“정크DNA는정크가아니다”
인간의복잡성을설명해주는‘정크DNA’
최신유전학에대해알고싶은이들을위한탁월한입문서
“자동차공장을방문한다고상상해보라.여러분은페라리처럼고급승용차가어떻게만들어지는지보고싶어서공장을방문했다.그런데실제로멋진빨간색스포츠카를만드는사람은2명뿐인반면,아무일도하지않고빈둥거리는사람이98명이라는걸본다면,깜짝놀랄것이다.이것은그야말로말도안되는상황인데,그렇다면우리유전체에서는이와같은일이일어나도괜찮단말인가?…자동차공장비유에서더그럴듯한시나리오는실제로자동차를조립하는사람은2명이고,나머지98명은전체작업이원활하게돌아가도록나머지온갖일을처리하는상황이다.즉,자금을조달하거나회계를처리하거나제품을홍보하거나지불수당을처리하거나화장실을청소하거나자동차를판매하는등온갖일들을처리한다.아마도이것이우리유전체에서정크DNA가담당하는역할을더그럴듯하게나타낸모형일것이다.”_본문중에서
정크DNA,아무것도아닌것이아니었다!
쓰레기,잡동사니,잉여취급을받던‘정크DNA’의대반전
DNA의98%를차지하는정크DNA,과연무슨일을할까?생명과학자네사캐리의『정크DNA』(원제:JunkDNA)는쓰레기,잡동사니,잉여취급을받았던정크DNA의놀라운기능을상세하게알려주는교양생물학도서다.유전자발현을조절하고손상된DNA를복구하고단백질생산을돕는등정크DNA의다양한기능을낱낱이소개한다.정크DNA는결코‘정크’가아니라는것.생명과학분야의최신연구동향을설명하면서,적절한비유를활용해정크DNA의A부터Z까지차근차근풀어내는게특징이다.
이책에서‘정크DNA’는‘단백질을암호화하지않는DNA’를뜻한다.2001년인간의유전체(게놈)서열초안이발표된이후,과학자들은30억쌍의염기로이뤄진유전체가운데단백질을암호화하는‘유전자’는약2만여개에불과하고나머지는단백질을암호화하지않는다는사실을발견했다.이에과학자들은단백질을암호화하지않는부분을‘쓸모없는것’,‘정크(쓰레기)’로간주하면서정크DNA를대놓고무시했다.
그러면정말로인간유전물질의98%가아무짝에도쓸모없고,단2%만중요한것일까?그러면인간에게는정크DNA가왜그토록많은것일까?
저자는이같은상황을‘자동차조립’이라는비유를활용해설명한다.자동차를조립하는사람이2명일지라도실제로자동차가만들어지려면부품주문,자금조달,회계처리,청소등98명의지원을받는것처럼,정크DNA도잘드러나지않게중요한기능을수행한다고말이다.
실제로,인간의유전체에대한연구가하나둘씩진척됨에따라,이러한‘단백질암호화유전자’중심의관점에큰변화가일기시작했다.정크지역에문제가있는사람들의질병사례들이속속보고되었고,이사례들은정크DNA가중요한기능을한다는사실을시사했다.
지금까지알려진것만따져봐도,정크DNA는결코‘정크’가아니다.정크DNA는유전자발현조절,DNA손상복구,단백질생산,단백질운반등굉장히다양한과정에관여하고있을뿐아니라,인간의복잡성을설명해주는핵심지역으로주목받는중이다.
인간에게정크DNA는왜이토록많은걸까?
정크DNA의염기서열오류는어떤질환을낳을까?
어떻게정크DNA는유전자발현을조절하는걸까?
그렇다면정크DNA는도대체어떠한방식으로유전자발현조절,DNA손상복구,단백질운반등등의기능을수행하는것일까?
가령,HOX유전자의경우를보자.과학자들은HOX유전자지역에서특정‘긴비암호화RNA(단백질을암호화하지않는분자,lncRNA)’의발현을감소시켰는데,이로인해닭의사지발달이제대로일어나지않는것을확인했다.생쥐에게서는척추와손목뼈에기형이생겼다.이는정크지역에서발현된긴비암호화RNA가유전자의발현을조절했다는것을의미한다.또연구결과,긴비암호화RNA중90%이상이단백질암호화유전자의발현을직간접적으로제어한다는사실이드러났다.
정크DNA는DNA손상을복구하는데에도관여한다.염색체의말단에는‘텔로미어’가있는데,이텔로미어는정크DNA와단백질복합체로만들어진다.세포분열이일어날때마다‘텔로미어’가짧아지며,텔로머레이즈시스템은염색체양끝에새로운TTAGGG모티프를추가함으로써정크DNA부분을복구한다.그리고이반복정크DNA가임계수준아래로줄어들면염색체말단에보호단백질이충분히많이들러붙지못하게되고,이러한텔로미어의길이단축은세포의노화를촉진한다.반대로,텔로미어길이를늘리면세포가노화를건너뛰어끝없이성장한다.암세포의경우는텔로머레이스활동을높은수준으로발현해긴텔로미어를갖는데,이는종양의공격적성장과증식을촉진한다.
정크DNA는세포분열이이뤄질때에도필수적인요소로활용된다.세포분열은수백가지단백질의정교한협력을통해이뤄지는과정인데,‘동원체’라는정크DNA지역에크게의존한다.구체적으로보면,염색체들을반대쪽극으로잡아당기는방추체는CENP-A단백질에들러붙는다.그리고이CENP-A단백질은염색체의동원체에들러붙어있다.즉동원체는CENP-A와관련단백질들이들러붙는‘부착지점’역할을하는것이다.마치세포한쪽끝에서있는스파이더맨이염색체를향해거미줄을던질때,거미줄이들러붙는곳이바로동원체와일체화된CENP-A단백질인상황과같다.그래서동원체활동오작동등으로염색체분리가제대로이루어지지않으면세염색체증등이발생할수있다.대표적인질병으로는다운증후군,에드워드증후군,파타우증후군등이있다.
사실,정크DNA를먼곳에서찾을필요도없다.단백질생산공장인리보솜은mRNA정보로단백질분자를만드는곳이다.리보솜은전체구조에서리보솜RNA(rRNA)가60%,단백질이40%를차지한다.rRNA는한아미노산의끝부분을다음아미노산의시작부분과연결시키는화학반응을수행해단백질사슬을만든다.즉rRNA는단백질을암호화하지않는RNA이면서도효소기능을가지는분자라고할수있다.더욱이우리몸속에는단백질을암호화하지않으면서도아미노산을리보솜으로‘운반’하는tRNA도있다.
X염색체가2개있을때,1개의X염색체를비활성화시키는데에도정크DNA의역할이매우중요하다.이는XX염색체를가지고있는모든여성에게해당되는일이다.비활성화된1개의X염색체에XistRNA가발현되어활동하는데,이XistRNA는단백질을일절암호화하지않는다.즉XistRNA는단백질생산에기여하지않는,나름의기능을가진RNA분자인것이다.XistRNA는비활성X염색체에들러붙은뒤점점퍼져나가비활성X염색체를뒤덮는다.이러한X비활성화는정크DNA에완전히의존해일어난다.
단백질암호화유전자가시작되는부분에있는‘프로모터’도정크지역이다.프로모터에전사인자가달라붙으면mRNA가만들어지기시작한다.그러면프로모터에문제가생길때어떤일이벌어질까?버킷림프종이라는질환은14번염색체에있는강한프로모터가8번염색체의한유전자로옮겨가는바람에나타나는질환이다.그런데하필프로모터가옮겨간유전자가세포증식속도를높이는단백질을암호화하는유전자여서심각한질환을일으킨다.프로모터의세기는제각각다르며,강한프로모터는매우공격적으로유전자의스위치를켜서mRNA복제본을더많이만든다.
정크지역에서,단하나의염기쌍의변화로심각한결과를낳는경우도있다.정크DNA지역에있는단하나의염기가C대신G로변하는오류가생기면손가락이하나더달린채로태어난다.전전뇌증의경우는정크지역에서하나의염기C가T로변함에따라필요한유전자가적절하게발현되지않아발병한다.
또다른예로취약뼈질환은mRNA에서단백질로번역되지않는‘비번역지역’의염기C가T로바뀌는경우에해당하는데,정상DNA서열이ACG에서ATG로변함에따라리보솜이단백질사슬을너무일찍만들어문제가생기기시작한다.정상단백질이시작하는부분에여분의아미노산5개가덧붙게되어골격에결함이생기는것이다.
정크로언급되는것가운데,염기가20~23개에불과할정도로작지만유전자발현에미세한방식으로영향을미치는‘작은RNA(microRNA,siRNA등의smallRNA)’들도있다.이들작은RNA는mRNA를파괴하거나,리보솜이mRNA서열을단백질로번역하는것을어렵게만든다.이결과로,특정mRNA로부터만들어지는단백질의양이줄어든다.
이처럼정크DNA는유전자발현조절,RNA암호화,세포분열,암,유전질환,노화에이르기까지,정크DNA가관여하지않는곳이없는데다생명현상의한복판에서매우복잡하고미묘한방식으로기능한다.
게다가유전자발현네트워크를조절하는데관여한다고의심되는정크DNA지역은수천,수만개나된다.이것들의복잡성은상상할수없는수준이다.그만큼복잡한방식으로작용한다.저자는이를연극대본의지문으로비유해서설명하는데,그에따르면유전자대본의지문은실제연극대본의지문보다훨씬더복잡하다.저자는다음과같이설명한다.“‘곰에쫓기며퇴장한다.’처럼단순한지문은꿈도꾸지마라.그것은‘만약밴쿠버에서<햄릿>을공연하고,퍼스에서<템페스트>를공연한다면,<맥베스>의이대사는네번째음절에강세를주어발음하라.단,케냐의몸바사에서아마추어들이<리처드3세>를공연하는동시에에콰도르의키토에비가내리는것이아니라면.’과같은지문에더가깝다.”
지금,정크DNA는새로운발견이쏟아지는생물학계의금광이다.과학자들은정크DNA연구가‘인간이지닌복잡성’의수수께끼를푸는데실마리를제공할뿐아니라,다양한질병을치료하는데에도큰변화를몰고올것이라고내다보고있다.
