에게 공유됩니다. 이처럼 정상 조직에서 한 세포가 독단적으로 내릴 수 있는 결정은 결코 존재할 수 없습니다. 이제 한 세포가 증식 여부에 대한 정보를 어떻게 이웃세포로 부터 전달받는지 알아보겠습니다.
세포는 세포막의 특별한 단백질을 가지고 있습니다. 우린 이것을 수용체라고 합니다. 이 수용체들은 세포 표면에 노출되어 있습니다. 조직의 다른 곳이나 이웃 세포로부터 안테나처럼 신호를 받습니다. 세포 표면의 수용체는 이런 신호들을 받아 세포 내부로 전달합니다. 그리고 마지막으로 그 신호를 세포핵으로 전달합니다. 왜냐하면 결국 세포핵이 세포의 증식 여부나 분열과 같은 결정을 최종적으로 판단하기 때문입니다.
사실 수용체가 신호를 받아 정보를 전달하는 과정은 매우 복잡합니다. 아주 복잡한 신소 전달 기구입니다. 신호 전달이라고 말할 때 그것은 여러 단백질들이 전기 회로 판처럼 구성되어 있는 것을 말합니다. 이 신호 전달기구는 신호를 분석하고 세포가 증식할지 말지 결정을 내리는데 도움을 줍니다. 다시 말해서 수용체는 신호를 세포질로 전달합니다. 이 세포질은 세포의 바로 바깥에 있고, 결국 수용체 단백질을 신호를 처리해 세포핵이 결정을 내릴 수 있도록 도움을 줍니다.
여기서 수용체가 어떻게 기능하는지를 볼 수 있습니다. 평소 수용체는 세포 표면에 드러나있습니다. 보시다시피 가만히 있습니다. 이때에는 아무런 신호도 내부로 보내지 않습니다. 이 수용체는 다른 세포로부터 증식을 알리는 신호를 기다리고 있습니다. 이제 다른 세포로부터 신호가 들어옵니다. 신호 분자는 파란색으로 표시되어 있습니다. 세포 바깥에서 온 신호 분자는 수용체와 결합합니다. 신호를 받은 수용체는 세포 안쪽으로 신호를 전달합니다. 바깥에서 신호가 도착했다고 세포 내부에 알리는 것입니다. 내부의 도착한 신호는 세포가 증식하도록 만듭니다.
앞서 얘기했듯이 수용체는 가끔 비정상적으로 수행합니다. 수용체가 손상을 입으면 이웃 세포로부터 신호를 받지 않았는 데에도 신호를 받았다고 착각하여 세포 내부로 신호를 보냅니다. 조직 내 세포나, 몸속 어디에서도 증식을 촉진하는 파란색 신호를 보내지 않았는데도요. 그래서 가끔씩 세포들은 속아서 교란당했다고 합니다. 제대로 작동하지 않는 수용체 때문에 증식하지 말아야 할 때에도 증식신호가 들어왔다고 생각합니다. 신호를 받지 않았는데도 증식을 시작하는 일은 아주 부적절인 일입니다.
DNR가 RNA를 RNA는 단백질을 만드는 근본적인 법칙을 다시 기억해 봅시다. 수용체를 만드는 유전자가 손상되었다면 수용체의 기능 역시 망가집니다. 말하자면 DNA 돌연변이는 비정상적인 단백질을 만들고, 이 비정상적인 단백질이 신호 전달에 관여하면 증식하지 않아야 할 때에도 세포 증식이 시작되는 것입니다. 이제 DNA 변이가 어떻게 세포를 통제할 수 없을 정도로 증식하게 만드는지 이해되실 것입니다.
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