세포생물학과 암

이 모듈은 인간의 유전 변이를 분석하는 방법의 발전 상황과 분석 결과가 개인과 사회에 미치는 영향에 초점을 맞추고 있다. 이에 관해 배워야할 많은 개념들이 있지만, 이 모듈에서는 탁월한 전문가들의도움을 받아 학생들이 탐구해야 할 주제들을 다음과 같이 택하였다. 첫째, 사람은 공통 특징을 많이 갖고 있지만 형질에는 수많은 변이가 존재한다. 사람 형질이 대부분은 다인성 유전으로 여러 개의 유전자와 환경 요인에 의해 영향을 받는다. 둘째, 유전 변이는 DNA 염기서열의 차이 때문에 생긴다. 대부분의 유전 변이는 개인이 어떻게 기능을 하는가에 영향을 주지 않는다. 그러나 일부 유전 변이는 질병과 관련이 있고, 일부 유전 변이는 환경 변화에 살아남도록 그 종에게 적응력을 높여준다. 그러므로 유전 변이는 자연선택에 의한 진화의 기초가 된다. 셋째, 분자수준에서 인간의 유전 변이를 이해함으로써 얻어지는 장점 중의 하나는 질병을 이해하고 치료하는데 도움이 되는 실용적 가치를 우리에게 제공해 준다. 사람의 유전자를 연구함으로서 효과적인 유전자 치료 방법을 개발하는 성과를 얻을 수 있다. 그러나 여러 가지 질병에 대한 유전자 치료는 수년 이내에 기대하기 어렵다. 본 모듈에서는 세포생물학 및 분자생물학적 수준에서 암의 연구가 어디까지 진행되었는지를 살펴보고, 이제까지 얻어진 지식들이 인간 개개인 및 사회에 미치는 영향에 대하여 알아보는 것에 초점을 맞추고 있다. 암에 관하여 다룰 수 있는 개념은 방대하지만, 여기서는 전문가들의 의견을 수렴하여 중점적으로 학습할 개념들을 다음과 같이 선정하였다. 첫째, 암이란 개체가 나이 들어가면서 발생하는 100여 가지의 질병을 총칭하는 말이다. 암은 인체의 어느 조직에도 생겨날 수 있으며 유전적 요인과 환경 요인이 모두 작용한다. 둘째, 정상적인 상황에서 인체를 구성하는 세포의 분열과 분화는 엄격하게 조절되며 이러한 통제는 다세포 생물의 전 생애를 통하여 유지되어야만 한다. 암은 세포 생장 조절이 파괴되었을 때 발생하며 이와 같은 조절 이상은 세포 분열을 관장하는 유전자에 돌연변이가 일어난 것이 원인이다. 셋째, 돌연변이 하나로는 암이 발생하지 않으며 대부분 시간이 경과함에 따라 여러 개의 유전자에 돌연변이가 축적된 결과로 일어난다. 넷째, 과학자들은 암을 유발시킬 수 있는 물질들을 체계적이고 까다로운 기준으로 분류해 놓고 있다. 소비자들은 이 분류 기준을 토대로 해당 물질이 암의 발병에 관여할 확률 및 기전을 확인해 볼 수 있다. 암은 세포분열이 정상적으로 조절되지 않을 때 발생하는 질병이다. 분열이 조절되지 않으면 개체의 기능에 영향을 주어 최종적으로 죽음에 이르게 할 수도 있다. 우리들 모두는 살아 있는 동안 언젠가는 암에 걸릴 가능성을 지니고 있다. 미국에서는 평균적으로 남자의 경우는 2명 가운데 1명, 여자의 경우는 3명 가운데 1명 꼴로 암에 걸린다. 그러나 미국사람에게는 특정한 형태의 암이 발병할 확률이 평균보다 더 높은 경우도 많다. 예를 들어 담배를 피우는 사람들은 피우지 않는 사람에 비해 폐암 발병률이 10배나 높다. 마찬가지로 여성의 경우에는 어머니나 자매 또는 딸이 유방암에 걸린 경우 유방암 가족력이 없는 사람에 비해 유방암에 걸릴 확률이 2배 정도 높다. 이번 탐구활동에서는 암이 미국에서 중요하게 간주되는 공중보건상의 문제라는 사실을 알려주고자 한다. 학생들은 최근 미국 사람들에게 나타나는 여러 종류의 암 발병 사례를 바탕으로 한 역할극에 참여하게 된다. 역할극의 일부로 각 학생은 암 환자 한 사람에 대한 병력이 적힌 봉투를 받게 된다. 모둠별로 각 환자의 일생과 발병 과정에 대해 이야기를 나눈 다음 전 학급에서 집단 전체의 자료를 수합한다. 이렇게 모은 자료를 분석하여 이를 바탕으로 암 발생과 관련된 중요한 일반 특징을 찾아낸다. 포트는 특정한 유형의 암(음낭암)을 특정한 직업(굴뚝 청소부)과 연관시킨 최초의 사람일 것이다. 포트는 음낭의 피부 주름에 들러붙은 석탄검댕이 문제였다고 믿었다. 1918년에는 석탄진이 토끼에서 피부암을 유발한다고 밝혀졌고, 1924년에는 발병 인자가 특히 벤조피렌과 같은 여러 개의 고리로 이루어진 방향족탄화수소로 확인되었다. 망막아종은 비교적 드물게 나타나며, 안구에 발생하는 심각한 악성 종양이다. 치료하지 않고 내버려 두면, 악성 종양이 안구에서 시신경을 따라 뇌로 옮겨가서 다른 조직으로 전이된다. 망막아종의 경우 3분의 1 이상이 유전된다. 나머지 경우는 유전되지 않고 산발적으로 발병한다. 유전성인 경우 평균 발병시기가 약 생후 10개월 정도로, 유전되지 않는 유형보다 평균 8개월 정도 이르다. 유전성인 경우에만 양쪽 눈 모두에서 종양이 발생한다. 망막아종의 발병은 13번 염색체의 긴 부분에서 일어나는 돌연변이나 결실과 관련이 있다. 망막아종의 거의 모든 경우에 망막아종 연관 유전자 즉, RB 유전자의 대립 유전자가 모두 결실되거나 다른 것으로 변형된 것이다. 정상적인 유전자 산물은 세포분열을 억제하는 효과를 가진다. 전리선은 잘 알려진 인간 발암물질이다. X-선과 암과의 관계에 관한 최초의 보고는 1900년대 초반의 논문에서 나타난다. 이후 라듐에 노출되는 현상과 백혈병과의 관계(예를 들면, 마리 퀴리는 백혈병으로 죽었다), 라듐과 골육종의 관계(예를 들면, 1930년대에 시계의 다이얼에 야광물질을 바르는 도장공이 암에 잘 걸렸다), 핵실험에서 방출된 방사선과 암(예를 들면, 핵실험에서 방출된 방사성 요오드에 노출된 마샬 군도의 아이들은 갑상선암 발병률이 증가했다) 등에 대한 보고가 잇따랐다. 전리선은 돌연변이를 유발하는 활성산소를 형성함으로써 암을 유발한다고 보고 있다. 전리선을 매우 많이 쪼이는 경우에는 확실하게 암을 유발하지만, 낮은 조사량에서는 그 효과를 양으로 측정하기 어려웠다. 적은 양의 노출도 어느 정도 영향을 준다고 가정하기 때문에, 미연방 규정은 방사선 노출을 최대한 낮추도록 요구하고 있다. 인간 게놈 프로젝트의 한 가지 목표는 인간 게놈의 염기 서열을 완전히 밝히는 것이다. 또 다른 인간 게놈 프로젝트의 목표는 분자 수준에서 인간의 유사성과 차이점에 대한 상세한 그림을 제공함으로써 인간의 유전 변이 정도를 보여주는 것이다. 인간 게놈 프로젝트연구 결과 두 개인 사이에는 DNA 수준에서 99.9%가 동일한 것으로 나타났다. 사람 사이에 0.1%가 다르다는 것은 매우 중요하다. 이런 미미한 차이 때문에 사람은 개인마다 표현형의 차이가 있다는 것을 분자 수준에서 단서를 발견하였다. 인류의 역사가 너무 짧기 때문에 DNA 변이의 양은 다른 많은 종들에 비해 적은 편이지만, 사람 사이에서 약 1000개의 염기쌍마다 1개의 염기가 다른데, 이를 단일 염기 다형성(single nucleotide polymor-phism, SNP)이라 한다. 사람이 갖는 다양성의 대부분은 SNP의 형태로 나타나는데, 이것은 게놈상의 단일 염기쌍 변이를 말하는 것으로 보통은 서열화 작업으로 알 수 있다. 다시 말해서 지구상에 살고 있는 어느 누구와도 DNA 염기 서열을 비교하면 그 사람이 어떤 사람이든지 간에 99.9%의 염기 서열이 같다는 의미이다. 엑손 부분의 염기 배열의 변화는 변형된 아미노산 서열의 변형을 불러일으키고 인트론내 염기 배열의 변화는 영향력이 없다는 것을 학생들은 이해해야 한다. 인간 게놈의 작은 부분이 엑손을 구성한다는 것을 지적한다. 이에 더하여, 프로모터와 인핸서 같이 특정 유전자 서열로부터 기인하는 유전자 산물(단백질)의 양과 관련이 있는 염기 배열 부분은 인간 게놈 내에서 아주 작은 비율을 구성한다. 이 외의 유전자로부터(총 DNA 염기 배열에서 대다수 부분을 차지하고 있는) 기인한 산물들은 알려진 기능이 없다. 대부분의 염기 배열 변이는 이러한 유전자 서열 내에서 일어나기 때문에 눈에 띄는 증상들이 나타나지 않는 것이다. 사실 엑손 내에서 일어나는 염기 배열 차이도 영향력이 없는 경우도 많다. 오로지 단백질의 중요한 부분을 구성하는 아미노산 서열의 변화를 일으키는 경우 (서열변화와 함께 단백질의 기능변화도 동반하는)와 RNA 종결코돈의 결함을 일으키는 염기 배열 변화만이 개개인에게 눈으로 보이는 변화로 이어지는 것이다. 둘째 날에 다루겠지만 이러한 작은 유전자의 차이가 때로는 치명적인 결과를 나타내기도 한다.