[ 학생부 종합 ] 텔로미어 탐구

텔로미어를 학습하고, 노화나 건강과의 연관성을 탐구하는 활동을 추천드립니다.

[ 학생부 종합 ] 텔로미어 탐구

1. 텔로미어란?

염색체는 세포분열이 진행되면서 점차 길이가 짧아지고, 결국 세포복제가 멈추고 죽게 됩니다. 이것이 생명체의 노화와 수명을 결정하며, 이는 염색체의 가장 끝, 텔로미어(telomere)에서 일어나는 일입니다. 염색체 끝부분을 우리는 텔로미어라고 하고, 이는 DNA를 보호하는 역할을 합니다. 텔로미어는 세포시계의 역할을 담당하는 유전자의 조각들이라고 보면 됩니다. ‘끝’을 의미하는 그리스어 텔로스(telos)와 ‘부위’를 의미하는 메로스(meros)의 합성어로, 염색체의 끝부분을 막고 있어 분해되지 않는 완충지역인 셈이죠.

텔로미어

​처음 텔로미어가 세포의 노화와 관련이 있음이 밝혀진 것은 1990년대로, 이미 선행된 연구에서 생물과 장기에 따라 세포 분열 횟수가 정해져있으며 그 후에 세포가 노화해 죽는다는 사실이 밝혀졌습니다. 매년 40-50개의 염기쌍을 잃게 되는데 이론상으로 염기쌍이 5,000개로 줄어드는데 120년이 걸립니다. 그래서 일부 과학자들은 인간의 최대 수명을 120년이라고 말하는 이유입니다. 세게 장수 기록은 1997년에 사망한 프랑스 여성인데(잔 칼망) 122년 살고 돌아가셨습니다. 우연의 일치일까요?

 

​상당수의 텔로미어가 5,000개의 염기쌍으로 줄어들면 우리의 면역체계가 능력을 상실하여 만성질환에 걸리기 쉽다고 합니다. ​결정적으로 텔로미어를 통해 세포의 노화 메커니즘을 규명한 사람은 엘리자베스 블랙번(Elizabeth Blackburn) 샌프란시스코 캘리포니아대학(UCSF) 교수와 캐롤 그레이더(Carol Greider) 존스홉킨스 의과대학(Johns Hopkins Medicine), 잭 스조스탁(Jack Szostak) 하버드 의대(HMS) 교수로 이들은 2009년 노벨생리학상 수상자로 선정되기도 했습니다.

 

2. 텔로미어 길이에 영향을 주는 다양한 요인

텔로미어 감손은 세포복제 시 염색체말단의 불완전한 복제로 초래 된다. DNA가 복제될 때 DNA polymerase는 5´ → 3´방향으로 끝까지 복제를 하지만 3´ → 5´방향으로 복제될 때는 RNA primer가 함께 복제되면서 DNA를 합성한다. 따라서 DNA 말단에 RNA primer가 결합된 경우 오카자키절편(Okazaki fragment)의 합성이 이루어지지 못하여 일부 DNA가 DNA 말단으로부터 손실되므로 텔로미어 DNA의 G가 많은 부분이 단일가닥으로 남게 되어 12-16개의 염기로 이루어진 3´돌출부를 형성하게 되고 불완전한 끝부분이 생겨나게 된다.

 

1) 유지와 보존에 관여하는 요인

텔로미어 복제 시 텔로미어 DNA에 직접적으로 혹은 텔로미어 단백질 복합체에 작용을 하는 단백질도 텔로미어 길이 유지와 보존에 영향을 준다. 텔로미어는 (T)-loop와 텔로미어 결합단백질(binding protein)로 연결된 displacement (D)-loop로 구성된 이중구조를 가지고 있으며, 6개의 말단단백질(telomeric proteins)과 쉘터린 복합체(shelterin complex)로 형성되어 있다.

말단의 단백질은 telomere repeat factor-1과2 (TRF1, TRF2), protection of telomere-1(POT1), TRF1-interacting protein 2 (TIN2), the human ortholog of the yeast Repressor/Activator Protein 1 (Rap1)과 tripeptidyl peptidase 1 (TPP)이며, 이런 단백질들은 텔로미어 구조와 DNA 재생기전에 관여하여 텔로미어 길이를 유지시키는 역할을 하므로, 단백질들의 작용부전은 텔로미어 기능부전 및 노화와 관련이 있다.또한 텔로머라제(telomerase)는 일종의 RNA 의존성 DNA 중합효소로서 텔로미어를 합성하여 그 길이를 유지하는 기능을 담당하는데, 인체의 텔로머라제는 RNA와 단백질로 구성되며, 그 가운데 RNA성분은 텔로미어 합성 시 형판(template)으로 작용하고, 텔로머라제 역전사 효소(telomerase reverse transcriptase, TERT)는 이 효소의 기능을 조절하는 역할을 한다.

 

2) 감소에 관여하는 요인

텔로미어 길이는 조직의 산화 스트레스와 염증상태에 영향을 받는다. 만성적인 산화스트레스는 TERT의 활성을 빠르고 지속적으로 감소시켜 텔로머라제의 활성을 억제하므로 세포의 복제 시 텔로미어 감손을 촉진시키고, 염증반응은 백혈구의 교체율을 증가시킴으로써 텔로미어 감손을 촉진시키는 역할을 한다.

 

3) 유전적 요인

유전적 기능이상은 비정상적인 텔로미어 항상성과 조기 노화에 영향을 준다. 유전성 조로증(premature aging syndrome) 중 워너증후군 (Werner syndrome)은 DNA의 이중나선을 단일나선으로 분리시키는 효소인 헬리케이즈(helicase)라는 효소에 돌연변이가 생겨 세포분열이 빠르게 나타나는 질환으로 동맥경화, 골다공증, 암 등과 같은 질환이 조기에 나타나고 세포분열 때마다 텔로미어 길이가 짧아져 세포 노화를 촉진시키게 된다.

 

3. 텔로미어는 암을 비롯한 다양한 질병과 유의미한 상관관계가 있다?

고려대학교 안산병원 유전체연구소 수면호흡센터 신철 교수와 최경미 박사가 공동연구 결과, 대뇌백질변성 위험은 수면무호흡증과 텔로미어 단축의 상호작용 (multiplicative effect)에 의해 크게 증가되었음이 관찰되었고 이는 수면무호흡증이 뇌건강과 손상에 영향이 있는 것으로 보고 있다.

 

체내의 노화시계로 명명되는 텔로미어는 염색체 말단 부분에 해당하는 DNA 염기서열로 세포가 분열함에 따라 계속 짧아져 어느 시점 이상에서는 더 이상 짧아지지 않으며 이 때 세포분열이 멈추고 노화와 수명을 결정하는 것으로 알려져 있다. 텔로미어는 유전적 영향 외에도 활성 산소나 염증 등을 통해서도 짧아질 수 있고 짧아진 텔로미어는 암을 비롯한 다양한 질병과 유의미한 상관관계가 있다는 것이 연구결과를 통해 보고되면서 그 영향성에 대한 중요성이 대두되고 있다.

연구는 안산시에 거주하고 있는 코호트 참여자 중 40~70세 성인 남녀 420명을 대상으로 수면다원검사, MRI 촬영, 텔로미어 및 혈액 생화학 검사 등 심층자료를 분석한 결과로 짧은 텔로미어를 가지고 있는 대상자가 수면무호흡증이 함께 있는 경우, 그렇지 않은 경우 보다 대뇌백질변성 발생 위험이 4.3배 증가하였다.

 

수면무호흡증이 없는 경우나 경도수면무호흡증상이 있는 경우에는 텔로미어의 길이와 상관없이 대뇌백질변성에 대한 차이가 나타나지 않았으나 수면무호흡증상이 심해짐에 따라 텔로미어가 짧은 대상자들은 그렇지 않은 대상자들에 비해 대뇌백질변성이 나타나는 참여자의 비율이 급격하게 증가 되는 것으로 나타났으며 이는 수면무호흡과 텔로미어의 상호작용이 대뇌백질변성에 큰 영향을 주는 연구결과라고 할 수 있다.

 

출처 : http://ksep-es.org/upload/pdf/es-27-2-96.pdf

http://www.mdon.co.kr/news/article.html?no=19742

http://www.mdon.co.kr/news/article.html?no=10136