대학에서 수년 간 생물학을 가르치다 보니, 여러 가지 재미있는 질문들을 접하게 된다. 그 중에 최근 꽤 여러 번 받는 질문 중에 하나가 ‘세포도 자살하는가’라는 것이다. 이 질문에 대한 해답을 밝힌 세 명의 과학자들이 올해 노벨상 공동 수상자로 결정되었다.
세포는 생명체의 기본
‘왜 세포가 자살하는가’를 알기 전에 먼저 세포가 무엇인지에 대해 알아보고, 세포 자살에 대해 개략적으로 설명한다.
일반생물학 첫 시간에 강의하는 내용 중의 하나가 ‘세포설’이다. 모든 생명체는 세포로 이루어져 있다. 약 340여 년 전에는 현미경이 발견되지 않아 생물체가 세포로 구성되어 있다는 사실을 알지 못했다. 그러나 네덜란드의 유리연마공 레벤후크가 현미경을 발명하였고, 1665년 영국의 현미경 학자 로버트 후크가 식물의 코르크 박편에서 벌집과 같은 소단위 구조물을 관찰하고 이를 ‘세포’라 명한 것이 오늘까지 그대로 사용되고 있다. 이것이 세포의 발견이다. 그 후 200년이 지난 19세기에 로버트 브라운은 세포 중심에 DNA라는 유전 정보를 함유하여 매우 중요한 역할을 하는 ‘핵’을 발견하였다. 세포는 핵과 그 주위를 싸고 있는 세포질로 이뤄졌다고 할 수 있다. 세포핵 발견 이후 “모든 생명체는 세포와 그 생성물에 의해 이뤄졌다”고 하는 ‘세포설’이 확립되어 오늘에 이르고 있다.
세균을 포함한 모든 생명체는 세포라는 독립된 구조로 이루어져 있다. 단지 차이가 있다면 그 수가 다르다는 것뿐이다. 대개 미생물은 하나의 세포로, 사람은 4∼6조 개의 세포로 만들어져 있다. 세포의 크기도 제각각이다. 가장 작은 미생물의 세포는 직경이 0.1 마이크로미터 정도이고, 가장 큰 세포는 새의 알이라고 알려져 있다. 그러나 일반적으로 미생물의 세포는 대개 직경이 1∼10 마이크로미터 정도이고, 동물이나 식물의 세포는 10∼100 마이크로미터 정도로 알려져 있다. 물론 이들은 현미경에서만 관찰된다.
세포의 구조 조정
모든 생명체의 세포는 기본적으로 유한한 수명을 가지고 생성한 후 성장, 분화를 거쳐 죽어가게 된다. 이렇게 세포가 죽어 가는 현상을 세포죽음(cell death)이라 한다. 세포가 죽어 가는 데에 대표적인 두 가지 방법이 있다. 필자가 강의 시간에 세포가 죽는 방법과 경로를 설명하기 위해 예로 드는 것을 인용하면 이해하기 쉬울 것 같다.
사람이 죽는 방법에는 두 가지가 있다. 첫째 방법은 갑자기 자동차 사고를 당하거나 흉기 등으로 비명 횡사해 본인은 물론, 주위에 놀라움을 끼치는 경우이다. 세포도 마찬가지이다. 이런 방법으로 세포가 죽는 것은 다소 계획적이지 못하고 주위 세포에도 해를 끼치게 된다. 세포가 칼에 베인다거나 불에 데었을 때, 혹은 암세포 증식에 의해 정상 세포가 침입을 당했을 때 세포는 죽을 준비가 되어 있지 않아 불의의 비명 횡사를 하게 된다. 이런 경우를 세포 괴사 혹은 전문 용어로 네크로시스(necrosis)라 한다. 세포가 터져 내용물이 나오고 염증 반응을 일으켜 주위 세포들에게 해를 입히는 매우 조악한 죽음 방법이라 하겠다.
둘째 방법은 수명이 다 되거나 혹은 병에 걸려 예상대로 자연스럽게 죽어 가는 경우다. 사람과 마찬가지로 세포도 수명이 다 되었거나 할 일을 마쳤을 때 혹은 정상 세포가 병균 등 감염에 의해 죽어 가는 경우가 있다. 이를 세포 사멸 혹은 세포 자살(programmed cell death)이라 명명하며 전문 용어로 에이팝토시스(apoptosis)라 한다. 주위 세포에 전혀 해를 주지 않고 자연스럽게 그 세포만 죽어가면서 내부 물질을 다시 사용할 수 있도록 하는 생명체에 매우 이로우며 필요한 과정이다.
하나님께서 생명체를 효율적으로 작동하도록 만드셨다. 따라서 생명체가 필요에 의해 알아서 계획적으로 자살시킴으로써 세포 ‘구조 조정’을 통해 전체 생명체에 도움을 주는 과정이라 생각하면 이해가 쉽다. 이런 일이 일어나기 위해선 세포 안의 효소 및 많은 단백질들이 이 과정에 정교하게 참여하게 된다. 이 때 핵 안의 DNA는 캐드(CAD)라는 효소에 의해 조직적으로 분해되어 재생산을 위해 준비되고, 세포질 내의 단백질도 캐페이즈(caspase)라는 효소들에 의해 조직적으로 분해된다.
생명 본질을 이해하는 연구
세포 자살의 예를 들면 발생 과정에서 올챙이의 꼬리 세포가 없어지는 과정은 프로그램에 의해 진행되는 것이다. 주위에 해를 입히지도 않고 또 내용물을 다시 사용할 수 있는 매우 중요한 과정이라 하겠다. 일반적으로 세포 자살은 생명체의 다양한 생리 작용을 정상적으로 유지하는데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그러나 세포 자살 방법에 이상이 생겼을 때 노인성 치매, 암 같은 퇴행성 질환, 신경성 혹은 면역계의 발병 과정에 깊이 관여하는 것으로 알려져 있다.
따라서 생명체 내에서 세포 자살 현상이 어떤 경로를 통해 조절되는지 밝히는 것은 생명의 본질을 이해하는데 매우 중요하다. 또 앞에서 언급한 여러 질병들의 발병 원인들을 생물학적으로 이해하는 데도 도움이 된다. 1990년대에 들어 무한한 응용 가능성 때문에 많은 연구자들에 의해 세포 자살의 생화학적 및 분자생물학적 조절 기작(mechanism)이 많이 밝혀지게 되었고, 그 결과로 올해 세 명의 생물학자가 노벨 의학상을 받게 되었다. 영국 MRC(medical research council)의 브레너와 케임브리지대의 설스턴 박사, 미국 MIT대의 호르비치 박사 등이다.
필자는 예수님을 믿는 생명 과학자로서 세포 자살의 현상을 이해하면서 중요한 사실을 깨달았다. 하나님의 피조물 중에서 최고 걸작인 생명체는 가장 효율적으로 돌아가도록 설계되어 있다는 것이다. 그 예가 세포 자살이며, 맨 눈으로 보이지 않는 세포의 구조 조정까지 계획하신 하나님의 세밀한 설계가 놀랍지 않은가?
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대학에서 수년 간 생물학을 가르치다 보니, 여러 가지 재미있는 질문들을 접하게 된다. 그 중에 최근 꽤 여러 번 받는 질문 중에 하나가 ‘세포도 자살하는가’라는 것이다. 이 질문에 대한 해답을 밝힌 세 명의 과학자들이 올해 노벨상 공동 수상자로 결정되었다.
