세포의 산소 대사 과정에서 발생하는 산소부산물인 활성산소. 산소이온과 과산화물을 포함하는 화학적으로 반응성이 높은 분자로서 세포의 증식과 노화, 주기조절 및 사멸 등 다양한 생물학적 과정에서 중요한 기능을 수행한다.

현재 밝혀진 바에 따르면 활성산소는 농도에 따라 서로 다른 생물학적 역할을 수행한다. 낮은 농도의 활성산소는 세포 내 필수적인 신호전달물질로서 세포신호전달과 항상성 유지에 반드시 필요한 산화환원신호의 매개체가 되지만 과도한 활성산소의 발생은 단백질이나 DNA, 지질 등에 산화적 스트레스를 유발해 세포 주기를 정지시키거나 세포 사멸 혹은 괴사를 일으키는 것이다.

다양한 생물학적 과정에 관여하는 만큼 활성산소는 암과 당뇨, 심장병 등 각종 질병 및 노화와 같은 많은 생체 현상과 밀접한 관계를 갖고 있다. 이 때문에 그동안 활성산소에 대한 세포 반응의 근본 원리를 밝히고자 하는 많은 시도가 있었지만 활성산소의 상반된 역할과 세포반응에 대한 숨겨진 원리는 아직까지도 수수께끼로 남아있는 상태다.

활성산소와 세포증식 혹은 세포사멸의 관계

이런 가운데 국내 연구진이 활성산소에 대한 세포반응 기전을 규명해 주목을 받고 있다. 조광현 카이스트 바이오및뇌공학과 교수팀이 활성산소 농도에 따라 세포의 운명이 어떻게 달라지는지 원리를 규명한 것이다. 해당 연구결과는 성과를 인정받아 '사이언스(Science)' 자매지인 '사이언스 시그널링(Science Signaling)' 지에 게재됐다.

앞서 언급했듯 활성산소의 역할은 상반적이다. 세포의 성장을 돕기도 하지만 한편 세포손상을 일으켜 노화 등을 촉진한다. 이처럼 활성산소는 세포를 죽게도 하고 살리기도 하는 역할을 수행하는데, 그 기능의 복잡성으로 인해 정확한 기전을 규명하는 것은 여전히 난제로 남아 있었다.

"이번 연구에서 저희는 활성산소와 세포의 증식 또는 사멸과의 관련성에 대한 실험데이터를 모두 집대성하고 이로부터 수학모델을 개발한 뒤 대규모 컴퓨터 시뮬레이션 분석을 수행했습니다. 그 결과 MLK3 단백질이 매개하는 양성피드백 회로가 세포증식에 관여하는 ERK 신호전달경로와 세포사멸에 관여하는 JNK 신호전달경로 간 신호흐름 균형을 조절하고 이를 통해 활성산소 농도에 따른 상반된 세포반응을 결정하는 핵심 분자 스위치라는 사실을 밝혀냈습니다."

즉, 활성산소의 농도가 낮을 때에는 MLK3 단백질이 매개하는 양성피드백 회로가 충분히 활성화되지 않아 세포증식에 관여하는 ERK 단백질이 활성화되는 반면, 활성산소의 농도가 높아지면 MLK3 단백질이 매개하는 양성피드백 회로가 충분히 활성화 돼 세포사멸에 관여하는 JNK 단백질이 활성화 된다는 것이다. 이는 적절한 스트레스 환경에서는 ERK 단백질이 활성화 돼 세포가 분열하도록 신호를 보내지만 과도한 스트레스 상황에서는 JNK 단백질이 활성화 돼 분열을 멈추고 세포가 사멸하도록 유도한다는 것을 의미한다.   "저희팀의 이번 연구는 활성산소로 인한 노화나 암을 극복하는 과정의 전초라고 생각할 수 있어요. 사실 1950년 대 하만(Denham Harman) 박사와 스태드만(Earl R. Stadtman) 박사 등에 의해 활성산소가 인체에 미치는 영향이 밝혀진 이후 많은 연구자들이 암과 고혈압, 당뇨병, 동맥경화, 알츠하이머, 뇌졸중 등 수많은 질병과 활성산소와의 연관성이 있다고 밝혔습니다. 이들은 공통적으로 높은 발생 빈도와 사망률, 그리고 심각한 후유증을 동반해 의료측면 뿐만 아니라 사회·경제적으로도 많은 문제를 야기하는 질병들이죠.

이에 따라 활성산소의 조절을 통해 이들 질병의 예방과 치료를 목적으로 하는 연구가 국내·외적으로 활발히 진행 중에 있습니다. 하지만 활성산소가 생체 내에서 어떻게 생리기능을 조절하는지 그 작용 기전은 명확히 알려져 있지 않았어요. 저희팀의 연구는 활성산소의 동역학적인 조절 메커니즘을 단분자 수준을 초월한 시스템 차원에서 규명했습니다. 이로써 활성산소의 생물학적 기능에 대한 이해를 한 단계 높이는 계기가 됐고 더 나아가 각종 질병의 치료에 활용될 수 있다는 점에서 중요하다고 할 수 있습니다."

조광현 교수의 이야기처럼 활성산소에 따른 세포 운명에 대한 연구는 기존 연구자들에 의해서도 다수 진행됐다. 하지만 정확한 역할을 규명하는 데에는 여러 가지 어려움에 봉착하곤 했다.

"활성산소가 해로운 것으로만 알려져 있다가 때로는 세포의 성장과 분화를 돕고 염증 반응을 억제하는 유익한 작용도 한다는 것이 밝혀졌을 때 전 세계의 많은 과학자들이 활성산소의 역할과 특성에 주목하기 시작했어요. 그리고 이에 대해 연구를 시작했고요. 지금까지 활성산소와 세포 운명의 관련성에 대한 연구는 전통적인 생물학적 접근을 통해 세포 내 단분자 수준에서 현상을 관찰하고 이를 탐구하는 방향으로 수행돼 왔습니다. 하지만 활성산소가 서로 다른 생리기능을 담당하는 여러 신호전달경로들을 조절하고 더욱이 이들 신호전달경로들은 많은 피드백회로(feedback loop)와 상호소통(cross talk)에 의해 서로 복잡하게 얽혀있었어요. 이러한 생물학적 복잡성으로 인해 실험적 방법만을 이용한 활성산소의 세포반응 조절 메커니즘에 대한 이해는 단편적인 수준에 머물러 있는 상태였습니다."

이러한 한계를 극복하기 위해 조광현 교수팀은 활성산소 농도에 따른 상반된 세포 반응에 대한 기저 메커니즘을 통합적 관점에서 규명하고자 했다. 결국 활성산소와 세포의 증식 또는 사멸에 대한 실험데이터를 집대성했고, 이를 바탕으로 활성산소 관련 신호전달네트워크를 구축, 수학모델을 개발하는데 이르렀다.

"저희 연구팀은 수학모델의 대규모 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 MLK3 단백질이 매개하는 양성피드백 회로가 세포증식에 관여하는 ERK 신호전달경로와 세포사멸에 관여하는 JNK 신호전달경로 간 신호흐름 균형을 조절함으로써 활성산소 농도에 따른 상반된 세포반응을 결정하는 핵심 분자 스위치임을 밝혀냈습니다. 그리고 이를 분자세포생물학 실험을 통해 검증했죠. 또한 세포 생존도 실험을 통해 MLK3 단백질이 매개하는 양성피드백 회로가 실제 세포의 증식과 사멸에 관여한다는 것을 알아냈습니다."

"농도 따라 다른 반응 보이는 활성산소, 호기심 자극"

조광현 교수팀이 이번 연구를 진행한 것은 활성산소가 갖고 있는 성질에 흥미를 갖게 되면서다. 조광현 교수는 "그동안 많은 연구를 통해 세포의 운명을 결정짓는데 영향을 주는 다양한 종류의 물질들이 밝혀졌다. 그런데 활성산소는 그 가운데서도 대표적인 물질이다. 활성산소가 특별히 흥미로운 점은 활성산소 농도에 따라 세포가 서로 다른 반응을 보인다는 점"이라며 "지금까지의 많은 연구는 이러한 활성산소의 생물학적 현상에 대한 조절메커니즘을 세포 내 단분자 수준에 초점을 맞춰 탐구하려고 했을 뿐, 복잡한 신호전달경로 수준의 통합적인 관점에서 연구가 이루어진 사례는 없었다. 방법론적으로도 이러한 통합적인 연구는 직관적 해석에만 의존하는 전통적인 생물학적 접근만으로는 불가능한 것이었다"고 이야기 했다.

시스템 차원의 조절메커니즘을 규명하기 위해 조광현 교수팀은 IT와 BT의 통합적 연구가 필요하다고 생각했다. 정보기술과(IT)과 생명과학(BT)을 조합해 연구를 진행한 것이다. 조 교수는 "현대과학에서는 IT와 BT의 융합과학을 시스템생물학이라고 부른다. 해당 학문 분야는 전세계적으로 생명과학의 새로운 패러다임을 형성하며 큰 주목을 받고 있다"고 덧붙였다.

이번 연구는 MLK3 단백질이 매개하는 양성피드백 회로가 활성산소의 농도에 따른 상반된 세포 운명을 결정하는 핵심 장치임을 규명한 것인 만큼 이러한 세포 반응 조절 메커니즘은 활성산소와 밀접한 관련이 있는 노화 현상을 효과적으로 제어하거나 암과 심장병, 당뇨병 등 활성산소로부터 기인하는 각종 질병의 치료법을 개발하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대 받고 있다.

"저희팀은 생명현상의 수학 모델링과 방대한 컴퓨터시뮬레이션 분석을 통해 활성산소 농도에 따른 상반된 세포 반응을 조절하는 장치가 세포 내 신호전달 네트워크 속에 내재돼 있다는 사실을 규명했습니다. 이로써 기존 생명과학 접근으로는 밝힐 수 없었지만 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학 연구를 통해 비로소 복잡한 생명현상의 숨겨진 원리를 파악할 수 있다는 것을 보였어요. 바로 여기에 이번 연구의 중요한 의의가 있다고 할 수 있겠습니다."

조광현 교수팀의 연구는 세포 내 단분자 수준의 기작에만 초점을 맞췄다면 결코 이번 성과를 거둘 수 없었을 것이다. 조광현 교수는 "세포 내 단분자 수준을 초월한 복잡한 신호분자들간 상호작용까지 모두 고려해 총체적으로 분석했으므로 얻을 수 있는 결과였다"며 "전통적인 생명과학 접근만으로는 불가능한 연구였다. 앞으로 우리 연구실에서는 이러한 시스템생물학 연구를 통해 복잡한 생명현상 이면에 숨겨진 동작원리를 계속해서 규명해갈 것이다. 궁극적으로는 비가역적인 생명현상을 가역화 할 수 있는 제어기술을 개발함으로써 암과 같은 복잡한 질병의 발생이나 노화 문제를 해결하는 획기적인 방법을 찾고 싶다"며 앞으로의 계획을 이야기 했다.