'아토포시스(Apoptosis)'란 스스로의 유전자에 의해 일어나는 세포의 자살을 말한다. 개체의 생명을 유지하기 위한 '세포 소거'는 유전자에 미리 프로그램되어 있다. 사실 '세포의 자살 프로그램'은 개체의 형태를 만들고, 생명의 활동을 유지하는 데 반드시 필요한 메커니즘이다.
0. 목차
- '아포토시스'란 무엇인가?
- 세포의 자살 프로그램은 죽음의 유전자에 적혀 있다.
- 생명 유지를 수행하는 아포토시스
- 암세포
1. '아토포시스'란 무엇인가?
수많은 세포로 이루어진 생물을 '다세포 생물(Multicellular Organism)'이라고 한다. '다세포 생물'은 '세포'와 '세포들로 이루어진 개체'라는 이중의 생명 구조를 가지고 있다. 세포 사회로 이루어진 개체의 죽음은 한 생명의 끝이며, 1회성의 사건이지만, 세포의 죽음은 일생을 통해 끊임없이 일어나고 있다. 세포의 죽음은 세포 자신에게 내장된 죽음의 장치가 발동해 일어나는 것으로, 그 프로그램은 유전자로서 DNA 안에 적혀 있다. 이른바 세포의 자살이라고 할 수 있는 이러한 세포의 소거 양식을 '아포토시스(Apoptosis)'라고 한다.
세포는 '세포 분열(Cell DIvision)'에 의해 증식하거나, 어떤 특정 작용을 하기 위해 분화한다. 하지만 세포가 노화해 기능을 다했을 때나 이상을 일으켰을 때, 스스로 죽는 '아포토시스' 기능을 가지고 있다. 생명을 유지하기 위해 세포가 스스로 죽는 것이다.
1-1. 생물은 세포를 과잉생산하고, 여분을 없애는 전략을 취했다.
'다세포 생물'은 하나의 '수정란'에서 시작되어, 증식 및 분화를 통해 조직을 만들고 복잡한 기관을 형성해 간다. 이 발생 과정에서 정해진 시기에 결정된 수만큼의 세포가 죽는다. 만약 세포사가 없다면, 생물은 단순한 세포 덩어리에 지나지 않게 된다. 예컨대, 손가락의 형성 과정에서는 우선 '지아(Limb Bud)'라고 불리는 야구 글러브의 미트 같은 세포의 덩어리가 만들어진다. 그 뒤 손가락 사이의 세포가 특정 시기에 아포토시스를 일으켜 손가락이 형성된다. 상처 부위의 복구로 일단 조직이 부풀어 오르는 이유는, 약간 여분으로 세포를 증식을 일으켜서 상처 부위를 충분히 틀어막고 나서, 남는 만큼을 아포토시스로 없애기 때문이다.
이처럼 생물은 기본적으로 세포를 일단 넘치게 생산하고, 필요한 것만을 남기고 여분의 것을 아포토시스로 없앤다는 전략을 취하고 있다. 올챙이가 개구리가 될 때, 수중 생활에서 필요했던 꼬리를 없애는 일도 '아포토시스(Apoptosis)'의 기능이다.
2. 세포의 자살 프로그램은 죽음의 유전자에 적혀 있다.
2-1. 괴사(Necrosis)
세포는 언제나 '열화(여러 가지 영향에 따라 화학적·물리적 성질이 나빠지는 현상)'의 위기에 노출되어 있다. 화상이나 타박상 등 돌발적으로 강한 자극이 강해지면 세포의 생명 활동이 물리적으로 이루어질 수 없게 된다. 이처럼 외부 원인에 의해 세포가 죽는 경우를 '괴사(Necrosis)'라고 한다. 말하자면 세포의 '사고사'이다. 이 경우, 세포 본체를 비롯해 미토콘드리아 등의 세포 소기관이 팽창·용해해서 내용물이 흘러나오고, DNA는 비규칙적으로 분해된다. 그리고 그것을 겨냥해 백혈구가 모이고, 염증 반응을 일으킨다.
2-2. 아포토시스(Apoptosis)
한편 '아포토시스(Apoptosis)'에서는 세포가 축소되며, 세포 표면의 미세 융모가 사라져서 세포의 표면이 매끄럽게 된다. 핵을 구성하고 있던 '염색질(Chromatin)'은 '뉴클레오솜(Nucleosome)' 단위로 절단된다. '아포토시스(Apoptosis)'의 최종단계에서는 유전자를 절단하기 위해 'DNase 감마'나 'CAD'등의 'DNA 분해 효소(Deoxyribonuclease)'가 작용한다. 그 후 조각이 된 '염색질'을 거두어들이듯이 세포가 작은 조각이 되고, '아포토시스 소체(Apoptotic Corpuscle)'라고 불리는 기름방울 상태의 세포 조각이 되어 '대식 세포(Macrophage)' 등의 식세포에 먹힌다. '괴사'에서 보이는 것 같은 '염증 반응'은 일어나지 않고, 세포는 조용히 사라진다. '아포토시스'의 생물학적 의의는 다음의 두 가지다.
- 첫째는 '발생 과정이나 성숙 개체에 불필요해진 세포(잉여 세포나 노화 세포 등)'를 제거하는 일이다.
- 둘째는 '상해를 받아 이상이 생긴 생체에 유해한 세포(암세포, 바이러스 감염 세포 등)'를 배제하는 일이다.
'아포토시스(Apotosis)'의 본질은 세포의 소거로 개체의 통제와 방어를 측정하는 데 있다. 생물은 세포에 생긴 이상을 복구하는 기능을 가지고 있다. 그러나 그 이상이 너무 크면, 그것을 복구하기보다 오히려 세포를 모두 없애고, 정상 세포를 증식함으로써 대체 보충하는 쪽이 유리하다. 이로써 더욱 높은 안전성을 가질 수 있다. 특히 '방사선'·'자외선'·'약품'·'바이러스 감염' 등에 의해 DNA에 상처가 가해진 경우, 복구를 정확하게 하지 않으면 유전 정보에 변화가 남고, 그대로 분열·증식하면 암으로 이어질 위험성이 높아진다. 그래서 상처를 입은 DNA를 복구하기보다는 세포를 없애는 것이다. 이처럼 '아포토시스'는 생명의 유리함을 위해, 생물이 획득해 온 기본적인 전략이다.
3. 생명 유지를 수행하는 아포토시스
'아포토시스(Apoptosis)'는 발생 과정에서 일어나는 몸의 형태를 만드는 데 역할을 할 뿐만 아니라, 성체가 되고 나서도 생명을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 우리 몸속에서는 적혈구 등의 대사에서 계산하는 것만 봐도, 24시간당 약 3000억~4000억 개의 오래된 '혈액 세포'나 '간세포', '표피 세포'가 아포토시스에 제거되고 새로운 세포로 바뀌어 간다. 이와 같은 성체의 생명 유지에 중요한 역할을 가진 '아포토시스의 메커니즘'에 이상을 일으키면, '암(Cancer)', '자가 면역 질환(Autoimmune Disease)', '에이즈(후천성 면역 결핍증)', '알츠하이머형 치매' 등의 발병 원인이 된다.
4. 암세포
4-1. 암세포는 '아포토시스'를 교묘하게 회피하는 메커니즘을 가지고 있다.
'암세포(Cancer Cell)'의 특징은 무질서하게 증식하며, 본래의 자신에게 할당되어 있던 분화 기능을 수행하지 않는 데 있다. 그리고 자신의 담당 영역을 떠나 여러 장소에서 증식하며, 다양한 조직과 장기의 정상 기능을 어지럽힌다.
암세포의 이상한 증식 기능 뒤에는 '아포토시스'가 깊게 관계하고 있는 것으로 보인다. 즉, '암세포'는 '아포토시스'를 교묘하게 회피하는 메커니즘을 가지고 있다고도 할 수 있다. '아포토시스'를 억제하는 유전자 bcl-2가 활발하게 작용하면 '암화(Cancerizing)'의 위험이 높아지는 것도 시사되어 있다. 또 많은 암 관련 유전자가 '아포토시스'의 제어에 깊이 관계하고 있다는 사실도 밝혀져 있다.
4-2. 항암제는 암세포에 아포토시스를 유발한다.
'항암제'의 개발은 '아포토시스' 연구가 진행되기 전부터 이루어져 왔다. 하지만 현재는 많은 항암제들은 암세포에 아포토시스를 유발한다는 사실이 알려져 있다. 그러나 이들 항암제는 정상 세포에도 거의 같은 정도로 아포토시스를 일으킨다는 커다란 부작용이 있다. 하지만 아포토시스가 '제어된 세포사'인 점을 생각하면, 암세포에만 선택적으로 아포토시스를 유발하는 방법이 반드시 있을 것이다. 종래의 암 치료는 이제까지 암세포의 증식 기능을 억제하는 데 주안점을 두었다. 하지만 지금은 암세포에 선택적으로 아포토시스를 유발하는 것을 목표로 암세포 치료가 연구되고 있다.
4-3. 아포토시스를 잃은 악성 종양 '헬라 세포'
'헬라 세포(HeLa Cell)'는 인간의 가장 유명한 배양 세포일 것이다. 이는 1952년 '계대 배양'이 확립된 인간 세포에서, 자궁경부암 환자의 종양 세포를 배양한 것이다. '계대 배양(Subculture)'이란 세포 증식을 위해 새로운 배양접시에 옮겨 세포의 대를 계속 이어서 배양하는 방법을 말한다. 원래 정상 세포는 50회 정도 분열하면 그 이상 분열하지 않는다. 하지만 '헬라 세포(HeLa Cell)'는 증식 능력이 아주 강해서 40년 이상 배양되었다. '헬라 세포(HeLa Cell)'는 '아포토시스'를 완전히 잃어버린 세포라고 할 수 있겠다. 이런 세포에 대해서는 '약품으로 아포토시스를 유발'하거나, '정상 아포토시스 유전자를 도입'하는 등의 유전자 치료를 조합시키는 새로운 치료법 개발이 이루어지고 있다.
아래의 사진은 배양된 '헬라 세포(HeLa Cell)'의 형광사진이다. '골지체(Golgi Body)''는 주황색, '미세소관(Microtubule)'은 초록색, 'DNA'는 파란색으로 염색되었다.
