노화방지를 위한 생명공학기술의 동향

이 재 용

한림대학교 의과대학 생화학교실, 강원도 춘천시 옥천동 1번지

Progress in biotechnology for anti-aging

Jae-Yong Lee

Department of Biochemistry, College of Medicine, Hallym University,

Chuncheon, Kangwon-do 200-702

1. 서언

노화는 생명현상의 가장 큰 의문 중의 하나이며, 인간에게 병과 죽음을 주는 직접적인 원인으로서 가장 큰 관심사의 하나이나, 수많은 노력에도 불구하고 현재까지 노화의 기전은 정확히 밝혀지지 않은 상태이다.  노화의 방지는 진시황이 불노초를 찾고자한 오랜 옛날부터 지금까지 모든 인간의 추구하는 가장 원초적이고 중요한 문제이나 아직 까지 실마리를 찾지 못하고 있다. 그러나 최근의 노화기전 연구의 급속한 발전은 새로운 가능성을 제시하고 있다. 아직까지는 눈에 띄는 결과가 보이지는 않지만 노화지연을 위한 접근이 여러 방향으로 시도되고있다.

2. 노화의 이론

많은 노화이론들이 제안되었으나 가장 잘 받아들여지는 노화의 이론으로는 염색체 끝의 텔로미어의 길이가 나이에 따라 점점 짧아져서 염색체가 점차 파괴되어 노화가 진행되며, 발생과 분화를 끝낸 세포는 텔로미어를 만드는 효소인 Telomerase를 잃어버려 궁극적으로 노화한다고 보는 텔로미어설(1, 2, 3), 세포나 유전자에  라디칼이나 화학물질 등의 산화성 스트레스에 의한 손상이 나이가 들어감에 따라 축적되어 노화가 진행된다는 산화적 손상이론(4, 5, 6),  노화에 따라 유전자손상 치유능력이 둔화된다는 유전자 손상 치유 능력의 이론, 혈당이 신체 세포에서 만들어진 단백질과 서로 결합하여서 신체의 조절작용 및 유전적 정보를 왜곡시킨다는 glycation이론 등이 있다. 산화적 손상설은 쥐에서 소식에 의한 수명연장을 잘 설명해주고 있다. 세포단위가 아닌 개체 단위의 관점에서 노화를 보는 개체의 노화는 생명체의 단위로 노화를 관점으로 여러 이론들이 제안되었다.  개체 노화의 이론으로는 여러 다른 온도 및 식사량 등에 의해 대사속도가 달라지므로써 노화속도의 차이가 달라지는 실험이 진행되었으며, 그 중 온도 및 식사량은 노화와 연관이 된다는 생활대사율설, 노화는 시간의 경과함에따라 진행되므로 □생물시계□ 즉 바이오리듬에 의해 영향을 받는다는 생물시계설, 생체의 항상성(homeostasis)의 조절에 관여하는 내분비계가 노화에 주동적인 역할을 맡고 있다는 내분비설, 개체의 노화에 가장 중요한 역할을 하는 것이 뇌(腦)라고 주장하는 뇌의 노화설,  노화로 인하여 면역기능이 저하되어 노화성 질병을 야기한다는 면역설 등이 있으나 현재까지 가장 많이 연구가 되었으며 실험적인 증거를 확보하고 있는 이론은 생활대사율설의 하나인 소식(小食)이론이다. 그러나, 이들 각 이론으로 노화를 부분적으로 설명할 수 있으나 전체 현상을 모두 설명하거나 여러 다른 동물에서의 수명이나 노화의 차이를 설명하는 것은 현재로서는 어려워 보인다.

3. 세포의 노화

사람의 태아에서 분리한 섬유아세포는 세포배양에서 약 50-60 번의  세포분열을 한후 성장을 정지한다. 그후 세포는 바로 죽는 것이 아니고 배지를 갈아주면 거의 1년까지 생존할 수있다.  젊은 사람으로 부터의 섬유아세포는 노인으로부터 분리한 섬유아세포 보다 더  많은 수의 분열을 한다고 알려져 있다(7, 8). 가능한 세포의 분열수가 이미 in vivo나 in vitro에서 정해져 있다는 것을 의미한다.  또한 수명이 다른 여러 동물(특히 포유동물)의 배(embryo)로부터 분리한 섬유아세포(fibroblast)를 배양하여 비교 한 결과 놀랍게도 동물의 최대수명과 동물로부터의 분리한 세포의 가능한 최대분열 수가 잘 비례하였다(9). 즉 동물 개체의 노화 및 수명이 세포의 수명 및 노화로의 연결이 되어있다는 것이며, 동물개체의 수명 및 노화는 이미 세포수준에서 결정되어 있다는 이야기이다.  in vitro에서 노화한 섬유아세포는 in vivo에서 노화된 섬유아세포와 같은 형태를 보여주는 것으로 알려졌으며, 유전자의 발현양상도 유사한 것으로 보고되어 섬유아세포 배양은 중요한 in vitro 세포노화의 연구 모델이 되어왔다. 물론 근육세포나 신경세포는 분화한 뒤에 전혀 분열을 하지 않으며, 분화된 세포마다 그 성장 양상이 다르기 때문에 섬유아세포의 모델이 in vivo의 개체의 노화를 대변할 수는 없으나 개체를 사용하여 노화유전자를 찿는다는 것은 어렵기 때문에 노화의 유전자를 발견하는 등의 분자생물학적 방법으로 노화연구를 위한 중요한 모델로 이용되고 있다.

노화하면서 세포는 growth factor(성장인자) 또는 serum(혈청)에 대응하지 않게되고 세포주기의 G1 기에서 성장을 정지한다. 이 성장정지는 비가역과정으로 일단 노화하는 세포는 어떤 성장인자나 성장조건을 바꾸어도 다시 자라게 할 수가 없다.  노화한 세포가 growth factor 또는 serum에 대응하지 않게 되는 것은 serum에 의해 활성화되는 여러 gene들이 노화한 세포에서는 활성화 되지 않기 때문으로 밝혀졌다. AP1, CREB, ID1,  ID2와 같은 transcription factor(RNA 전사 촉진 인자)의 발현도 세포의 성장촉진과 관련이 되어있으며 세포가 노화할 때, 발현이 감소하고, 결합능력도 감소하여 노화에 따른 세포성장속도의 둔화에 관여하는 것으로 보인다(10). 세포의 성장을 억제하는 인자인 p21과 p16(cyclin dependent kinase inhibitor)의 발현은 노화함에 따라 점진적으로 증가한다(11, 12). 이들은 세포주기의 가장 중요한 조절점인 G1기에서 cyclin D-CDK(cyclin dependent kinase)에의한 RB(Retinoblastoma 암억제인자)의 인산화를 억제하여 세포가 성장하지 못하고 G1기에 머무르게 한다. 또한 이들은 DNA 자기복제의 조절인자인 PCNA와 결합하여 DNA 자기복제를 못하게 하므로써 세포의 성장을 억제한다.  노화하는 세포는 어린세포에 비해 부피가 커지며, 세포내의 섬유성분이 증가하고, 분열속도가 점차 둔화된다.  노화하는 섬유아세포에서는 지방 및 세포막 생성의 중간체인 ceramide가 많이 생성되는 것으로 알려져 있으며, heat shock 단백질인 HSP70이 감소하여 환경에 대한 대응이 둔감해진다.

4. 노화에 따른 조직과 기관에서의 변화

노화에 의해 사람의 조직 및 기관의 생리기능은 모두 저하한다.  조직과 기관을 구성하는 모든 세포들의 기능이 저하되므로 기관의 기능 저하는 당연한 귀결이다. 노화에 따른 생리기능의 저하는 기관 별로 그 양상이 틀리다.  여기서 모든 조직 및 기관의 노화에 따른 변화를 다루기는 않지만 몇몇 중요 기관의 노화에 따른 개괄적인 기능의 저하를 요약하면 다음과 같다.  30세의 생리기능을 100으로 하여 30세 이후의 나이에 따른 각 생리기능의 변화를 조사한 결과에 의하면 신경전도속도는 90세에서도 30세에 비해 10%밖에 감소되지않는다. 반면에 신장의 혈장류량(血漿流量)과 폐의 최대환기량(最大換氣量)은 90세에서 약 60%의 기능저하를 보여준다.  기초대사율(基礎代謝率), 세포내수분량(細布內水分量)은 90세에서 약 20%의 감소를 가져오고, 심장의 심계수(心係數), 신장의사구체여과율(絲球體濾過率), 폐활량(肺活量)은 각각 30, 40, 50 % 감소를 주어 각 기관별로 노화에 따른 기능감소속도가 다르다는 사실을 보여주고 있다.  이와 같은 제기능의 불균형적인 저하에도 불구하고 고령에 이를때까지 생존에 필요한 모든 기능은 적어도 안정시에는 잘 유지되고 있다. 이것은 생체의 항상성(homeostasis) 유지기구의 작용에 의한 것인데, 이 작용에 의해 노화에 의한 장기, 기관 및 개체 수준의 기능저하를 방지하도록한다.  반대로 항상성 유지기구가 장애를 받으면 노화에 의한 각 수준의 기능장애가 촉진된다.

5. 노화방지를 위한 생명공학기술의 동향

노화를 방지하는 물질로 이제까지는 노화의 주요 원인인 산화적 손상을 방지하는 항산화제가 항노화제 처럼 인식되어왔으며, 실제로 항산화제가 항노화제로 아무 문제없이  선전되어 오고있다. 그러나 항산화 효과는 몇몇 효소의 활성의 측정에 의해 이루어지기 때문에 수 많은 원인에 의해 총체적으로 나타나는 항노화 효과를 대변할 수없다. 노화를 실험적인 방법으로 짧은 시간 내에 검사할 수 있는 방법이 쉽지 않다는 점이 노화연구의 가장 큰 문제점이다. 가장 손쉬운 방법은 세포배양에서 사람의 섬유아세포의 세포노화를 이용한 방법이나 생체내의 노화를 얼마나 나타내주는지 아직 확실치가 않은 상태이다.  즉 섬유아세포는 제한된 분열수(약 50번)를 갖지만 어떤 물질이 첨가되었을 때 분열수가 증가된다면 이것은 항노화 효과를 나타내는 것이다. 많은 발암물질이 이러한 항노화 효과를 줄 수 있으므로 물론 발암효과까지 동시에 조사를 해야한다. 이 방법으로 몇몇 물질이 항노화 효과를 갖는 보고가 되었다. 본인의 실험실에서 조사한 결과에 의하면 대부분의 항산화제는 항노화 효과를 가지지 않고 몇몇 항산화제 만이 항노화 효과를 갖는 것으로 나타났다. 세포배양을 통해서 빠른 시간 내에 다량의 물질에 대한 항노화 효과를 검색할 수 있으나 이 결과가 반드시 생체내의 노화와 일치하지 않을 수도 있으므로 실험동물을 사용하여 항노화 효과를 확인해야한다. 최근에는 노화하는 세포에서 텔로미어의 길이가 짧다는 보고에 근거하여 텔로미어를 계속 유지하게 하는 방법이나 물질이 검색되고 있다. 그러나 이때에도 암세포가 텔로머라제를 가져서 텔로미어를 유지하기 때문에 조사된 물질에 대한 발암효과가 조사된 다음에 라야 응용이 가능하다. 소식(小食)이 30% 까지 수명을 연장한다는 사실은 이미 쥐를 사용한 실험에서 입증이 되었으며, 원숭이를 사용한 실험이 15년 전에 미국 노화연구소에서 시작하여 계속 진행되고있으나 현재까지 소식의 효과는 상당히 희망적이다. 앞으로 칼로리는 적고, 섬유성분과 비타민류가 충분히 포함된 식품이 장수식품으로 선전되며 더 많이 판매될 것으로 예측된다. 항노화 효과가 입증되지도 않은 DHEA, Melatonine의 요구량과 판매가 우리나라를 비롯하여 세계적으로 매우 큰 것으로 볼 때에도 효능이 입증된 새로운 항노화제의 개발에 대한 시장의 잠재적 가치는 상당히 클 것으로 기대한다. 항노화제 뿐아니라 치매, 뇌졸중 등의 여러 노인병의 치료제가 새로운 연구보고를 바탕으로 새롭게 개발되고 있다.

6. 결언

현재까지의 노화방지 연구는 기전연구에 급급해왔으며 아직 까지 실마리를 찾지 못하고 있으나 최근의 노화기전 연구의 급속한 발전은 새로운 가능성을 제시하고 있다.  항노화 물질이 검색되고 있으며, 새로운 노화지연 방법이 시도되고 있다. 그러나 노화하는 세포에서 텔로미어의 길이가 직접적으로 노화를 유도한다는 증거도 없고, 왜 쥐는 사람의 유전자와 거의 모두 유사한데 수명이 짧은지 설명이 아직 불가능하다. 앞으로도 이러한 문제를 해결하는 기초연구가 더 진행되어져야 하며 동시에 노화를 지연시키는 응용연구도 더 진척될 것으로 기대하며 가까운 장래에 새로운 노화를 지연하는 물질이나 방법이 등장할 것으로 기대된다.

7. 참고문헌

1.	Harley, C. B., Futcher, A. B., and Greider, C. W. Nature 345: 458-460, 1990

2.	Wright, W. E., and Shay, J. W. Telomere positional effect and the regulation of cellular senescence. Trends in Genetics 8:193-197, 1992

3.	Counter, C. M., Avilion, A. A., LeFeuvre, C., Stewart, N. G., Greider, C. W., Harley, C. B., and Bacchetti, S. Telomere shorting associated with chromosome instability is arrested in immortal cells which express telomerase activity.  EMBO J. 11:1921-1929, 1992

4.	Harman, D. Aging:a theory based on free radical and radiation chemistry. J. Gerontol. 11:298-300, 1956

5.	Chen, Q., Fischer, A., Reagan, J. D., Yan, L.-J., and Ames, B. N. Oxidative DNA damage and senescence of human diploid fibroblast cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92:4337-4341, 1995

6.	Sohal, R. S., and Weindruch, R. Oxidative stress, caloric restriction, and aging. Science 273:59-63, 1996

7.	Hayflick, L. The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains. Exp. Cell Res. 37:614-636, 1965

8.	Hayflick, L. The cellular basis for biological aging, p159-186. In Hayflicks, L. and Finch, C. E.(ed.), Handbook of biological aging. Van Nostrand Reinhold Co., New York. 1977

9.	Rohme, D. Evidence for a relationship between longevity of mammalian species and life spans of normal fibroblasts in vitro and erythrocyts in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78:5009-5013, 1981

10.	Dimri, G. P. and Campisi, J. Exp. Cell Res. 212:132, 1994

11.	El-Deiry, W. S., Tokino, T., Velculescu, V. E., Levy, D. B., Parsons, R., Trent, J. M., Lin, D., Mercer, W. E., Kinzler, K. W., and Vogelstein, B.  WAF1, a potential mediator of p53 tumor suppression. Cell 75: 817-825, 1993

12.	Noda, A., Ning, Y., Venable, S. F., Pereira-Smith, O. M., and Smith, J. R. Cloning of senescence cell-derived inhibitors of DNA synthesis using an expression screen.  Exp. Cell Res. 211: 90-98, 1994