[안될과학 랩미팅] '텔로미어' 노화방지와 생명연장의 비밀 feat.염색체, 텔로미어의 발견

 

안녕하세요. 텔로머라제의 모든 것을 알려드리는 텔로머라제 홍보대사입니다.

 

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텔로미어란?

염색체 끝 부분에 붙어있는 반복 염기서열로,

염색체의 손상을 막아주는 역할을 함

 

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텔로머라제란?

텔로미어가 손상되면 복구, 생성해주는 효소

노화를 방지하는 효소

 

 

 

이번 시간에는 이 블로그에서 중점적으로 다루고 있는 '텔로머라제(Telomerase)'의 작용 기전(Mechanism)에 대해 자세히 설명드리겠습니다. 텔로머라제가 어떻게 텔로미어를 복구, 생성하는지 그 과정을 알아보겠습니다.

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내용을 이해하는데 DNA 복제 과정에 대한 간단한 이해가 필요한데요. 글을 읽기 전에 제가 이전에 포스팅한 DNA 복제 과정 글을 한번 보고 오시는 것을 추천드리겠습니다.이번 시간에는 유튜브 채널 '안될과학'에서 텔로미어와 텔로머라제에 대해 자세히 설명한 영상을 소개, 정리해보려 합니다. 텔로미어 발견 역사부터, 여러 연구자료까지 설명해 준 영상인데, 내용이 매우 폭 넓고 좋아서 공유해드리려 합니다.

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우선 영상은 염색체와 DNA가 무엇인지 정의하는 것부터 시작하는데요. 가끔 혼돈해 사용하기도 하는데, 명확히 짚고 알아가는게 좋을 것 같습니다.

 

 

● 염색체와 DNA 

 

 

우선 생물은 세포로 이뤄져있습니다. 세포 내에는 핵이 있고, 그 핵 안에 유전 물질이 들어있는 염색체가 있습니다. 위 사진의 염색체를 잘 보시면, 실타래처럼 엄청 엉켜있는데, 그 실타래가 바로 DNA입니다. 즉, DNA가 엄청나게 모여있는 것이 염색체인 것이죠. 

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여기서 '유전자'는 실타래 처럼 엉켜있는 DNA가 '의미있는 유전단위'를 이룰 때를 의미합니다. 즉, DNA가 여러개 있으면서, 유전정보를 담고 있는 것이 유전자 인것이죠. 쉽게 설명하기 위해 예를 들자면, DNA는 한글 ㄱ,ㄴ 같이 아직 의미를 갖기 전인 상태이고, 유전자는 공, 물 과 같이 의미를 같는 단어인 것이죠. 

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즉, 정리하자면 DNA -> 유전자 -> 염색체 인 것이죠.

 

 

● 텔로미어의 발견

 

 

텔로미어 발견은 '허먼 멀러' 라는 과학자의 초파리 염색체에 X선을 쬐는 실험에서 시작됩니다. 이 실험에서, X선을 맞은 초파리의 눈 형태가 달라지는 것을 알게 됩니다. X선이 염색체에 영향을 끼치고, 그 영향이 외형에도 변화를 준다는 사실을 알게 된 것이죠. 

 

근데, X선을 쐈는데도 불구하고 염색체의 끝부분에는 변화가 없다는 것을 발견합니다. 원인은 모르지만 끝부분이 다르다는 것을 명시하기 위해 그리스어로 끝 부위라는 뜻의 '텔로미어' 라는 이름을 붙힙니다.

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여기에 더해, '바바라 맥클린톡'이라는 과학자가 옥수수의 염색체에 변화를 주니까, 옥수수의 외형이 변한다는 것을 알게 됩니다. 여기서도 옥수수 염색체 끝부분이 다른 부분과는 다르다는 것을 발견하게 됩니다. 즉, 동물이든 식물이든 염색체 끝부분이 무언가 다르다는 공통점을 알게 된거죠. 

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이후 DNA가 유전물질이라는 것이 발견되고, Hayflick Limit, DNA복제 과정 등이 발견되면서 텔로미어에 대한 가설은 진화하게 되는데요. 위의 내용은 네이버 블로그'텔로머라제 백과사전'에서 포스팅 한 내용이므로 아래 링크에 올려두고 넘어가겠습니다. 이해가 필요하신 분들은 꼭 한번 읽고 다시 돌아오시는 것을 추천드립니다.

 

 

※DNA 복제과정 참고

DNA 복제 과정(DNA replication.. : 네이버블로그 (naver.com)

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위의 그림처럼 세포가 분열을 하면서 점점 염색체 끝부분이 짧아지는 것이 아니냐는 가설이 등장하게 됩니다. 여기에 Hayflick Limit이 결합해, 끝부분이 계속 짧아지다가 세포분열이 멈추는 것이 아니냐는 가설로 연결됩니다.

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이런 가설들만 존재하던 중, 가설들을 증명해낸 과학자 'Elizabeth Blackburn'이 등장합니다. 그녀는 Tetrahymena thermophila 라는 연못에 사는 섬모충을 연구했습니다. 이 섬모충의 RNA 끝부분에서 TTGGGG 염기쌍이 길게 반복하는 특이한 구조를 알아내게 됩니다. 그리고 Hayflick Limit 과는 다르게, 섬모충이 계속해서 세포분열 하는 것을 발견하는데요.

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TTGGGG염기쌍이 무엇인지는 잘 모르겠지만, 세포가 무한히 분열하는 것과 연관이 있다는 생각까지 하게 되는것이죠.

 

 

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이 연구결과를 Gordon Conference에서 발표하게 됩니다. 효모에 작은 염색체를 넣는 기술을 갖고있는 생물학자 '잭 쇼스택'이 이 발표를 듣고 공동 연구를 제안하는데요. 공동 연구에서, 효모세포에 TTGGGG라는 염색체쌍을 넣고 배양했더니 세포분열을 했는데도 안정화 되는 현상을 관측합니다.

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이 연구를 통해 염색체 끝부분이 특별하다는 사실을 확실히 알게 됩니다. 또한, 끝부분이 다 닳게 되면 세포분열이 멈춘다는 가설도 사실로 증명한 것이죠. 하지만 끝부분이 닳아도 계속 분열하는 섬모충에 대한 의문은 해결하지 못합니다.

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이 궁금증을 해결한 것은 엘리자베스 블랙번의 제자 '캐롤 그레이더'로, 그녀는 텔로미어를 연장시킬 수 있는 방법을 발견합니다. 즉, 텔로머라제(Telomerase)를 발견한 것이지요. 텔로머라제의 작용 기전 역시 이전 포스트에서 설명한 부분이므로, 생략하고 밑에 링크로 남겨두겠습니다.

 

 

 

 

수많은 생명체들이 텔로미어와 텔로머라제와 관련이 있고, 이것이 노화, 수명, 세포분열과 관련있다는 것을 밝혀낸 공로로, 이분들은 노벨 생리의학상을 수상하게 됩니다.

 

 

● 종 간의 텔로미어 길이

 

 

사람의 텔로미어 길이는 5-15Kb(kilo-base), 개미의 텔로미어 길이는 9-13Kb, 쥐의 텔로미어 길이는 150Kb 정도라고 합니다. 이들의 텔로미어 성분은 다른 점이 없습니다. 그러면, 텔로미어 길이가 길다고 해서 오래사는게 아니네? 라는 의문이 들겁니다.

 

 

 

위 사진에서 볼 수 있듯이, 종마다 텔로미어의 닳는 속도가 다르기 때문에, 길이가 길다고 해서 더 오래사는 것이 아닙니다. 길이 뿐 아니라 얼마나 천천히 줄어드는 지 또한 중요한 것이죠. 그렇다면 왜 닳는 속도가 종마다 다른것 일까요? 이는 텔로미어를 이루는 성분은 같은데 구조가 다르기 때문입니다.

 

 

 

 

안정적인 T Loop이나 D Loop을 이룬 형태와 구조를 가지면, 텔로미어의 닳는 속도가 느립니다. 포유류일수록 더 복잡하게 단백질이 결합돼 닳는 속도가 느린 것이죠. 이 때문에 종마다 텔로미어 닳는 속도가 다른 것 이고, 텔로미어 길이가 단순히 더 길다고 해서 오래 사는 것은 아닌 것이죠.

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헷갈리시면 안되는게, 서로 다른 종 간의 텔로미어 길이가 수명과 관계없는 것이지, 같은 종 간의 텔로미어 길이는 분명 건강, 수명과 관련이 있습니다.

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● 텔로미어 관련 연구

 

 

텔로미어의 역할을 알게 된 과학자들은 여러 실험들을 진행했는데요. 예쁜꼬마선충과 쥐의 텔로미어 길이를 길게 해 수명의 10% 정도를 늘린 연구가 그 중 하나입니다. 이러한 연구들 이후, 사람 텔로머라제의 구성과 세포에 작용하는 기전도 명확히 파악했죠.

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하지만 텔로머라제의 한 가지 부작용을 알게 되는데요. 이는 텔로머라제로 인해 세포분열이 계속 일어나면 정상세포가 죽고 돌연변이 세포, 즉 암세포가 나온다는 것 이었습니다.

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이를 극복하기 위해 암세포의 텔로머라제만 없애는 방법도 연구했지만, 텔로머라제 없이도 계속 증식하는 암세포도 있다는 것을 발견해 아직까지는 이 부작용을 없애지 못한다고 합니다.

 

 

● 텔로미어와 질병과의 관계

 

 

 

고혈압, 대사증후군, 당뇨 등의 질병을 갖는 사람(회색)과 질병이 없는 사람들(흰색)의 텔로미어 길이를 측정한 결과, 질병이 있는 사람들의 텔로미어 길이가 더 짧다는 것을 확인했습니다.

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위 사진은 운동과 스트레스 상태에 따른 텔로미어 길이입니다. 운동하는 사람과 안하는 사람은 텔로미어 길이의 닳는 속도가 다릅니다. 운동을 하는 사람은 스트레스와 상관없이 텔로미어 길이가 유지되는데, 운동을 하지 않는 사람은 스트레스가 있으면 바로 텔로미어 길이가 짧아진다고 합니다.

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즉, 운동을 하지 않는 사람들에게는 스트레스가 텔로미어 길이에 영향을 많이 끼치는 것이죠.

 

 

 

 

이것은 블랙번 교수가 진행한 스트레스와 텔로미어 길이와의 관계에 대한 연구입니다. 아픈 자식을 오래 간병할 수록 텔로미어의 길이가 짧다는 결론이 나왔습니다. 하지만 더 중요한 것은, 스스로 스트레스를 얼마나 받는지 평가하라고 했는데, 여기서 본인이 느끼느 스트레스 정도에 따라 결과가 50%나 달랐습니다.

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즉, 본인 스스로 스트레스가 낮다고 느끼는 쪽에서 텔로미어 길이가 짧지 않았습니다. 즉 스스로 긍정적인 사고를 하거나, 스트레스를 낮춰주는 활동을 찾아서 하는 것이 중요하다는 점을 시사합니다.

 

 

 

 

블랙번 교수는 실험을 이어서 진행했는데요. 명상과 텔로미어 길이의 연관성을 연구했습니다. 명상을 한 집단에서는 텔로미어의 길이가 길어졌습니다. 왜 사람들이 스트레스를 적게 받는것, 운동, 명상이 수명연장에 도움이 된다고 하는지 이해가 되네요. 

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지금까지 [안될과학 랩미팅] 에서 진행한 텔로미어 영상을 정리했는데요. 20분 남짓의 동영상인데 엄청나게 많은 양의 정보를 담고 있어, 한번 정리해두는 것이 정보 공유에 도움이 될 것 같아 포스트 했습니다. 비교적 긴 내용이지만 전체적인 흐름을 파악하는데 좋은 영상입니다. 아래에 영상 링크 남겼으니, 한 번 보시는 것을 추천드립니다.

 

 

 

※동영상 출처

채널명: 안될과학 Unrealscience

동영상제목: '텔로미어' 노화 방지와 생명 연장의 비밀?!

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