1. 세포복제 세네센스 현상의 세포노화에 대한 증거
1) 세포노화의 5가지 증거: 앞서 우리는 세포의 정상적인 분열과 더불어 자연적으로 유도되는 복제 세네센스(replicative senescence)를 cellular senescence(세포 세네센스)로 동일한 의미로 이해하였다. 또한, 대내외적 요인에 의해 세포 자체가 가지고 있는 PD(population doubling, 배가증식)의 잠재력보다 빨리 유도되는 복제 세네센스 현상을 ‘Premature senescence(조기-세네센스) 또는 stress-induced premature senescence(SIPS, 스트레스 유도성 조기 세네센스)’ 이라고 한다. 정상적으로 진행되는 세포 세네센스보다 대내외적 스트레스에 의한 조기 세네센스는 체내에서 다양한 질환을 유도할 뿐만 아니라 노화 촉진을 유도하여 수명을 단축하는 원인이 될 수 있다. 이와 같은 연관성을 확인하기 위해서는 세포 세네센스 현상이 세포노화의 기전과 원인이라는 것에 대한 과학적인 예시가 증명되어야 한다. 세포 복제 세네센스와 노화의 연관은 다음과 같은 5가지 측면에서 증명될 수 있다.
① 연령과 수명이 다른 종의 Population Doubling (PD: 배가증식) 차이
② 종이 다른 동물의 PD는 최대수명과 비례적 관계
③ 유전질환인 선천성 조로증 (premature aging syndrome) 환자의 PD 감소
④ 유해활성산소(ROS, reactive oxygen species)에 의한 세네센스 현상 촉진
⑤ Telomere의 세네센스 유도
2) Population doubling(배가증식)과 replicative senescence의 관계: <그림-1>은 조직에서 분리된 세포의 계대배양을 통해 하나의 세포가 2개로 분열되는 것을 population doubling(PD) 또는 배가증식 과정을 나타낸 것이다. 세포의 생존과 분열에 필요한 배양액은 지속적인 계대가 이루어진다. 이러한 과정에서 암세포를 제외하고 조직에서 분리된 대부분 체세포는 특정한 PD 횟수 후 비가역적 세포 분열 중지가 이루어진다. 이와 같은 세포의 비가역적 분열 중지를 Hayflick limit 또는 replicative senescence(복제 세네센스)라고 한다.
<그림-1> 조직에서 세포 분리와 배양을 통한 PD 횟수 산출 과정
2.세포복제 세네센스 현상의 세포노화에 대한 증거에 대한 예시
1) 연령과 수명이 다른 종의 Population Doubling(PD: 배가증식) 차이
○ 사람의 각각 다른 연령군에서 분리된 섬유아세포(fibroblast)를 배양한 결과, 세포의 복제 잠재력(replicative potential)에 있어서 각 세포군에서 차이가 있었다. 세포의 복제 잠재력이란 in vivo에서 분리 배양된 세포가 in vitro에서 PD 횟수의 가능성을 의미한다. <그림-2>에서처럼 사람 태아의 섬유아세포 경우에는 60-80 PD, 중년층은 20-40 PD, 노년층은 10-20 PD 후 세포 복제가 비가역적으로 중지되는 세네센스 상태로 진입하는 것이 확인되었다(Allsopp et al., 1992). 예를 들어 여러분의 나이가 현재 30대이면 인체의 특정 세포의 복제 능력은 30-40 PD 후 더 이상 복제 능력을 상실하게 되는 세네센스 상태로 도달한다. 나이가 많으면 많을수록 복제 능력은 반비례적으로 감소한다는 것을 의미한다. 이는 세포의 세네센스 현상이 세포 노화의 종말점이라는 것을 의미한다.
<그림-2> 사람의 연령별 섬유아세포 분리 배양을 통해 반비례적인 PD 횟수
2) 동물종별 PD 횟수와 최대수명과 비례적 관계
○ <그림-3>은 평균이 가장 짧은 마우스부터 사람까지 태아 섬유아세포를 분리 및 배양하여 세네센스 도달까지 PD를 확인한 것이다(Rohme, 1981). 마우스는 5-7 PD, 랫드는 10-15 PD 그리고 사람은 80 PD 후 세네센스에 도달하는 것으로 확인되었다. 특히, 동물 중 수명이 긴 거북이는 100 PD 이상 후 세넨센스에 도달하는 것으로 추정되었다. 이러한 결과는 수명이 긴 종의 세포가 짧은 종보다 더 많은 횟수의 PD 후 세네센스 상태로 진입한다는 것을 의미한다. 따라서 세포의 세네센스 현상은 사람뿐만 아니라 동물 등의 모든 생물체에서 동일하게 적용되는 현상이다. 이에 세네센스 현상은 수명이 길면 길수록 더 많은 횟수의 PD 후 도달하는 기전으로 노화와 밀접한 관계가 있다는 증거가 된다.
<그림-3> 동물종별 섬유아세포의 PD 횟수와 평균수명과의 관계
3) 유전질환인 선천성 조로증(premature aging syndrome) 환자의 PD 감소
○ 유전질환의 일종인 조로증(premature aging syndrome)은 <그림-4>의 A)와 같이 10대에 발병하여 70대의 노화 현상을 보이는 Progeria, <그림-4> B)와 같이 30-40대 발명하여 70대 노화 현상을 보이는 Werner’s syndrome이 있다.
<그림-4> 유전질환인 조로증(premature aging syndrome)의 2 종류
○ <그림-5>는 조로증 환자와 정상인으로부터 분리 및 배양된 섬유아세포의 PD 횟수를 나타낸 것이다. Progeria로부터 분리된 섬유아세포는 10 PD 후에 세네센스에 도달하는 것이 확인되었다. 이는 정상인 섬유아세포의 30 및 35 PD 후보다 세포 수가 훨씬 더 감소되어 조로증 환자의 세포가 세네센스 현상에 일찍 도달하는 것을 의미한다. 마찬가지로 Werner’s syndrome 섬유아세포의 10 PD 후 세포 수는 정상인 섬유아세포의 60 PD 후 세포 수보다 적은 수가 확인되어 조로증 환자의 세포가 조기 세네센스에 도달하는 것으로 확인되었다. 이는 선천적 유전질환인 조로증 환자에게 분리된 섬유아세포는 정상인의 세포보다 훨씬 빨리 세네센스 상태에 도달한다는 것을 의미한다. 따라서 선천적 유전질환인 조로증을 통해 세포 복제 세네센스가 노화와 밀접한 관계가 있다는 것을 확인할 수 있다(Murano et al., 1991).
<그림-5> 조로증 환자와 정상인의 섬유아세포의 PD 횟수 비교
4) 유해활성산소(ROS, reactive oxygen species)에 의한 세네센스 현상 촉진
○ 조로증 환자로부터 분리된 세포가 조기 세네센스 현상은 선천적인 결함에 의한 세네센스가 유도된다는 것을 의미한다. 반면에 유해활성산소와 유기성(organic free radical)에 의한 조기 세네센스는 후천성 현상이라고 할 수 있다. 이는 세포 세네센스가 선천성 요인 및 후천성 요인 등 모두에 의해 촉진될 수 있다는 것을 의미한다. Fig. 4 는 인체 피부 섬유아세포인 F56 세포주에 유해활성산소(H2O2)를 처리한 후 약 120일 동안 세포의 PD 횟수를 계산한 것이다. 유해활성산소 처리군은 정상대조군보다 PD 횟수가 감소하였으며 조기 세네센스 도달하는 것이 확인되었다(Chen et al., 1994). 이는 유해활성산소가 많이 발생하면 할수록 세포 세네센스가 촉진된다는 것을 의미하며 또한 후천성 요인에 의한 세포노화 촉진이 이루어진다는 것으로 이해할 수 있다.
5) Telomere의 세네센스 유도
○ <그림-6>의 A)는 사람의 텔로미어(Telomere) 구조, 그리고 B)는 혈관내피세포(Endotherial cell)의 PD를 나타낸 것이다. 텔로미어는 세포 속에 있는 염색체의 양쪽 끝단에 있는 부분을 말한다. 그리스어로 ‘끝’을 의미하는 텔로스(Telos)와 ‘부위’를 의미하는 메로스(Meros)의 합성어로, 염색체의 끝에서 DNA를 보호하는 역할을 한다. 텔로미어는 세포의 노화와 밀접한 연관이 있다. 텔로미어는 세포가 분열되는 동안 세포가 사라지지 않도록 보호·완충하는 역할을 하는데, 세포분열을 지속할수록 텔로미어 길이가 감소되어 염색체가 짧아지기 때문이다. 이런 이유로 세포는 종마다 차이는 있지만, 일정 이상 반복해 분열하다 결국 소멸하게 된다. 세포 세네센스와 텔로미어와의 관계는 대단히 중요하기 때문에 향후 지속적으로 및 상세하게 소개된다. <그림-6>의 B)는 21세기 콜레스테롤로 불리는 homocysteine를 외부 스트레스로 처리한 후 혈관내피세포의 PD 횟수와 텔로미어의 관계를 나타낸 것이다. PD 횟수가 증가할수록 텔로미어가 단축되는 것을 확인할 수 있다. 특히 외부 스트레스인 호모시스테인을 처리한 세포군에서 텔로미어 단축과 세포센스가 촉진되는 것을 확인할 수 있다(Dong et al., 2000). 이는 텔로미어가 세포 세네센스의 유도에서 trigger(방아쇠) 역할을 하는 것을 의미하며 세포노화의 종말점에 대한 핵심 key라고 이해된다. 또한 대내외적 스트레스의 일종인 homocysteine에 의한 혈관내피세포의 조기 세네센스 유도는 동맥경화증 발병의 기전으로도 이해할 수 있다. 이와 같이 텔로미어의 단축은 세포의 세네센스 유도의 주요 원인이며 조기 세네센스는 퇴행성질환의 주요 기전으로 이해할 수 있다.
<그림-6> 사람의 텔로미어(Telomere) 구조와 혈관내피세포(Endotherial cell)의 PD
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