Hallmark #3. 후성유전학적 변형 (Epigenetic Alterations)

우리는 흔히 기억이 뇌에만 존재한다고 생각한다. 그러나 생물학은 조금 다른 이야기를 들려준다. 우리 몸의 모든 세포는 나름의 기억을 가지고 있다. 간세포는 자신이 간세포라는 사실을 기억하고, 심장세포는 심장세포로 살아가는 법을 기억하며, 피부세포는 피부를 만드는 역할을 기억한다. 놀랍게도 이 기억은 DNA 염기서열 자체에 직접 기록되어 있지 않다. 같은 DNA를 가진 세포들이 서로 전혀 다른 모습과 기능을 갖는 것은 DNA 위에 덧씌워진 또 하나의 정보 체계, 후성유전(Epigenetics) 때문이다.

후성유전은 유전자를 바꾸지 않는다. 대신 어떤 유전자를 읽을 것인지, 어떤 유전자를 침묵시킬 것인지, 언제 그리고 얼마나 사용할 것인지를 조절한다. 마치 같은 악보를 가진 오케스트라라도 지휘자에 따라 전혀 다른 음악을 연주하는 것과 같다. DNA가 악보라면 후성유전은 그 악보를 해석하는 지휘자의 손짓이다. 젊고 건강한 세포에서는 이 지휘 체계가 정교하게 작동하지만, 시간이 흐르면서 원래 침묵해야 할 유전자가 깨어나고 필요한 유전자는 점차 목소리를 잃는다. 세포는 자신이 누구였는지 조금씩 잊기 시작한다.

세포는 어떻게 기억을 저장하는가

후성유전 정보는 여러 층위에서 저장되고 조절된다. 대표적인 것이 DNA 메틸화(DNA methylation), ​히스톤 변형(Histone modification), 그리고 ​**크로마틴 재구성(Chromatin remodeling)**이다. DNA 특정 부위에 메틸기가 붙어 유전자 발현을 조절하고, DNA를 감싸는 히스톤 단백질의 변형은 유전자에 대한 접근성을 변화시킨다. 또한 크로마틴이 얼마나 촘촘하게 접혀 있는가에 따라 특정 유전자가 읽힐 수도, 침묵할 수도 있다. 이 정교한 조절 체계가 세포의 정체성을 유지하는 일종의 생물학적 기억 장치가 된다.

나이가 들수록 기억은 흐려진다

노화 과정에서 나타나는 대표적인 변화 가운데 하나가 후성유전적 표류(Epigenetic drift)​다. 젊은 시절 비교적 정교하게 유지되던 후성유전 패턴이 시간이 지나면서 점차 불규칙해지는 현상이다. 수십 년 동안 사용한 도서관의 서가가 조금씩 정리 체계를 잃어가는 것과 비슷하다. 책은 그대로 있지만 어느 책이 어디에 있어야 하는지에 대한 질서가 흐려지는 것이다.

세포에서도 유전자는 그대로 존재하지만, 어떤 유전자를 언제 읽어야 하는지에 대한 조절 정보가 흔들리면서 염증 반응, 대사 조절, 조직 재생과 같은 여러 기능에 변화가 나타날 수 있다. 이런 의미에서 노화는 세포가 단순히 오래되는 과정이 아니라, 자신의 정체성을 유지하는 능력이 조금씩 흔들리는 과정이라고도 볼 수 있다.

생체시계는 DNA가 아니라 기억을 읽는다

후성유전 연구에서 특히 주목받은 발견 가운데 하나가 후성유전 시계(Epigenetic Clock)​다. 특정 DNA 메틸화 패턴을 이용하면 연대기적 나이를 상당히 정밀하게 추정할 수 있으며, 이후에는 질병 위험이나 기능 저하와 관련된 생물학적 노화 상태를 더 잘 반영하려는 다양한 후성유전 시계가 개발되어 왔다.

같은 나이라도 사람마다 후성유전적 노화의 양상은 다를 수 있다. 달력은 같은 시간을 가리키지만, 세포에 남겨진 시간의 흔적은 서로 다르게 축적될 수 있는 것이다.

노화를 되돌릴 수 있을까?

후성유전 연구가 노화과학에서 특별한 관심을 받는 이유는 후성유전 정보가 DNA 염기서열의 돌연변이와 달리 상대적으로 가역적(reversible)​일 가능성이 있기 때문이다. 실제로 동물과 세포 연구에서는 부분적 리프로그래밍(partial reprogramming)을 통해 일부 노화 관련 후성유전 변화와 세포 기능을 젊은 상태에 가까운 방향으로 되돌릴 가능성이 제시되고 있다.

아직 안전성과 장기적인 효과를 포함해 해결해야 할 문제가 많으며, 인간의 노화를 되돌리는 확립된 치료법으로 받아들일 단계는 아니다. 그럼에도 이러한 연구는 노화 과정에서 일어나는 변화의 일부가 반드시 완전히 일방향적이지만은 않을 가능성을 보여준다.

젊음이란 어쩌면 강한 근육이나 매끄러운 피부보다 먼저, 세포가 자신이 누구인지 정확히 기억하고 있는 상태인지도 모른다. 건강한 노화는 흘러간 시간을 되찾는 것이 아니라, 세포가 오랫동안 지켜온 정체성과 질서를 가능한 오래 보존하는 과정일 것이다.

하지만 세포의 기억이 흐려지는 것만으로 노화가 완성되는 것은 아니다. 세포의 정체성을 지키는 질서가 흔들리기 시작하면, 생명을 유지하는 수많은 단백질을 만들고 접고 수리하고 제거하는 체계 역시 흔들리기 시작한다.

노화의 다음 장은,
Hallmark #4. 단백질 항상성 소실(Loss of Proteostasis)
단백질을 만들고 접고 수리하고 제거하며 생명의 질서를 지켜 온 세포의 품질관리 체계가 조금씩 흔들리기 시작하는 이야기다.

함께 읽으면 좋은 글 

• 전체 흐름: Hallmarks of Aging: 인간은 왜 늙는가? (노화의 12가지 특징)
• 이전 글: Hallmark #2. 텔로미어 단축 (Telomere Attrition)
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참고문헌

1. López-Otín C, Blasco MA, Partridge L, Serrano M, Kroemer G. The hallmarks of aging. Cell. 2013;153(6):1194-1217. doi:10.1016/j.cell.2013.05.039.
2. López-Otín C, Blasco MA, Partridge L, Serrano M, Kroemer G. Hallmarks of aging: An expanding universe. Cell. 2023;186(2):243-278. doi:10.1016/j.cell.2022.11.001.