신체는 닳아서 고장 나는 중고 기계가 아니다
많은 이들이 30대나 40대에 접어드는 어느 순간, 갑작스러운 체력 저하나 기력 감소를 경험하곤 한다. 계단 몇 층만 올라가도 숨이 차고 건강검진 수치에 이상 신호가 들어오면, 흔히 이러한 변화를 체력 소모와 장기의 자연스러운 마모 탓으로 돌린다. 오래 탄 자동차 부품이 시간이 지나면서 자연스레 고장 나는 것처럼, 인간의 몸도 오래 쓰면 노화한다는 설명은 오랫동안 보편적으로 받아들여졌다.
그러나 세계적인 학술지 Science에 게재된 최신 연구는 완전히 새로운 해답을 제시한다. 록펠러 대학교 단일 세포 유전체학 및 집단 동태학 연구실을 이끄는 준웨이 차오(Junyue Cao) 교수 연구팀은 신체 노화가 사전에 프로그래밍된 코드를 순차적으로 실행하는 과정이며, 생명의 퇴행과 종말은 체내에서 정교하게 작동하는 분자 프로그램에 의해 주도된다고 밝혔다.
허베이성 고등학생 시절부터 2100만 개 세포의 탐구까지
준웨이 차오 교수가 노화의 비밀을 파헤치기로 결심한 것은 중국 허베이성에서 보낸 고등학생 시절이었다. 당시 조부모의 건강이 날로 악화되고 결국 세상을 떠나는 모습을 곁에서 지켜보며, 인간이 왜 노화하는지에 대한 깊은 의문과 연구 열정을 품게 되었다. 이후 베이징 대학교에 진학해 학업을 이어갔으며, 단일 세포 유전체학(single-cell genomics, 개별 세포 수준에서 모든 유전자 발현 상태를 읽어내는 기술) 분야의 최전선 연구자로 성장했다.
노화 프로그램의 작동 메커니즘을 밝혀내기 위해 연구팀은 대규모 실험을 기획했다. 연구진은 서로 다른 연령대의 생쥐 50여 마리를 대상으로 14개 주요 장기와 5개 생애 단계를 추적 조사했다. 5개 단계는 생쥐의 생후 3개월부터 23개월까지 이어지며, 이는 인간의 20대 청년기, 30대 장년기, 50대 중년기, 그리고 60대와 75세의 고령기에 해당한다.
연구팀은 2100만 개에 달하는 세포를 단일 세포 시퀀싱 기술로 분석하여, 각 세포 내 2만 개 유전자 발현(gene expression, 유전자가 활성화되어 단백질 합성을 지시하는 과정)의 활성도를 정밀하게 측정했다. 2100만 개 세포의 데이터 규모는 대도시 전체 주민 한 사람 한 사람의 상세한 업무 기록을 전수 조사한 것에 맞먹을 정도로 방대하다. 연구진은 이 데이터에서 536개의 주요 세포 유형과 1828개의 세부 하위 유형(subtype, 동일한 세포군 내부에서 더 정밀한 역할을 담당하는 세포)을 식별해 냈다.
사진: 록펠러 대학교 단일 세포 유전체학 및 집단 동태학 연구실 주임 준웨이 차오(Junyue Cao) 교수. 출처: Quanta Magazine / Karen Dias
노화의 4단계 변화와 갑작스러운 변곡점
분석 데이터는 놀라운 사실을 보여주었다. 배아 발달 과정과 마찬가지로, 전체 세포 하위 유형의 4분의 3 가까이는 일생 동안 안정적인 상태를 유지하며, 실제 격렬한 변화를 겪는 세포는 전체의 4분의 1 정도에 불과했다. 신체 퇴행은 무질서한 전면적 붕괴가 아니라 명확하고 단계적인 리듬에 따라 진행된다.
첫 번째 단계인 생쥐 생후 36개월(인간의 20대30대 초반)에 신체는 이미 조용히 노화 프로그램을 가동한다. 이 시기에는 일부 지방 및 근육 세포가 빠르게 감소하는 동시에, 뇌 속에서 재생 능력을 가진 미성숙 세포 2종도 줄어들기 시작한다. 겉으로는 청춘의 정점에 있는 것처럼 보이지만, 수면 아래 분자 카운트다운은 이미 시작된 셈이다.
두 번째 단계(인간의 30대~40대)에 접어들면 조직 유지 관련 세포가 급격히 고갈된다. 힘줄세포(tenocyte), 결장 평활근세포, 그리고 혈관주위세포(pericyte, 미세혈관 외측을 둘러싸서 혈관 구조 유지와 영양 공급을 담당하는 세포) 수가 현저히 줄어들면서 장기의 일상적인 자가 회복 효율이 떨어지기 시작한다. 이 단계는 30세를 넘기면 상처 회복이 더뎌지고 근육 회복력이 떨어지는 이유를 명확히 설명해 준다.
세 번째와 네 번째 단계(인간의 40대 후반~50대 이후)에 이르면 노화의 특징은 세포 고갈에서 특정 세포의 대규모 증식으로 전환된다. 먼저 면역세포가 1차 증식을 주도하고, 이어 노화 관련 면역세포가 대량으로 축적되면서 전신성 만성 염증을 유발한다. 이러한 세포 사회 구조의 변화는 심장질환, 관절염, 암 등 만성 질환의 발병률을 급격히 높이는 직접적인 원인이 된다.
인간의 생리학적 데이터 역시 이러한 법칙을 뒷받침한다. 인간의 혈액 단백질 수치는 40대 중반과 50대 후반에 두 차례 급격한 변곡점을 나타내는데, 이는 생쥐 실험에서 관찰된 단계적 변화와 정확히 맞물린다. 준웨이 차오 교수는 이러한 변화를 가을철 가랑잎에 비유했다. “가을 단풍잎은 매일 조금씩 떨어지는 것이 아니라, 여름에서 가을로 넘어가는 약 2주 동안 일조량 신호에 반응해 한꺼번에 떨어진다. 포유류의 노화 역시 체내 특정 신호에 의해 작동하며 정해진 시점에 계단식으로 급격하게 변화한다.”
사진: 실험실에서 세포 샘플을 관찰 중인 준웨이 차오 교수. 출처: Quanta Magazine / Karen Dias
분자 스위치에 입력된 사전 설정 코드
만약 노화가 그저 무작위로 발생하는 물리적 손상이라면, 세포 내부의 유전자 변화는 무질서하게 흩어져 나타나야 한다. 그러나 연구진은 후성유전체(epigenome, DNA 염기서열을 바꾸지 않고 유전자 스위치를 조절하는 분자 표지 시스템) 수준에서 노화 과정 중 반복적으로 열리거나 닫히는 28만 개의 유전체 영역을 발견했다.
특정 연령대에 도달하면 활성화되거나 잠기는 영역은 언제나 정확히 동일한 유전체 부위들이며, 체계적 해체를 위한 조종 스크립트는 생애 초기 이미 작성되어 있다는 뜻이다. 이러한 정밀한 스위칭 메커니즘은 생쥐와 인간 모두에서 반복적으로 확인되었다. 신체의 노화 과정은 본질적으로 세포 사회 전체 구성 구조가 재배열되는 과정이다.
사진: 연구진이 컴퓨팅 플랫폼을 통해 대규모 단일 세포 유전체 데이터를 분석하는 모습. 출처: Quanta Magazine / Karen Dias
생물학적 카운트다운을 다시 쓸 수 있는 가능성
노화가 제어 가능한 분자 프로그램임을 확인한 것은 항노화 연구에 완전히 새로운 치료적 접근법을 제공한다. 노화가 특정 유전 코드와 세포 변이에 의해 작동한다면, 핵심 스위치를 차단하거나 조절함으로써 세포 사회를 다시 젊게 재구성할 가능성이 열리기 때문이다. 연구팀은 이미 가장 손상되기 쉬운 희귀 세포 하위 유형 몇 가지를 선별해 냈으며, 노화 변화를 주도하는 분자 코드를 해독하는 작업을 진행 중이다.
연구진은 세포의 유지 및 재생 능력이 이미 30세 이전에 눈에 띄게 떨어지기 시작한다는 점을 알아냈다. 노화로 인한 신체 손상을 효과적으로 지연시키거나 막으려면, 치료적 개입 시점을 중년 이전으로 대폭 앞당겨야 한다. 노화는 돌이킬 수 없는 기계의 녹슬림이 아니다. 체내의 질서 정연한 분자 코드를 해독하고 리프로그래밍할 수 있다면, 신체 세포 사회의 젊음을 유지하는 일은 현실이 될 것이다.
참고 링크:
- Quanta Magazine
