[과학자들이 말하는 ‘늙음’의 진짜 원인] 미토콘드리아 기능 장애, 세포 노화, 줄기세포 고갈
▲ 과학자들은 노화의 원인을 규명하고, 이를 토대로 노화를 막는 치료법을 개발하기 위한 연구를 진행하고 있다. ⓒGettyImages
생물학 분야 최고 권위의 국제학술지 ‘셀(Cell)’은 2013년 ‘노화의 특징(The Hallmarks of Aging)’이라는 제목의 논문을 발표하며 생물학적 노화의 9가지 특징을 정리했다. 이후 10년간 추가된 연구를 종합하여 지난 1월 ‘노화의 특징: 확장판’을 다시 펴냈다. 사이언스타임즈는 지난 기사(관련 기사 보러 가기 – 과학자들이 말하는 ‘늙음’의 진짜 원인(2))에 이어서 노화의 생물학적 특징을 소개해보고자 한다.
▲ 미토콘드리아는 노화에 따라 기능이 저하되며, 이 때문에 여러 노화 관련 질병이 유발된다. ⓒGettyImages
세포의 에너지 공장인 미토콘드리아는 나이가 듦에 따라 자연스럽게 기능이 떨어진다. 미토콘드리아는 세포 내에서 에너지(ATP)를 만들어내는 과정에서 부산물로 활성산소도 만든다. 활성산소는 문자 그대로 반응성이 좋아 DNA나 단백질에 손상을 준다. 노화에 따라 미토콘드리아 기능이 저하되며 활성산소 생성량이 늘어나고, 늘어난 활성산소가 다시 미토콘드리아 기능 저하를 비롯한 전반적인 세포 내 손상을 유발한다. 오랫동안 미토콘드리아에서 만들어지는 활성산소가 노화와 노화 관련 질병에 영향을 준다고 알려져 왔다.
그런데 최근에는 활성산소를 마냥 노화의 ‘악’으로만 보긴 어렵다는 증거들이 나타나고 있다. 예쁜 꼬마선충 실험에서 활성산소의 증가가 오히려 수명을 늘린다는 의외의 결과가 나온 것이 신호탄이었다. 이후 쥐 실험에서도 유전자 조작으로 미토콘드리아에서 발생하는 활성산소와 산화 손상을 늘려도 노화가 가속되지 않았다.
일련의 연구에 따라 최근에는 세포의 손상을 보수하기 위해 활성산소량이 증가하는 생존 신호로 보는 추세다. 하지만 활성산소량이 역치를 넘어서면 손상을 경감시키는 역할이 아니라, 오히려 세포를 공격하는 신호가 된다. 한편, 미토콘드리아 자체의 손상도 노화에 영향을 미치며, 노화에 따라 미토콘드리아의 에너지 생산 효율이 감소하기도 한다.
▲ 인간 피부 세포의 모습. ⓒFlickr
세포는 생장하고 분열하는 주기를 가진다. 하지만 세포 노화가 일어나면 이 주기를 멈춘다. 한 연구에서는 쥐 실험에서 장기 별로 세포 노화 상태를 측정했다. 간세포에서 젊은 쥐의 8%, 늙은 쥐의 17%의 세포가 세포노화 상태였다. 피부와 간, 비장에서는 간과 비슷한 수준의 세포 노화가 발생했다. 그러나 심장, 신장, 근육에서는 나이에 따른 세포 노화 증가 현상이 발견되지 않았다. 세포 노화가 모든 조직에서 나타나는 현상은 아니라는 의미다.
세포 노화의 주요 목적은 면역 반응을 유도하여, 손상이 일어난 세포가 전파되는 것을 막는 것이다. 가령, 암세포가 될 가능성이 있는 세포를 제거하기 위한 보상으로 세포 노화가 진행된다. 하지만 노화가 발생한 세포를 제거된 만큼, 새로운 세포가 보충되며 항상성이 유지돼야 한다. 노화된 개체에서는 항상성 유지 능력이 떨어져, 세포 노화가 발생한 세포가 축적된다.
노화 세포의 측정은 주변 세포들의 비정상적인 분화를 유도하고, 더 나아가 다양한 조직의 기능 장애를 촉진할 수 있다. 손상 복구 능력이 떨어지는 늙은 개체에서는 조직의 재생 능력이 떨어지기 때문에 만성적인 염증이 유발되기도 한다. 활성산소와 마찬가지로 적당한 세포 노화는 오히려 수명을 연장하는 작용을 한다. 동물실험에서 노화 세포를 제거했을 때 나이 관련 질병들이 지연된다는 결과를 보기도 했다. 초기에는 이롭지만, 만성이 되면 불리해진다는 의미다.
▲ 쥐 신경 줄기세포의 모습. ⓒFlickr
여러 말단세포로 분화하는 능력을 갖춘 줄기세포의 고갈은 여러 노화 관련 손상의 통합적인 결과이다. 줄기세포 기능 저하는 모든 나이 든 개체에서 공통으로 나타난다. 젊은 쥐에 비해 노화된 쥐는 줄기세포의 활성이 떨어지고, 세포분열도 더 적게 한다. 또, 성장, 발달 및 신진대사를 담당하는 뇌 부위인 시상하부에 있는 줄기세포가 몸의 노화 속도를 관리 및 통제한다고 보고되기도 했다. 줄기세포의 분열 능력 감퇴도 문제지만, 과도한 분열도 노화의 원인이 된다. 과도하게 분열되면 결국 줄기세포의 고갈을 초래하여 조로증이 발생한다.
줄기 세포의 기능 저하가 초래하는 현상은 세포 외에서도 영향을 미친다. 젊은 쥐에서 추출한 근육 줄기세포를 조로증을 겪는 쥐에게 이식한 연구에 따르면, 조로증 쥐의 수명이 늘어난 것은 물론 근육 외 다른 기관에서 발생한 퇴행성 질환도 개선됐다. 줄기세포가 특정 인자들을 세포 외로 분비하여 전체적인 몸의 상태에 영향을 미치는 것이다. 젊은 쥐와 늙은 쥐의 혈관을 이어 붙인 연구에서도 젊은 쥐의 분비 인자에 의해 늙은 쥐의 다양한 줄기세포 기능들이 개선됐다.
줄기세포 고갈은 다양한 노화 관련 손상의 통합적인 결과다. 줄기세포의 수 감소는 노화를 일으키는 장본인이지만, 손실 결과는 돌이킬 수 없다. 이러한 점에서 최근에는 줄기세포를 회춘시켜 노화로 말미암은 문제를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. ‘리파마이신’으로 대표되는 약물을 활용하거나, 줄기세포 또는 이들이 생산하는 분자를 보충하여 몸 전체 노화의 여러 측면을 늦추거나 심지어 역전시키려는 시도다.
▲ 2023년 국제학술지 ‘Cell’이 제시한 노화의 12가지 특징. 이번 기사에서는 미토콘드리아 기능 장애(Mitochodrial dysfinction), 세포 노화(Cellular senescence), 줄기세포 고갈(Stem cell exhaustion)에 대해 다뤘다. ⓒCell
(3985)
로그인후 이용 가능합니다.
인공 세포 안에 유전질환 치료 물질을 담은 채 인체에 침투한 뒤 치료 물질을 인체 세포에 전달하는 유전자 치료용 인공 바이러스 벡터(AVV)가 개발됐다. 미국 워싱턴DC 미국가톨릭대 베니갈라 라오 교수팀은 31일 과학저널 '네이처 커뮤니케이션'(Nature Communications)에서 표면을 지질(lipid)로 감싼 박테리오파지 T4를 이용해 만든 인공 바이러스 벡터(T4-AAV)로 유전자 치료 물질을 인간 세포에 안전하게 전달하는 데 처음으로 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 바이러스는 자손을 빠르게 복제하고 조립할 수 있는 효율적인 생물학적 기계라며 치료 물질을 전달하도록 프로그래밍한 인공 바이러스 벡터를 만들어 인체에 침투시키면 질병 치료 기능을 수행할 수 있다고 말했다.
비만은 다양한 정신장애와 연관이 있다는 연구 결과가 나왔다. 오스트리아 빈 의과대학의 내과 전문의 미하엘 로이트너 교수 연구팀이 전국 입원 치료 환자의 데이터세트(1997~2014년)를 분석한 결과, 이 같은 사실이 밝혀졌다고 메디컬 익스프레스(MedicalXpress)가 31일 보도했다. 전체적으로 비만 진단 후에는 모든 연령대에서 우울증, 니코틴 중독, 정신병증(psychosis), 불안장애, 식이장애(eating disorder), 인격장애(personality disorder) 등 광범위한 정신장애 발생 위험이 현저히 높아지는 것으로 나타났다.
기후변화로 정상 일대 날씨 변동이 극심해지면서 에베레스트에서 사망자가 가장 많이 나온 해로도 기록될 전망이라고 30일(현지시간) 영국 일간지 가디언이 보도했다. 히말라야 등정 관련 기록을 정리하는 '히말라야 데이터베이스'와 네팔 당국에 따르면 올해 봄철 등반 시즌에 에베레스트 원정에 나선 산악인 가운데 17명이 숨진 것으로 집계됐다. 전문가들은 기후변화의 영향으로 날씨 변덕이 심해진 것이 사망자가 늘어난 주된 원인으로 보고 있다.
우리나라를 비롯한 세계 아동·청소년 대다수는 코로나19 팬데믹이 끝나고 학교로 돌아가 '행복하다'고 느끼는 것으로 조사됐다. 스마일게이트의 공익·교육사업 법인 퓨처랩은 '월드 라지스트 레슨'(WLL)과 함께한 '도래한 미래, 우리가 바라는 교육' 캠페인 일환으로 시행한 설문 결과를 31일 공개했다. 따르면 한국 학생의 65%(세계 학생 77%)는 코로나19로 인한 휴교 이후 '학교로 돌아가는 것이 행복한가'라는 질문에 '그렇다'고 답했다.
초고성능 양자컴퓨터 시대에 쓰일 수 있는 '3D 광양자 메모리' 원천 기술을 국내·외 공동연구진이 개발했다. 1일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 UNIST 화학과 서영덕 교수팀과 미국 컬럼비아대, 미국 버클리 연구소, 한국화학연구원, 한국기초과학연구원 등이 참여한 국제 공동연구팀은 무제한 지속 가능한 '나노결정 양방향 광스위치' 현상과 원리를 발견해 3D 광양자 메모리 분야 세계 최고 정밀도를 구현하는 데 성공했다. 연구 논문은 이날 과학 학술지 '네이처'(Nature) 온라인판에 게재됐다.
전당뇨(prediabetes)가 2형 당뇨병 발병으로 이어지는 나이가 빠를수록 알츠하이머 치매 위험이 높아진다는 연구 결과가 나왔다.
남극 인근 호주 허드섬에 있는 '빅벤' 화산에서 소규모 용암류가 관측됐다고 영국 일간 가디언이 29일(현지시간) 보도했다. 가디언은 유럽우주국(ESA)의 코페르니쿠스 센티넬-2 위성이 지난 25일 촬영한 빅벤 화산 사진에서 소규모 용암이 흘러내리고 있는 것이 확인됐다고 전했다. 퀸즐랜드대학 화산학자인 테레사 유바드 박사는 빅벤 화산이 20세기 초부터 분화를 해왔다면서 이번 분출은 2012년 9월 용암 분출 이후 계속되고 있는 소규모 분출 가운데 하나라고 설명했다.