[스크랩] 텔로미어(Telomere)는 세포의 시계를 제공한다
텔로미어(Telomere)는 세포의 시계를 제공한다
- 세포의 수명, 노화 그리고 죽음
인간의 수명은 태어날 때부터 이미 정해져 있는 것인가? 아니면 태어난 이후의 후천적인 환경에 의해 결정되는 것인가? 생명의 탄생에 대한 질문만큼 우리는 인간의 수명과 또한 노화 그리고 죽임에 대한 많은 관심과 연구가 있어왔고 현재도 진행 중이다. 그 중 한 부분으로 태어날 때부터 세포에 포함되어 있는 염색체에 변화가 세포의 수명에 어떠한 영향을 주는지 설명하고자 한다.
1930년대 이후, 염색체의 끝 부분이 상실되면 세포분열시 염색체는 덩어리나 다리가 형성되고 또는 복제할 때마다 그 끝이 사라져버리는 이상한 일이 일어난다고 알려졌다. 그 끝 부분에 있던 것이 텔로미어(Telomere)이다. 텔로미어는 DNA의 짧은 조각으로 구성되어 있고, 여러 번 반복되고, 그리고 염색체를 씌우고 있다. 텔로머라아제(telomerase)라는 효소는 RNA 주형을 가지고 있어 고도의 증식성 있는 세포의 염색체에 텔로미어 서열을 고정시킨다. 텔로미어는 진핵생물의 염색체 끝에 있는 구조물로 DNA 분자의 복제와 안전성에 연관이 있다.
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<그림 1> 밝은 노랑색으로 염색되어 보이는 부분이 생쥐 염색채의 telomere부분이다
1960년대에 생물학자 Leonard Hayflick는 내부의 ‘시계’ 에 따라 포유류 세포가 매번 최대 숫자로 분열하는 성장을 발견했다. 예를 들어, 사람 태아의 섬유아세포(결합조직세포)는 35번내지 63번 분열한다. 그러나 성인의 섬유아세포는 단지 14번 내지 29번 분열한다. Hayflick는 개체가 어릴수록 분열할 때 더 많은 횟수로 세포를 준비한다는 것을 알게 되었다. 마치 세포가 그들이 어떻게 여러 번 분열하는지 그리고 그들이 어떻게 더 많은 분열을 할 수 있는지를 ‘알고’ 있는 것처럼 말이다.
1970년대부터 텔로미어 DNA를 많이 가지고 있으며 연못에 사는 섬모충류(Tetrahymena thermophila)를 통해서 텔로미어에 대한 비밀이 벗겨지기 시작했다. 이 생물체는 두 개의 핵을 가지고 있는데, 하나는 크고 다른 하나는 작다. 몇 년 후 효모(yeast)에서도 유사한 텔로미어를 발견했고, 1989년 사람의 텔로미어가 Tetrahymena의 DNA 서열과 거의 유사하다는 것이 알려졌다. 1980년대 중반에 텔로머라아제 효소를 확인했다. 그로부터 수 년 내에 텔로머라아제의 구성성분은 6개 염기로 된 RNA, 주형으로써 RNA를 이용하여 DNA를 만드는 역전사효소(reverse tran-scriptase)로 밝혀졌다. 대부분의 체세포에서는 텔로머라아제가 합성되지 않지만 암세포에서는 발현이 된다.
1990년대 초기에 세포생물학자들은 염색체 끝에 텔로미어(telomere)라는 세포의 시계가 존재한다는 것을 발견했다. 지금까지 연구된 내용을 보면, 사람과 거의 모든 척추동물의 염색체는 특별한 6개의 뉴클레오티드 DNA 염기서열이 수 백에서 수 천까지 반복되면서 끝이 난다. 각각의 세포가 분열할 때, 세포 내의 텔로미어는 그들의 끝으로부터 50에서 200의 DNA 뉴클레오티드를 집단으로 잃게 된다. 이것은 세포가 분열할 때 마다 염색체가 점차 짧아진다는 것을 의미한다. 약 50번 분열한 후에는 소실된 텔로미어 DNA의 총 양이 세포분열을 멈추도록 신호를 보낸다. 세포는 기능적으로는 남겠지만 더 이상 분열을 하지 못하거나 또는 죽을 것이다. 즉, 이러한 세포들의 죽음이 축적되면서 인간의 노화를 진행시키며 결국 개체의 죽음을 일으키게 된다고 설명하고 있다.
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<그림 2>
(A) 척추동물의 정상적인 체세포(생식세포)에서 텔로미어는 세포들이 텔로머라아제를
생산하지 않기 때문에 각 세포분열시 짧아진다.
(B) 정자 생산세포, 혈액세포 그리고 암세포들은 텔로머라아제를 생산하고 계속해서
텔로미어를 확장해 나아가, 결국 세포분열 시기를 재설정한다.
텔로미어가 줄어드는 많은 세포들보다 더 흥미로운 것은 텔로미어가 줄어들지 않는 몇 개의 세포 타입이 있다는 것이다. 일반적으로 증식을 많이 하는 조직의 세포는 텔로미어를 유지하며, 50번 정도의 분열제한 범위를 초과하여 세포분열을 할수 있다. 사람의 경우 그런 세포들에는 소장의 내막세포(lining cell)들, 골수세포, 그리고 일부 혈액세포 등이 있다. 사람의 정자세포들을 만들어내는 세포들 또한 세포의 시계를 무시하는데, 아마도 이것은 이 세포들이 계속해서 거대한 수의 정자를 생산하고 정자의 다음 세대를 만들 수 있는 세포로 발생되기 때문일 것이다. 암세포는 텔로미어의 길이를 유지한다. 이 사실은 어떻게 암세포가 정상세포의 분열횟수를 훨씬 초과하여 계속해서 분열하는가를 설명해준다.
텔로미어의 길이가 짧아진 세포는 텔로머라아제(telomerase)라는 효소를 만들지 못한다. 세포들이 텔로머라아제를 만들 때, 그 텔로미어는 오래 남아있다. 텔로머라아제는 염색체 끝에 계속적으로 DNA를 덧붙일 수 있다. 왜냐하면 이것은 DNA 뉴클레오티드가 계속 부가되도록 하나의 모델이나 주형으로 작용하면서, 염색체 끝에 결합하는 RNA의 작은 조각을 함유하고 있기 때문이다(그림 6.11). 사람에서 텔로머라아제의 양은 정자형성세포, 혈액세포, 그리고 소화계 내막세포에서 많이 나타난다. 암세포에서 텔로머라아제의 양은 질병의 진행에 따라 증가한다. 많은 연구의 관심사는 암세포에서 텔로머라아제를 불활성으로 만드는 방법을 찾아내는 것에 집중되어있다. 그러면 암세포의 염색체는 분열과정에서 점점 짧아져서 결국 더 이상 분열하지 못하고 죽게 될 것이다.
식물의 텔로미어도 또한 짧은 DNA 반복을 갖는다. 그러나 척추동물의 체세포가 작용할 때와 같이, 텔로미어는 체세포분열의 시계의 일부에서처럼 줄어지지 않는다. 식물세포는 텔로머라아제를 생산하며, 많이 분열하는 것은 50번 이상 분열한다. 새로운 개체로 시작하도록 정해져 있는 동물의 세포와 달리, 많은 식물의 부분은 풍부한 분열조직(meristem)을 가지고있어, 분열능력을 제한하지 않는다. 만약 식물이 그들의 텔로미어를 길게 유지할 수 없다면, 분열조직세포의 염색체는 약해지고 세포분열을 멈췄을 것이고, 식물은 성장을 멈출 것이다. 식물 중 증식이 많이 되는 부분에서는 텔로미어의 양이 많다. 뿌리 끝이나 묘목과 같이 갱신이 많이 되는 조직은 그렇지 않은 조직(예 : 잎)보다 분열조직을 많이 가지고 있으며, 따라서 텔로머라아제의 양도 많다.
1998년 텔로머라아제의 구성성분인 6염기 RNA가 없는 돌연변이 생쥐를 만든 후 조사한 결과, 예상했던 대로 그 생쥐는 수정능력이 없고 생식기관이 위축되고 골수 퇴화되었다. 비슷한 시기에 배양중인 사람의 정상 체세포에 텔로머라아제를 투여받은 세포들은 정상적인 제한범위 이상으로 분열하면서 수명이 연장되었다.
흥미롭게도 텔로머라아제가 없는 생쥐의 세포는 암세포화되고 있고, 과다한 텔로머라아제를 가지고 있는 사람의 세포는 암세포화되지 않았다. 이는 예상한 것과는 상반되는 것이고, 암 발생은 텔로머라아제 하나만으로 설명하기에는 쉽지 않으며, 텔로머라아제에 대한 연구가 더욱 많이 이루어져야 함을 암시한다.
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<그림 3> 세포분열이 일어날 때마다 짧아진 염색체의 텔로미어의 길이를 복구하는 텔로머라아제는 RNA를 지니고 있는데, 이 RNA는 반복되는 DNA 서열(TTAGGG)에 주형으로 작용하는 뉴클레오티드 서열(AAUCCC)의 일부분을 포함하고 있다.
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명예기자 김재윤
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