후성유전학 : 진화가 필요 없는 적응

미디어위원회

2022-10-19

후성유전학 : 진화가 필요 없는 적응

(Epigenetics : Adaptation Without Darwinism)

David F. Coppedge

자연선택 없이도 기존의 유전정보가 조정되어 변화가 일어날 수 있다.

진화적 적응으로 주장됐던 많은 것들이 진화가 아니라면?

생물이 환경에 적합되는 과정인 ‘적응(adaptation)’이라고 불리는 과정은, 고대부터 생물학자들을 매료시켜 왔다. 찰스 다윈(Charles Darwin)의 자연선택 이론에서 ‘적응’은 근본적인 것이었다. 다윈주의(Darwinism)와 이후의(무작위적 돌연변이에 가변성을 부여한) 신-다윈주의(Neo-Darwinism)는 환경을 적응을 위한 "원인"으로 묘사했다. 그러나 생물이 그들의 환경에 적합되는 것을 이해하는 또 다른 방법이 있는데, 그것은 생물의 적응을 지적 원인에 기인한 것으로 보는 견해이다. 이러한 견해는 새로운 과학인 후성유전학(epigenetics)으로, 어떤 "유익한 무작위적 돌연변이"가 일어나기를 기다리지 않고, 내부 요인들이 주변 환경에 적합하도록 유전체를 빠르게 "조정(tune)"하는 것이다.

하나의 염기순서, 많은 변이들(The Scientist, 2022. 10. 5). 반 안델 연구소(Van Andel Institute, VAI)의 연구자들은 동물과 식물이 환경에 적응하는 것에 대한 새로운 견해를 갖고 있다. 그것은 "위(높은) 유전자(above the genes)"라는 뜻을 갖고 있는 후성유전학(epi-genetics)이라는 것이다. 앤드류 포스피실릭(Andrew Pospisilik)은 VAI의 대사 및 영양 프로그래밍 그룹의 설립 멤버이다. "포스피실릭은 생물이 환경에 반응하여 변화할 수 있도록 유연성(plasticity)을 부여하는, 후성유전학적 변화(epigenetic changes)를 연구하고 있다.“

이것은 사고(thinking)의 획기적인 변화인가?

수년 동안 과학자들은 DNA 돌연변이(mutations)가 표현형의 변화를 일으키는 방법에 매료되어 왔다. 그러나 앤드류 포스피실릭을 포함한 후성유전학자들은 돌연변이는 모든 생물에 존재하는 변이(variation)의 일부만을 담당한다고 생각하고 있다. DNA와 히스톤(DNA를 염색질 안으로 압축시키는 단백질)에 부착되는 분자들과 유전자 발현을 조절하는 다른 인자들에 의한 후성유전학적 변화는, 생물체가 환경에 따라 유연하게 변화할 수 있도록 해준다. 이러한 변화는 유전될 수 있으며, 돌연변이가 없이도 미래 세대의 표현형을 변화시킨다.

.DNA는 염색질 주위에 단단히 감겨 있어서, 전사 인자와 중합효소의 유전자 접근에 영향을 미친다. (Credit: Illustra Media)

이러한 일은 고전적 신다윈주의와는 매우 다른 그림이다. 신다윈주의는 모든 표현형의 변화는 무작위적 돌연변이(random mutations)에 의한 것이라고 보고 있다. 돌연변이는 유전자의 복제 시에 발생하는 무작위적 오류로서, 방사선, 화학물질, 다른 원인들에 의해 발생하는데, 대부분은 유해하거나, 중립적인 반면, 간혹 "유익한" 것들이 유전됐을 것이라고 주장한다.

그러나 포스피실릭이 맞는다면, 생물체는 세포 내부에 내장되어 있는 후성유전학적 요소들을 적용하여, 하나의 염기서열로부터 많은 변이(variations)들을 얻을 수 있다. 그는 후성유전학 연구가 중요한 이유를 다음과 같이 설명한다 :

과학자들이 DNA를 발견하고, 유전자가 무엇인지, 돌연변이가 무엇인지, 유전자 염기서열이 어떻게 되어있는지를 알아내기 시작한 이후, 그들은 강한 돌연변이의 결과가 얼마나 재현 가능한지를 보았고, 모든 것이 유전학이어야 한다는 개념에서 길을 잃었다. 과학자들이 사람들 사이의 모든 유전적 차이를 지도화하면서, 그 퍼즐의 기껏해야 3분의 1 정도만을 이해하고 있음을 발견하였다.

돌연변이가 모든 것을 말해 줄 수는 없다고, 그는 말한다. "예를 들어, 일란성 쌍둥이도 항상 동일하지는 않다."

잃어버린 조각은 발달 유연성(developmental plasticity)이었다. 이것은 우리가 누구이고 무엇인지를 결정하는 주요 인자(factors)들이다. 동일한 DNA 템플릿에서 기원한 생물에서 인자들은 그들의 가변성(variability)을 압축하고, 그들의 유연성을 조정하도록 진화해왔다.

이러한 "인자"들이 진화론적으로 "진화"되었든 아니든 간에, 그것들은 외부에서 온 것이 아니라, 생물체 내부에서 온 것이다. 그것들은 후성유전체(epigenome) 내에 존재하여, 새로운 환경에 놓인 생물에 유연성을 부여한다. "요인들이 그들의 가변성을 압축하기 위해 진화했다"는 그의 주장은 수십 년 동안 내려왔던 신-다윈주의 교리로부터 온 것일 수 있다. 후성유전학적 인자들이 처음부터 생물체에 내재되어 있었다고 주장하는 것은 가능성 있는 주장이다. 만약 변이(variations)가 생물체 내부에서 생겨난 것이라면, 그것은 돌연변이의 결과가 아니다.

예를 들어, 면역계가 항원에 대한 표적 탐색을 통해, 수백만 개의 항체들을 생성하는 방법과 유사하게, 지성을 가진 설계자는 견고성을 갖기 위한 가변성을 사전에 프로그래밍하여 장착시킬 수 있다. 일치하는지 아닌지에 대한 표적 탐색은 무작위적 탐색(또는 맹목적 탐색)과 다르다. 왜냐하면 결과가 미리 특정되었기 때문이다. 이는 대상(표적)을 지정하고, 성공적 결과를 인식하는 정보의 사전 존재를 의미한다. 환경은 생물체의 필요를 고려하지 않기 때문에, 정보의 근원이 될 수 없다.

일반적으로 DNA 돌연변이가 이것을 주도한다고 생각해왔지만, 후성유전학은 동일한 DNA 템플릿이 추가적인 결과를 생성하도록 허용한다. 초파리와 같이 많은 자손을 낳는 생물체의 경우, 수백 개의 완전히 동일한 자손을 갖는다는 것은 진화론적으로 말이 되지 않는다. 만약 그들의 DNA 염기서열이 그들의 환경적 동요(environmental perturbation)에 민감하도록 만들어졌다면, 그들은 모두 한꺼번에 죽을 수 있다. 그들 중 일부가 살아남을 수 있도록, 그 시스템에 가변성을 갖는 것이 좋다.

.염색질의 히스톤 태그(histone tags, 꼬리표)는 DNA와 분리된(구별된) 코드를 구성한다. 이 "히스톤 코드"는 세포가 유전자 전사(gene transcription) 및 선택적 스플라이싱(alternative splicing)을 조절하는 한 가지 방법이며, 하나의 염기서열로부터 많은 변이(variations)들을 산출시킨다.

"시스템의 가변성"은 선견지명이 필요했던 것처럼 들린다. 예를 들어, 로봇의 설계자는 제품의 일부가 주어진 상황에서도 작동될 수 있도록, 가변성을 구동시키는 모듈을 프로그래밍 하여 내장시킬 수 있다. 이것은 생물이 무작위적 돌연변이를 통해서 환경에 적응하도록 "추진"한다는, 전통적인 신-다윈주의와는 매우 다른 개념인 것이다.

포스피실릭은 후성유전학적 조절 인자에 기인하여, 동일한 유전체가 완전히 다른 표현형을 생성할 수 있는 방법의 예를 제시하고 있었다. 한 가지 극적인 예는 꿀벌(honeybees)이다. 이 생물은 동일한 유전체로부터 여왕벌, 일벌, 숫벌, 그리고 카스트 제도(caste systems)의 다른 구성원을 만들어낸다. 벌, 말벌, 흰개미, 개미 등이 후성유전학적 인자에 따라, 서로 다르게 적응했다면 어떻게 되는 것인가? 이것은 한 과(family)의 유사한 종들이 카스트 제도를 갖고 있고, 다른 종들은 갖고 있지 않은 이유와, 카스트 제도가 매우 조직적이고 성공적인 이유를 설명할 수 있다.

때때로 후성유전학적으로 구동되는 표현형의 유연성이 잘못될 수도 있다. 그는 다음의 예를 들고 있었다.

사람에서 네덜란드의 굶주린 겨울(Dutch Hunger Winter)은 유명한 예이다. 그것은 제2차 세계대전 동안 장기간에 걸친 기근 기간이었다. 과학자들은 그 시기를 살았던 사람들의 후손들은 반세기 후에 심장대사 질환(cardiometabolic diseases)에 더 걸리기 쉽다는 것을 발견했다. 여왕벌의 예처럼, 이것은 태아가 재프로그래밍 됐었다는 직접적인 초기 결과인 것 같다.

인터뷰의 나머지 부분에서, 포스피실릭은 후성유전학에 대한 지식이 암(cancer)과 같은 질병을 치료하는데 어떻게 도움이 될 수 있는지에 대한 아이디어를 공유하고 있었다. 지금까지의 경험에 기초하여 그는 이렇게 생각하고 있었다 :

후성유전학은 사람의 특정 질병을 일으키는 퍼즐의 3분의 1 정도를 차지하고 있지만, 비교적 연구가 덜 되어 있다. 이 블랙박스를 이해하는 것은 중요하다. 그것은 새로운 후성유전학적 치료법의 문을 열 수 있다. 정밀 진단을 가능하게 함으로써, 우리는 제2형 당뇨병을 가진 사람이 한 약물에 반응하지만, 다음 사람은 반응하지 않을 수 있는 이유를 알 수 있을 것이다. 또한, 많은 후성유전학적 과정들이 인생에서 매우 초기에 생성된다고 믿어지기 때문에, 과학자들은 사람이 한 질병에 대해 어떤 후성유전학적 위험을 갖고 있는지를 알아보기 위해서, 출생 시의 생체표지자(biomarkers)를 측정할 수 있을 것이다.

포스피실릭은 동료 피터 존스(Peter Jones)와 함께, 반 안델 연구소는 "수준 높은 과학 논문들을 출판하는데 관심이 많은 세계적 수준의 미래지향적 교수진과 과학자들"이 있다는 자신의 의견을 전하고 있었다. 21세기의 높은 수준의 과학은 신다윈주의를 버리고, 후성유전학에 집중할 것인가?

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이 기사는 생물이 환경에 적응하는 모델로서 ICR이 연구해온 연속환경추적(Continuous Environmental Tracking, CET)을 지지하는 것으로 보이기 때문에 흥미롭다(자세한 설명은 ICR의 글 참조). 환경적 억압에 대한 유전체의 후성유전학적 조정은 외부가 아니라, 내부적으로 일어나 적응하는 것이기 때문에, 신다윈주의와는 매우 다르다. ICR의 "엔지니어링-기반 생물학적 모델"은 우연에 의해서 승자와 패자를 선택하는, 자연선택이라는 불합리한 개념을 생물학에서 제거하고, 선견지명을 가진 지성에 의한 설계와 프로그래밍 기술에 초점을 맞추고 있다.

후성유전학(진화론의 대안으로서 내장된 프로그래밍을 가리키는)의 또 다른 옹호자는 플로리다 탬파에 있는 트리니티 칼리지의 토마스 우드워드(Thomas Woodward) 박사이다. 그가 2011년에 제임스 길스(James P Gills) 박사와 함께 쓴 책 ”미스터리한 후성유전체: DNA 너머에 무엇이 있는가?(The Mysterious Epigenome: What Lies Beyond DNA)“는 독자들에게 생물체의 건강과 성공을 위해 유전체를 조정하고 있는 요소들을 소개하고 있다. The Scientist 지에 실린 세속적 유전학자들의 이 새로운 기사는, 앞으로 생물학을 이해하기 위한 방법으로, 후성유전학이 유전체학(genomics)을 추월할 것이라는 이 책의 주장을 뒷받침하는 것이다.

.이 책은 후성유전학의 중요성을 잘 기술해놓았다.

후성유전학이 적응(adaptation)을 어느 정도 설명할 수 있는지는 아직 아무도 모른다. 그러나 나는 분류학적으로 과(family) 수준에 이르는, 생물 종 내의 표현형의 유연성과 가변성에 대한 이러한 "엔지니어링 기반 접근"이, 만물 우연발생 법칙에 기초하여 전적으로 운 좋은 우연에 의존하는 자연선택보다 훨씬 더 많은 성과를 거둘 것이라는 것을 의심하지 않는다.

*관련기사 : 병정개미를 일개미로 바꾼다? 억제인자 이용, 후성유전학적으로 변환시켜 (2019. 11. 14. 사이언스타임즈)

https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EB%B3%91%EC%A0%95%EA%B0%9C%EB%AF%B8%EB%A5%BC-%EC%9D%BC%EA%B0%9C%EB%AF%B8%EB%A1%9C-%EB%B0%94%EA%BE%BC%EB%8B%A4/

DNA 검사도 못 잡는 후성유전 변이, 생각보다 훨씬 많다 (2020. 09. 16. 한국경제)

https://www.hankyung.com/it/article/202009167528Y

어린 아들 옆에서 담배 피우면, 나중에 손주까지 아프다 (2022. 9. 16, 헬스조선)

https://m.health.chosun.com/svc/news_view.html?contid=2022091502599

수컷 물고기, 남세균 독소 노출되면…손자까지 신경발달 장애 (2022. 10. 17. 중앙일보)

https://news.koreadaily.com/2022/10/17/society/generalsociety/20221017140048174.html

*참조 : 식물에서 연속환경추적(CET)은 명확해지고 있다

https://creation.kr/Plants/?idx=12440278&bmode=view

수수는 가뭄 시에 유전자 발현을 조절한다 : 식물의 환경변화 추적 및 대응 메커니즘은 설계를 가리킨다.

https://creation.kr/Plants/?idx=3017770&bmode=view