암과 세포자살

     세포가 죽는 방법에는 두 가지가 있다. 세포괴사(necrosis)와 세포자살(apoptosis)이다.

     세포괴사는 여러 가지 원인으로 일어날 수 있다. 세포에 강한 힘이 가해지거나 심각한 세균의 침입을 받으면 세포가 괴사한다. 세포가 괴사할 때는 세포가 붓게되면서 터지는 과정을 거치게 된다.(swell and rupture) 따라서 괴사로 죽는 세포들은 세포의 찌꺼기들이 많이 남게되어 뒤치닥거리를 해야한다. 곪게된 조직을 생각해보면 된다. 곪은 조직에는 죽은 세포들이 붓고 터진 모습으로 죽은 세균들의 시체가 많이 있다. 따라서 괴사로 인하여 세포가 죽게되면 이를 처리해야만 하는 부담을 갖게된다. 

     반면에, 세포가 죽는 또 한 가지의 길은, 미리 프로그램된대로 정해진 코스에 따라 세포가 스스로 죽게되면서 뒤가 깨끗하게 처리되는 과정을 거치며 세포가 죽게된다. 이를 세포자살이라고 부른다. 세포자살이 일어나게 되면 주변의 세포가 세포자살을 한 세포의 내용물들을 온전하게 흡수하여 재활용하게 됨으로 아무런 찌꺼기가 남지 않게 된다. 세포자살은 세포가 줄어들면서 파편으로 쪼개지게 되는 과정을 거치게 된다.(condense and fragment)

      세포가 죽는다는 사실에 대한 지식은 19세기 때부터 있어왔다. 당시의 조직학자들이나 해부학자들은 세포가 죽는다는 사실에 대하여는 알고있었지만, 이는 어디까지나 모든 것은 태어나면 죽어야 한다는 수동적인 현상이지 세포가 왜 죽어야 하는지에 대한 이유에 대하여는 별로 생각해 보지 않았던 것이다.

      세포자살(apoptosis)은 호주 병리학자인 죤 커(John Kerr)가 1972년에 최초로 쓴 말이다. 그는 세포가 죽는 방법에는 두 가지 길이 있는데 서로 틀린 양상을 보여주고 있다고 보고했다. 그 중의 한가지 길은 통제된 방법으로 세포가 죽는다고 해서 세포자살이라는 명칭을 생각하게 되었다.

      죤 커가 발견한 것은 세포가 죽을 때 완전히 통제된 방법으로 죽는 모습이 생리적이거나 아니면 병리적이거나 일반적인 괴사와는 완전히 다른 모습을 본 것이다. 세포자살은 미리 프로그램된대로 진행됨이 특징이다. 따라서 세포가 정해진 코스를 따라서 자살을 하게 될 때는 지저분한 모습을 보여주는 일반 괴사와는 완전히 다른 모습을 보여주는 것은 당연할지도 모른다. 

     하여튼 죤 커가 발견한 세포자살이란 현상에 대한 지식이 일반화한 다음에는 이 방면에 대한 연구조사가 폭발적으로 일어나고 있는 중이다. 특히 전자 현미경으로 세포자살이 일어나는 모습을 영상으로 잡게되면서 좀 더 구체적인 연구조사가 가능해지면서, 암 치료에 세포자살을 응용하기 위한 연구조사가 한창 진행 중에 있다. 세포자살에 대한 연구조사는 영국과 호주에서 시작되어 1980년대까지 계속되다가 그 이후에는 미국을 비롯해서 다른 나라에서도 세포자살에 대한 연구조사가 많이 이루어지고 있는 중이다.

     어떻게 보면 세포가 죽어야하는 이유는 간단하다. 왜냐하면 모든 세포들은 세포분열을 통해서 그 수와 크기가 늘어나게 됨으로 제한된 장소와 공간을 채우되, 다음에는 처음에 있었던 세포들은 없어져 주어야만 그 공간을 채울 수 있게 되면서 전체적으로 새로운 모습으로 될 수 있기 때문이다.

     이런 현상이 깨어진 상태가 암이라고 할 수 있다. 특히 상해를 받은 세포는 미리 프로그램된 대로 세포자살이 일어나야 하는데 세포자살이 일어나지 않고 받은 상해를 세포분열을 통해서 다음에 오는 세포에게 전달하게 될 때에는 암으로 발전하게 될 가능성이 올라가게 되는 것이다.

     

     따라서 어떤 조직이나 기관이 아무런 문제없이 살아가려면, 다음의 두 가지 기전이 마련되어야 한다. 

첫째는 세포가 완전히 분화(differentiation)되어서 그 이상 세포분열이 일어나지 않아야 하며,  

둘째는 새로 생기는 숫자만큼의 세포가 죽어 주어야 한정된 공간이 세포로 너무 꽉 차지 않게 됨으로 모든 세포들이 그 기능을 제대로 발휘할 수 있게 될 것이다.(세포의 분화란 세포가 특수한 기능을 발휘할 정도로 더 이상의 변화는 오지 않게 됨을 의미한다. 예를 든다면, 땀샘이라는 조직은 땀을 분비하는 기능만 갖게되며 그 이상의 기능은 없을 정도로 분화가 된 상태이다)

     세포자살은, 1) 세포가 늙어서 더 이상 생리작용을 지속할 수 없을 때 생기고, 

     2) 어떤 조직에 필요이상으로 세포가 생겨날 때에도 세포자살이 일어나고, 

     3) 세포가 상해를 입었을 때에도 세포자살이 일어난다.

     세포 안에는 세포가 이런 상태에 들어갈 때 어떻게 대처할 것인지에 대한 프로그램이 되어있다고 믿어지고 있다. 결과적으로 세포는 주어진 상태에 맞는 변화가 일어나게 되는데 이런 장치는 주어진 유전인자와 이로부터 만들어지는 단백질을 통해서 이루어진다고 믿어지고 있는 것이다. 

     즉 세포안과 세포 밖으로부터 오는 신호(signals)에 의해서 순서 있는 과정을 거치면서 세포자살이 일어나게 되는 것이다. 이때 세포 안으로부터의 신호는 유전인자와 이로부터 만들어지는 단백질이 될 것이고, 세포 밖으로부터의 신호는 바로 곁에 있는 이웃 세포로부터 오거나, 면역세포로부터 오거나 아니면 몸 전체로부터 오는 어떤 신호에 의한다고 보여지고 있다.

      세포자살이 일어나야 할 때 세포자살이 이루어지지 않게 되면 여러 가지의 문제가 생길 수 있다. 우선 기형아가 생기게 된다. 태아가 자라나는 과정에서 필요한 부분은 계속해서 분열/성장하고, 없어져야 할 부분은 세포자살을 통해서 없어져야 하는데 이런 과정들이 제대로 발생하지 않을 때 여러 가지의 문제가 생기게 된다. 예를 든다면, 태아가 자라날 때 손가락과 발가락 사이의 조직들은 세포자살로 없어지면서 손가락이나 발가락의 모양이 완성된다. 이런 과정이 일어나지 않게 될 때에는 손가락이나 발가락이 붙은 아이가 태어나게 되는 것이다.

     또한 조직에 위축이 오게 될 경우에도 세포자살이 일어나서 위축된 조직이 없어지지 않게 되면 노화현상이 촉진될 것이며, 세포자살이 제대로 생기지 않을 때 건선(psoriasis)이나 암으로도 발전하게 된다. 이런 배경을 기초로 해서 현재 세포자살에 대하여는 분자 생물학과 유전 생물학적인 면으로 광범위하고 철저한 연구조사가 이루어지고 있는 중이다. 세포자살에 대한 모든 궁극적인 사실이 다 알려지게 되면, 암 발생 및 암 치료에 대한 획기적인 이해와 함께 치료방법이 마련될 것으로 전망되고 있다. 세포자살에 대한 이해를 할 때 자가면역질환에 대한 이해도 쉽게 할 수 있게된다.

      세포자살이 이루어진 결과에 대하여 이를 깨끗하게 치워야 하는 임무는 크게 세 가지로 나뉘어진다. 

첫째 방법은 거대세포(macrophages)에 의한 식균작용을 통하는 길이고, 

둘째는 세포자살이 이루어진 주변 세포들이 흡수하는 길이고, 

셋째는 피부의 세포나 장 내면의 세포와 같이 몸으로부터 떨어져 나가는 길이다. 

      첫째 방법인 식균 과정에서 거대세포가 세포자살이 이루어진 후 부스러진 세포핵 물질을 제대로 알아 본 후 이를 온전히 치워야 하는데 이 과정에서 문제가 발생했을 때 생기는 항원/항체 복합물질(antigen/antibody complex)이 조직에 침전함으로 발생하는 것이 각종 자가면역질환인 것이다. 자가면역질환들은 세포자살 과정에서 발생한다고 볼 수 있다.

 

삶과 죽음 : 세포자살이란 엔트로피가 쌓이게 된 결과로 나타나는 현상이라고도 볼 수 있다. 생물학적인 표현으로는 세포가 상해를 입었을 때 그 상해의 정도가 고쳐질 수 있는 정도를 넘게되면 어쩔 수 없이 죽어야 하며 또한 완전히 분화가 된 세포가 끝을 맞이하게 되는 경우에도, 미리 프로그램된 대로 세포자살이 일어나게 된다. 

     세포자살이 미리 예비된 코스를 거치면서 생기는 생리적인 현상임에 비해, 급격한 상태를 맞이하게 되면서 병리적으로 세포가 죽는 현상을 세포괴사라고 이해하면 될 것이다. 물론 엔트로피와는 상관이 없는 세포자살도 있게된다. 태아의 손가락 사이의 조직들에게 생기는 세포자살의 경우이다.

     세포자살에 대한 이해를 제대로 하려면 세포가 어떻게 죽는지에 대한 일반적인 지식이 있어야 한다. 세포가 죽는 것을 알기 전에, 우선 살아있는 세포의 특징을 알아보면 다음과 같다. 

     살아있는 세포는 다음의 4 가지의 특징을 갖고있다.

 1)움직임, 2)신진대사, 3)주변환경으로부터의 정보입수 장치(감각기관), 4)생산능력 등이다.   

    살아있는 세포는 위의 4가지 특징을 다 갖고있어야만, 계속해서 살아있게 되면서 번식해 나아갈 수 있게된다. 경우에 따라서는 4가지의 특징이 희미하게 보일 때도 있으나 자세히 들여다보면 결국 위의 4가지 특징을 다 찾을 수 있게된다. 따라서 4가지의 특징 중 하나만 상실하더라도 세포는 죽었거나 죽어간다고 보아야 한다.

     그러나 살아있는 세포와 죽은 세포를 명확히 가르기란 그렇게 쉽지 않을 경우도 있다. 한 세포에 대한 생사여부를 가르는 것도 그리 쉽지 않은데 한 개체 전체가 살아있는지 죽었는지를 가르기는 더욱 어렵게 된다. 한 예를 든다면, 몸의 다른 기관들은 다 살아서 잘 움직이는데 뇌는 완전히 뇌사로 죽은 경우에 그 개체 전체에 대한 생사여부를 가르는 데에는 생물학적, 종교적, 법적, 사회적 그리고 윤리적인 문제가 따르게 됨을 의미한다.

      완전히 죽은 세포와 죽어 가는 세포를 구분하기가 말처럼 그렇게 명확하지는 않다. 예를 들어보기로 한다. 

      중요한 한 기관의 기능이 실패하게 되면 나머지 건강한 기관들의 기능도 점차적으로 줄어들게 된다. 신장장애에 걸린 사람은 아무리 신장투석을 하더라도 어느 기간이 지나면 심장 및 혈액순환에 문제가 발생하게 된다. 간의 문제가 심각하게 될 때에도 나머지 모든 기관의 기능이 떨어지기 시작한다. 마찬가지로 심장이나 동맥에 문제가 생겨도 나머지 기관의 기능이 떨어지게 되며, 폐와 뇌도 마찬가지이다. 인공 심폐기를 달아서 심장과 폐의 기능을 대신 보존하면서 다른 기관들의 기능을 어느 정도는 유지할 수 있게된다. 

     이런 경우에 현대의학에서는 상해를 받은 기관은 물론 나머지 기관들의 기능을 보존하는 치료에 상당한 발전이 있어왔다. 그러나 그것도 어느 정도이지, 시일이 충분하게 지나게 되면, 나머지 기관들이 하나씩 그 기능을 잃어가게 된다. 이런 경우에 죽은 세포(기관)와 다른 죽어 가는 세포(기관)들에 대한 온전한 구분을 하기가 어렵다는 내용인 것이다.

     여기에 사망에 대한 법적 개념까지 도입하면 문제는 더욱 복잡하게 된다. 많은 국가에서는 뇌가 완전히 사망했을 경우에는 법적인 사망이라고 선언한다. 이때 다른 기관이 아무리 정상적으로 작용하고 있더라도 상관이 없다. 법적인 사망인 것이다. 사망과 사망 가까이 있는 세포들 사이가 명확하지 않은 또 한가지의 예인 것이다. 이렇게 사망과 생존이 명확치 않은 상태에 대비되어 있는 것이 세포자살인지도 모른다. 세포자살이 신기하다고 생각되는 것은 당연하다. 그러나 생명 그 자체는 더욱 불가사의하다고 할 수 있다. 세포자살에 대한 연구와 이에 대한 지식의 탐구는 결국 생명 그 자체에 대한 연구라고 할 수 있다. 삶과 죽음 사이에 명확한 선을 그을 수 없는 몇 가지 예를 들어본다.

 

* 북미 나무 개구리(North American wood frog)는 겨울철의 추운 날씨가 계속되는 경우에는 온 몸이 완전히 얼어붙게 된다. 이런 상태에서는 어떤 면으로 보더라도 생명이 있는 살아있는 개체라고 보기 힘든다. 그러나 북미 나무 개구리는 따듯한 봄철이 오게되면 다시 살아나서 정상적인 생활을 하게된다. 이런 식으로 살아가는 곤충들은 얼마든지 있다. 삶과 죽음 사이가 명확치 않은 상태인 것이다.

* 물 곰(water bear, Tardigrades)이라는 자그마한 (0.05-1.2 mm) 동물은 몸무게의 85%가 물인데 물을 다 잃어서 몸무게의 3%까지 내려간 후 몇 년이 지난 후에도 물만 다시 얻게되면 완전히 회생해서 정상으로 돌아간다고 한다. 몸무게의 3% 이내의 물을 갖고있는 생명체를 살아있다고 보기는 힘들다고 할 수 있다.

* 북미 나무 개구리만 동결로부터 다시 살아나는 것이 아니다. 많은 실험실에서는 인간의 조직을 동결시킨 후 다시 환원시켜서 실험을 계속하는 경우가 종종 있다. 

     찬 호수에 빠진 후 호흡과 맥박이 다 끊어진 아이가 병원에 후송된 후 다시 살아났을 뿐 아니라 정상적인 생활을 하게되었다는 언론보도에 종종 접하게 된다.

 

      위와 같이 삶과 죽음 사이에 명확한 선이 그어져있지 않다. 그러나 생명현상을 크게 볼 때, 살아있다는 것은 새로운 세포가 계속해서 만들어져야하며, 때가 다 된 세포들은 어떻게 해서든지 없어져야 하는 현상이 같이 있어야 한다고도 볼 수 있다. 새로운 세포가 생기는 가장 최초의 사건은 수정된 난자가 최초의 세포분열이 생기면서 아직 조금도 분화(differentiation)되지 않은 세포들(줄기세포, stem cells,)이라고 할 수 있고, 수명이 다 된 세포는 없어져야 하는데, 세포자살이라는 과정을 거치면서 세포들이 깨끗하고 조용하게 없어지게 되는 현상을 세포자살이라고 보면된다. 줄기세포와 세포자살은 하나의 단위로 작용하고 있다고 보아야 한다.

      세포자살은 다음의 세 가지 형태로 발생하게 된다.

1)봉사적인 세포자살(altruistic apoptosis) : 세포, 특히 세포핵에 문제가 발생했을 때인데, 세포분열이 일어날 때 DNA가 잘 못 배치되면서 세포핵에 문제가 발생할 수 있는 가능성은 항상 있게되면서 세포자살이 일어나는 과정이고,

2)과정상 세포자살(utilitarian apoptosis) : 전체적인 세포의 숫자를 맞추기 위한 현상으로 균형과 평형을 이루는 과정으로 세포자살이 일어나고, 

3)노화로 인한 세포자살(senescent apoptosis) : 수명이 다 한 세포는 없어져야 하는데, 이때에도 세포자살이 일어나게 된다. 그러나 전체적으로 볼 때에는, 한 개체가 살아남기 위한 생명현상을 유지하는데 전체적인 평형을 맞추기 위한 것이 세포자살이라고 할 수 있다. 즉 세포자살은 한 개체가 살아남기 위하여 반드시 있어야 하는 생리적인 과정이라고 볼 수 있다.

     세포자살은 암세포에서도 발생한다. 이때 세포자살을 하는 암세포보다는 새로운 암세포가 만들어지는 속도가 약간이라도 더 빠르기 때문에 암세포가 자라나게 되는 것이다. 따라서 암세포의 세포자살을 유도할 수 있는 길이 마련되어 암세포의 세포자살 속도를 조금이라도 더 빠르게 할 수 있다면, 전체적으로 암세포의 숫자가 줄어들게 될 것이다.

     

     현재 제약회사들은 암세포의 세포자살을 유도시키려는 약 개발에 많은 노력을 하고있는 중이다. 또한 세포자살을 유도하는 음식과 영양소들이 발견되고 있는데 앞으로는 이런 약들이나 음식/영양소들이 암 치료에 직접 또는 보조적으로 사용될 수 있을 것으로 보인다.

     이 시점에서 약이나 음식/영양소와 세포자살에 대하여 언급할 수 있는 바는 다음과 같다. 

     약으로 세포자살을 유도시키는 방법이 마련되려면 앞으로 얼마나 더 긴 세월이 걸릴지 모른다. 또한 그런 약이 마련되었다고 하더라도, 그 효과는 물론 약의 부작용에 대하여도 크게 자신할 수 있게되려면, 더 많은 세월이 걸리게 될 것이다.

    반면에 음식이나 영양소들을 통한 세포자살의 길은, 우선 당장 얻을 수 있고, 부작용이란 전혀 없으면서 세포자살을 정상화시키는데 도움이 될 수 있는 길이다.

    따라서 세포자살을 정상화시키는 약을 기다리기보다는 지금부터라도 음식과 마땅한 영양소들을 통해서 세포자살을 정상화시키는 길을 모색하는 것이 정도라고 말할 수 있다. 좋은 음식과 적당한 영양소들은 세포자살은 물론 건강 전체를 위해서도 좋은 길이 됨은 물론이다.

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