세포의 운명을 다시 쓰는 과학 후성유전학적 재프로그래밍

후성유전학을 통한 세포 재프로그래밍이 여는 의학 혁명

우리 몸을 이루는 수많은 세포들은 각각 고유한 역할을 가지고 있으며, 이들은 모두 같은 유전 정보를 지니고 있음에도 불구하고 다른 기능과 모양을 가지고 있다. 예를 들어 피부 세포는 피부를 만들고, 신경 세포는 신경 신호를 전달하며, 근육 세포는 수축과 이완을 통해 움직임을 담당한다. 이러한 특성은 세포가 각자의 역할에 맞게 ‘분화’되었기 때문이다. 분화란 줄기세포처럼 어떤 세포로도 변할 수 있는 상태의 세포가 특정한 기능을 갖는 세포로 전환되는 과정을 말한다. 일반적으로 한 번 분화된 세포는 다시 원래 상태로 돌아가기 어렵다고 알려져 있었다. 하지만 최근 ‘후성유전학적 재프로그래밍’이라는 과학적 발견은 이 고정된 운명을 다시 바꿀 수 있는 가능성을 보여주고 있다.

후성유전학적 재프로그래밍이란 세포의 DNA 염기서열 자체를 변경하지 않으면서도 세포의 성질과 기능을 바꾸는 과정을 말한다. 이는 DNA를 읽는 방식이나 그 활용법에 영향을 미치는 ‘후성유전적 표지’를 조절함으로써 이루어진다. 후성유전적 표지는 DNA라는 유전 정보에 부착되는 일종의 메모나 스티커와 같다. 모든 세포가 동일한 DNA를 가지고 있지만 어떤 유전자를 사용할지, 어느 시점에 사용할지를 결정짓는 것이 바로 이 표지들이다. 예를 들어 어떤 세포에서는 피부를 만드는 유전자가 켜져 있고, 다른 세포에서는 그 유전자가 꺼져 있다. 이는 후성유전적 표지가 각 세포마다 다르기 때문이다.

재프로그래밍은 이러한 표지들을 제거하거나 새롭게 설정함으로써 유전자의 사용 목록을 바꾼다. 즉, 어떤 유전자가 활성화될지, 비활성화될지를 다시 조정하여 이미 분화가 끝난 세포를 원래의 초기 상태인 ‘유도만능줄기세포(iPSC)’로 되돌리는 것이 가능해진다. 유도만능줄기세포란 체세포에 특정 인자를 주입해 만들어진, 거의 모든 세포로 변화할 수 있는 능력을 지닌 세포를 말한다. 뿐만 아니라 줄기세포로 돌아가지 않고도 피부 세포에서 곧바로 신경 세포나 심장 세포 등으로 전환하는 ‘직접 교차 분화’라는 방법도 존재한다.

이러한 후성유전학적 재프로그래밍은 두 가지 주요 메커니즘을 통해 이루어진다. 첫 번째는 DNA 메틸화다. DNA 메틸화는 특정 유전자의 앞부분에 메틸기라는 화학 물질이 부착되는 현상으로, 해당 유전자의 발현을 막는 역할을 한다. 이는 마치 책의 특정 페이지를 테이프로 붙여서 볼 수 없게 만드는 것과 같다. 두 번째는 히스톤 변형이다. 히스톤은 DNA가 감겨 있는 단백질인데, 이 단백질에 화학적 변형이 생기면 DNA가 감겨 있는 구조인 크로마틴의 밀도가 달라진다. 구조가 느슨해지면 유전자에 접근하기 쉬워져 발현이 촉진되고, 반대로 촘촘해지면 발현이 억제된다. 이는 실을 실패에 감아두었다가 풀거나 더 감는 것에 비유할 수 있다. 이 두 메커니즘은 서로 긴밀하게 작용하며, 어떤 유전자가 켜지고 꺼질지를 정밀하게 조절한다.

재프로그래밍은 시험관 속 인위적인 실험 환경에서만 가능한 것이 아니라, 생명체의 자연적인 발생 과정에서도 필수적으로 일어난다. 인간이 수정란에서 배아로 발달하는 초기 단계에서는 부모로부터 물려받은 후성유전적 표지들이 광범위하게 제거되며, 이로 인해 배아 세포들은 다양한 세포로 분화할 수 있는 능력을 얻게 된다. 이 과정을 통해 세포는 특정한 역할로 ‘결정’되기 전의 상태를 유지할 수 있으며, 이는 생명의 시작과 관련된 필수적인 생물학적 메커니즘이다. 또한 특정 유전자의 발현 여부가 부모로부터의 유래에 따라 달라지는 ‘유전체 각인’ 현상이나, 여성의 세포에서 두 개의 X 염색체 중 하나를 비활성화시키는 ‘X 염색체 비활성화’ 같은 과정도 후성유전학적 조절의 대표적인 예다.

최근에는 이러한 재프로그래밍 기술이 노화와 관련된 연구에도 적용되고 있다. 세포는 시간이 지남에 따라 해로운 후성유전적 변화들을 축적하게 되며, 이는 세포 기능 저하와 관련된 노화의 주요 원인 중 하나로 여겨진다. 흥미로운 점은 ‘야마나카 인자’라는 특정 전사인자들을 활용하면, 늙은 세포의 후성유전적 상태를 젊은 시기의 상태로 되돌릴 수 있다는 가능성이 실험을 통해 확인되고 있다는 것이다. 이 과정은 세포 수준에서의 ‘회춘’을 가능하게 하며, 노화 지연이나 되돌림이라는 의료적 가능성을 열어주고 있다.

하지만 이러한 재프로그래밍 과정은 매우 정밀하고 조심스럽게 다뤄야 한다. 세포의 유전자 발현 체계를 잘못 조작하면, 세포 기능의 혼란이 발생하거나 암과 같은 질병으로 이어질 수 있기 때문이다. 마치 복잡한 기계를 분해하고 다시 조립할 때 하나의 부품만 잘못 끼워도 전체 시스템이 고장 나는 것처럼, 재프로그래밍 과정의 작은 오류도 심각한 결과를 초래할 수 있다. 따라서 이 기술을 안전하고 정확하게 제어하는 방법을 연구하는 것은 재생의학이나 새로운 질병 치료법 개발에 있어 중요한 과제로 남아 있다. 이와 같은 연구들이 더욱 발전할수록 우리는 세포의 운명을 바꾸고 노화에 도전하는 혁신적인 의학적 진보를 직접 목격할 수 있을 것으로 기대된다.