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그림 1. 유전체학의 윤리 (출처 : https://cs.stanford.edu/people/eroberts/cs201/projects/2010-11/Genomics/intro.html) 

1. gene, DNA, chromosome, genome 

유전자는 영어로 gene이라 쓰고 ‘진[jēn]’이라 읽는다. 그렇다면 ‘인간게놈프로젝트’라는 용어의 ‘게놈’은 무슨 뜻일까? 한글로 ‘게놈’이라고 쓰고 영어로 ‘지놈[ˈjēˌnōm]으로 읽는 ‘genome’은 영어의 gene(유전자)과 chromosome(염색체)의 합성어로 1920년 독일의 식물학자인 빙클러(Winkler)¹⁾가 처음 사용했다.²⁾

그러나 요즘 유전학자들은 유전자를 뜻하는 ‘gene(진)’과 ‘전체(all)’를 뜻하는 ‘옴니스(omnes)’의 변형인 ‘옴(ome)’의 합성어로 설명한다.³⁾ 후자의 의미로 보면 genome은 ‘모든 유전자’라는 뜻이 되지만 ‘유전자’라는 용어가 단백질을 만드는 coding DNA에 국한되므로 이는 정확한 해석은 아니며 차라리 ‘모든 유전 정보’라고 보는 게 옳을 듯싶다.

genome이라는 용어가 우리나라에 처음 소개됐을 때, 학자들은 철자 그대로 읽는 ‘게놈’과 영어식 발음인 ‘지놈’을 혼용했다. 그런데 1996년 한국과학기술원(KAIST) 강창원 교수가 ‘유전체’라는 용어를 만들고 이 용어가 1997년 ‘생명공학육성법’에⁴⁾ 사용되면서 공식적으로 ‘유전체’라는 용어가 genome을 대체하게 되었다.⁵⁾

유전체(genome)의 정확한 의미를 이해하기 위해선 몇 가지 개념 정리가 필요하다. 앞에서 유전자(gene)는 유전 정보를 담고 있는 DNA 중에서 단백질을 만드는 데 사용되는 정보(coding DNA)를 지칭한다고 설명했는데 이를 좀 더 자세히 보자.

그림 2. cell (출처 : https://www.genome.gov/genetics-glossary/Cell)

성인 남성(70kg)의 경우 신체에 약 36조 개의 세포가 있다. 그중 핵이 퇴화한 세포인 적혈구가 약 25~6조 개이고 처음부터 핵이 없었던 혈소판이 약 3~4조 개이니 핵이 있는 세포는 백혈구(3.4조 개)와 신경세포, 근육세포, 상피세포, 분비세포 등을 포함하여 약 7조 개 정도이다.⁶⁾⁷⁾

그림 3. DNA (출처 : https://www.genome.gov/genetics-glossary/Deoxyribonucleic-Acid) 

이 7조 개 세포의 핵에는 생명체의 유전 정보인 DNA가 담겨있다. DNA는 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T)이라 부르는 네 개의 분자가 아데닌은 티민과 그리고 시토신은 구아닌과 짝을 이뤄 결합해 있다. DNA는 이러한 두 분자의 결합이 길게 이어져 꼬인 사다리처럼 서로 휘감겨 있는 형태를 띠는데 이러한 구조를 이중나선(double helix)이라 부른다.⁸⁾

그림 4. histone (출처 : https://www.genome.gov/genetics-glossary/histone) 

DNA는 실을 감는 실패와 유사한 히스톤(histone)9)이란 작은 단백질에 연속으로 감겨있으며, 언제든 쉽게 정보를 읽어올 수 있도록 평소엔 특별한 형태를 보이지 않는다. 하지만 세포 분열을 앞두면 둘로 나뉘는데 편리하게끔 X자 모양의 실뭉치가 된다. 이것이 특정 염료에 쉽게 염색되는 성질이 있어 사람들은 이를 ‘염색되는 물질’, 즉 ‘염색체(chromosome, chroma(색상)+some(물질))’라 불렀다.¹⁰⁾

그림 5. chromosome (출처 : https://www.genome.gov/genetics-glossary/Chromosome)  

핵에는 크고 작은 염색체가 23쌍(46개) 있다. 각 쌍에 있는 2개의 염색체 중 하나는 어머니에게서 다른 하나는 아버지에게서 온 것이다. 즉, 자녀는 염색체의 절반씩을 부모로부터 각각 물려받는다. 이러한 염색체는 생명체마다 수와 모양이 다양하다. 일반적으로 세균이라고 부르는 대부분의 박테리아는 하나 또는 두 개의 원형 염색체를 가지고 있고, 초파리는 4쌍의 염색체를 가지고 있으며, 벼는 12쌍, 개는 39쌍의 염색체를 가지고 있다.

그림 6. chromosome ( 출처 : http://www.yorku.ca/kdenning/++2140%202006-7/2140-17oct2006.htm)

염색체란 결국 DNA가 핵 속에 포장된 형태를 일컫는 말이라다. 사람이 30억 쌍의 DNA를 가지고 있다는 말은 이 23쌍(46개)의 염색체 모양으로 포장된 DNA를 모두 풀어 한 줄로 연결하고, 그 구성 입자를 하나씩 세어보면 A-T, C-G와 같은 결합이 30억 개가 된다는 뜻이다.¹¹⁾

그림 7. chromosome & codon( 출처 : https://biologywarakwarak.wordpress.com/2012/01/15/the-3-magical-rules-to-determine-the-amino-acid-chain-from-a-dna-piece-without-error/)

앞의 설명을 요약하면 다음과 같다.

1. DNA : 유전 정보

2. 유전자(gene) : DNA 중 단백질로 전환되는 정보를 가진 부분(coding DNA)

3. 염색체(chromosome) : 세포핵에서 발견되는 DNA가 포장된 형태¹²⁾

4. 유전체(genome) : 유전 정보의 총합

이렇게 정리하면 유전자는 DNA의 일부이고, DNA와 유전체(genome)는 동일한 개념처럼 보일 수 있다. 하지만 인간의 유전 정보는 핵 속에만 있는 것은 아니다.

2. mitochondria 

그림 8. mitochondria ( 출처 :https://www.genome.gov/genetics-glossary/Mitochondria)

미토콘드리아는 세포 안에 있는 여러 소기관 중 하나이다. 미토콘드리아는 호흡을 통해 들어온 산소로 음식을 통해 얻은 영양분을 태워 살아가는 데 필요한 에너지(ATP)를 생산하는 ‘생명의 발전소’로 알려져 왔다.¹³⁾ 

최근엔 에너지 생산 외에도 세포 활동을 지원하고, 인체 대사 경로를 보호하며 세포의 생사(生死)를 결정하는 등 다양한 미토콘드리아의 기능이 속속 발견되어 과학계의 집중 조명을 받고 있다. 특히 지난 5~6년간은 매년 1만 편 이상의 미토콘드리아 관련 논문이 쏟아지고 있다.¹⁴⁾

세포대사의 핵심이자 생명체의 건강에 중추적 역할을 하는 미토콘드리아는 기능에 문제가 생길 경우 노화의 진행은 물론 암, 신경퇴행성질환(치매, 알츠하이머), 심혈관질환(심근경색, 협심증), 대사질환(고혈압, 당뇨) 등의 심각한 연령 관련 질병을 유발하거나 악화할 수 있다. 따라서 ‘미토콘드리아 대사경로 조절’ 또는 ‘미토콘드리아 품질관리’는 이러한 질병의 관리를 위한 ‘보호의 대상’ 또는 ‘치료의 표적’으로 급부상했다.^{15)16)17)18)19)20)21)22)23)}

성숙한 적혈구를 제외한 모든 세포는 세포 당 수백~수천 개의 미토콘드리아를 가지고 있다. 간세포가 세포 당 1,000~2,000개의 미토콘드리아를 보유하여 체세포 중 가장 많고,²⁴⁾ 임신과 동시에 급격한 세포분열을 시작하는 여성의 성숙한 난자는 1개당 약 10만~60만 개²⁵⁾의 미토콘드리아를 가지고 있다고 추정된다.²⁶⁾

하지만 미토콘드리아는 세포 유형에 따라 그 수가 일정하지 않고, 같은 세포라도 에너지 필요량이나 산화 스트레스 또는 병리적 상황에 따라 끊임없이 융합하고 분열하며 사멸(mitophagy)^27)28)29)하는 등 형태와 수가 역동적으로 변화하므로 세포 당 수는 문헌마다 차이가 크다.³⁰⁾

유전체(genome)를 이해하는 데 있어 미토콘드리아가 중요한 이유는 지난 1963년 미토콘드리아가 내부에 자기만의 독자적인 유전정보, 즉 미토콘드리아 DNA³¹⁾³²⁾를 가지고 있음이 밝혀졌기 때문이다.³³⁾

그림 9. mitochondrial DNA ( 출처 https://www.genome.gov/genetics-glossary/Mitochondrial-DNA) 

일개 세포소기관에 불과한 미토콘드리아가 왜 핵과 별도의 DNA를 가지게 되었는지는 여러 학설이 있으나 수십억 년 전 독립된 세균으로 존재했던 미토콘드리아가 다른 세포 안으로 들어가 서로 공생하게 되었다는 ‘세포 내 공생설’이 현재 학계의 주류를 이루고 있다.^34)35)36)

이로써 우리는 하나의 세포 안에 존재하는 유전정보는 핵 속에 있는 ‘핵 DNA(Nuclear DNA, nDNA)’³⁷⁾와 미토콘드리아 속에 있는 ‘미토콘드리아 DNA(mitochondria DNA, mtDNA)’ 이렇게 두 가지가 별도로 존재함을 알게 됐다. 그러므로 우리가 ‘한 개체가 가진 모든 유전정보’라는 뜻으로 이해하고 ‘게놈’ 또는 ‘유전체’라고 부르는 ‘genome’이란 용어는 핵 DNA와 미토콘드리아 DNA의 총합을 의미한다.³⁸⁾

그림 10. genome (출처 : https://www.genome.gov/genetics-glossary/Genome)

======================(12편에 계속)

[참고문헌]

1) https://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Winkler

Hans Karl Albert Winkler

2) https://dic.hankyung.com/economy/view/?seq=14758

한경 경제용어사전. '지놈'과 '게놈'

3) https://www.dongascience.com/news.php?idx=-47111

'지놈'이 아닌 '게놈'이 올바른 표기

4) https://www.law.go.kr/LSW//lsInfoP.do?lsiSeq=3901&ancYd=19970828&ancNo=05400&efYd=19971129&nwJoYnInfo=N&efGubun=Y&chrClsCd=010202&ancYnChk=0#0000

생명공학육성법[시행 1997. 11. 29.] [법률 제5400호, 1997. 8. 28., 일부개정] 

5) https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9C%A0%EC%A0%84%EC%B2%B4_(%EC%83%9D%EB%AA%85%EA%B3%BC%ED%95%99)

유전체 (생명과학)

6) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10523466/

인간 세포 수 및 크기 분포

7) https://www.msdmanuals.com/ko-kr/%ED%99%88/%ED%98%88%EC%95%A1-%EC%A7%88%ED%99%98/%ED%98%88%EC%95%A1-%EC%83%9D%EB%AC%BC%ED%95%99/%ED%98%88%EC%95%A1%EC%9D%98-%EC%84%B1%EB%B6%84

혈액의 성분

8) https://www.genome.gov/genetics-glossary/Deoxyribonucleic-Acid

디옥시리보핵산(Deoxyribonucleic-Acid, DNA)

9) https://en.wikipedia.org/wiki/Histone

히스톤(Histone)

10) https://en.wikipedia.org/wiki/Chromosome

염색체(Chromosome)

11) https://www.genome.gov/genetics-glossary/Chromosome

염색체(Chromosome)

12) https://www.obgproject.com/2016/07/19/chromosome/

염색체 – 구조와 수

13) 닉 레인 저, 김정은 역, 『미토콘드리아, 박테리아에서 인간으로, 진화의 숨은 지배자』, 뿌리와 이파리, 2008, p15

14) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10474116/

노화 관련 질병의 치료 표적으로 미토콘드리아 관련 프로그램화된 세포 사멸

15) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7098821/

심장의 미토콘드리아 품질 관리: 심혈관 질환에 대한 신약 목표 

16) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6941980/

미토콘드리아 TCA 주기 대사산물은 생리와 질병을 조절합니다

17) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4950268/

암 진행에서 미토콘드리아 기능 장애의 역할

18) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3513836/

미토콘드리아 기능의 세포 및 분자 메커니즘

19) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10135185/

건강과 질병에서 미토콘드리아 기능의 주요 역할

20) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9989693/

미토콘드리아 콜레스테롤: 산화환원 생물학 및 질병에 대한 대사 및 영향

21) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9059418/

노화 및 노화 관련 질병의 미토콘드리아 및 대사 장애

22) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10218908/

질병 진단 및 치료에 대한 새로운 치료 접근법으로서의 미토콘드리아 전달

23) https://www.nature.com/articles/nrd.2018.174

일반적인 병리의 치료 표적으로 미토콘드리아

24) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26894/

세포의 분자생물학. 4판. 미토콘드리아

25) https://embryo.asu.edu/pages/mitochondrial-dna-mtdna

미토콘드리아 DNA(mtDNA)

26) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10480456/

건강과 질병의 미토콘드리아 역학: 메커니즘과 잠재적인 목표

27) https://en.wikipedia.org/wiki/Mitophagy

미토파지(mitophagy)

28) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3630798/

미토파지: 메커니즘, 병태생리학적 역할 및 분석

29) https://www.nature.com/articles/s42255-023-00930-8

인간의 건강, 노화 및 질병에서의 미토파지

30) https://www.nature.com/articles/s41598-018-33684-5

Plasmid-normalized quantification of relative mitochondrial DNA copy number

31) https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrial_DNA

미토콘드리아 DNA

32) https://www.genome.gov/genetics-glossary/Mitochondrial-DNA

미토콘드리아 DNA

33) https://embryo.asu.edu/pages/mitochondrial-dna-mtdna

미토콘드리아 DNA

34) https://m.dongascience.com/news.php?idx=12744

[미토콘드리아의 비밀] ‘그들’의 동거는 언제 시작됐을까

35) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3428767/

미토콘드리아 진화

36) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4075653/

미토콘드리아의 형태와 기능

37) https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_DNA

핵 DNA

38) https://www.genome.gov/genetics-glossary/Genome

게놈