과학자들이 말하는 ‘늙음’의 진짜 원인(3)

[과학자들이 말하는 ‘늙음’의 진짜 원인] 미토콘드

생물학 분야 최고 권위의 국제학술지 ‘셀(Cell)’은 2013년 ‘노화의 특징(The Hallmarks of Aging)’이라는 제목의 논문을 발표하며 생물학적 노화의 9가지 특징을 정리했다. 이후 10년간 추가된 연구를 종합하여 지난 1월 ‘노화의 특징: 확장판’을 다시 펴냈다. 사이언스타임즈는 지난 기사(관련 기사 보러 가기 ？ 과학자들이 말하는 ‘늙음’의 진짜 원인(2))에 이어서 노화의 생물학적 특징을 소개해보고자 한다.

노화의 원인 7: 미토콘드리아 기능 장애

▲ 미토콘드리아는 노화에 따라 기능이 저하되며, 이 때문에 여러 노화 관련 질병이 유발된다. ⓒGettyImages

세포의 에너지 공장인 미토콘드리아는 나이가 듦에 따라 자연스럽게 기능이 떨어진다. 미토콘드리아는 세포 내에서 에너지(ATP)를 만들어내는 과정에서 부산물로 활성산소도 만든다. 활성산소는 문자 그대로 반응성이 좋아 DNA나 단백질에 손상을 준다. 노화에 따라 미토콘드리아 기능이 저하되며 활성산소 생성량이 늘어나고, 늘어난 활성산소가 다시 미토콘드리아 기능 저하를 비롯한 전반적인 세포 내 손상을 유발한다. 오랫동안 미토콘드리아에서 만들어지는 활성산소가 노화와 노화 관련 질병에 영향을 준다고 알려져 왔다.

그런데 최근에는 활성산소를 마냥 노화의 ‘악’으로만 보긴 어렵다는 증거들이 나타나고 있다. 예쁜 꼬마선충 실험에서 활성산소의 증가가 오히려 수명을 늘린다는 의외의 결과가 나온 것이 신호탄이었다. 이후 쥐 실험에서도 유전자 조작으로 미토콘드리아에서 발생하는 활성산소와 산화 손상을 늘려도 노화가 가속되지 않았다.

일련의 연구에 따라 최근에는 세포의 손상을 보수하기 위해 활성산소량이 증가하는 생존 신호로 보는 추세다. 하지만 활성산소량이 역치를 넘어서면 손상을 경감시키는 역할이 아니라, 오히려 세포를 공격하는 신호가 된다. 한편, 미토콘드리아 자체의 손상도 노화에 영향을 미치며, 노화에 따라 미토콘드리아의 에너지 생산 효율이 감소하기도 한다.

노화의 원인 8: 세포 노화

▲ 인간 피부 세포의 모습. ⓒFlickr

세포는 생장하고 분열하는 주기를 가진다. 하지만 세포 노화가 일어나면 이 주기를 멈춘다. 한 연구에서는 쥐 실험에서 장기 별로 세포 노화 상태를 측정했다. 간세포에서 젊은 쥐의 8%, 늙은 쥐의 17%의 세포가 세포노화 상태였다. 피부와 간, 비장에서는 간과 비슷한 수준의 세포 노화가 발생했다. 그러나 심장, 신장, 근육에서는 나이에 따른 세포 노화 증가 현상이 발견되지 않았다. 세포 노화가 모든 조직에서 나타나는 현상은 아니라는 의미다.

세포 노화의 주요 목적은 면역 반응을 유도하여, 손상이 일어난 세포가 전파되는 것을 막는 것이다. 가령, 암세포가 될 가능성이 있는 세포를 제거하기 위한 보상으로 세포 노화가 진행된다. 하지만 노화가 발생한 세포를 제거된 만큼, 새로운 세포가 보충되며 항상성이 유지돼야 한다. 노화된 개체에서는 항상성 유지 능력이 떨어져, 세포 노화가 발생한 세포가 축적된다.

노화 세포의 측정은 주변 세포들의 비정상적인 분화를 유도하고, 더 나아가 다양한 조직의 기능 장애를 촉진할 수 있다. 손상 복구 능력이 떨어지는 늙은 개체에서는 조직의 재생 능력이 떨어지기 때문에 만성적인 염증이 유발되기도 한다. 활성산소와 마찬가지로 적당한 세포 노화는 오히려 수명을 연장하는 작용을 한다. 동물실험에서 노화 세포를 제거했을 때 나이 관련 질병들이 지연된다는 결과를 보기도 했다. 초기에는 이롭지만, 만성이 되면 불리해진다는 의미다.

노화의 원인 9: 줄기세포 고갈

▲ 쥐 신경 줄기세포의 모습. ⓒFlickr

여러 말단세포로 분화하는 능력을 갖춘 줄기세포의 고갈은 여러 노화 관련 손상의 통합적인 결과이다. 줄기세포 기능 저하는 모든 나이 든 개체에서 공통으로 나타난다. 젊은 쥐에 비해 노화된 쥐는 줄기세포의 활성이 떨어지고, 세포분열도 더 적게 한다. 또, 성장, 발달 및 신진대사를 담당하는 뇌 부위인 시상하부에 있는 줄기세포가 몸의 노화 속도를 관리 및 통제한다고 보고되기도 했다. 줄기세포의 분열 능력 감퇴도 문제지만, 과도한 분열도 노화의 원인이 된다. 과도하게 분열되면 결국 줄기세포의 고갈을 초래하여 조로증이 발생한다.

줄기 세포의 기능 저하가 초래하는 현상은 세포 외에서도 영향을 미친다. 젊은 쥐에서 추출한 근육 줄기세포를 조로증을 겪는 쥐에게 이식한 연구에 따르면, 조로증 쥐의 수명이 늘어난 것은 물론 근육 외 다른 기관에서 발생한 퇴행성 질환도 개선됐다. 줄기세포가 특정 인자들을 세포 외로 분비하여 전체적인 몸의 상태에 영향을 미치는 것이다. 젊은 쥐와 늙은 쥐의 혈관을 이어 붙인 연구에서도 젊은 쥐의 분비 인자에 의해 늙은 쥐의 다양한 줄기세포 기능들이 개선됐다.

줄기세포 고갈은 다양한 노화 관련 손상의 통합적인 결과다. 줄기세포의 수 감소는 노화를 일으키는 장본인이지만, 손실 결과는 돌이킬 수 없다. 이러한 점에서 최근에는 줄기세포를 회춘시켜 노화로 말미암은 문제를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. ‘리파마이신’으로 대표되는 약물을 활용하거나, 줄기세포 또는 이들이 생산하는 분자를 보충하여 몸 전체 노화의 여러 측면을 늦추거나 심지어 역전시키려는 시도다.

▲ 2023년 국제학술지 ‘Cell’이 제시한 노화의 12가지 특징. 이번 기사에서는 미토콘드리아 기능 장애(Mitochodrial dysfinction), 세포 노화(Cellular senescence), 줄기세포 고갈(Stem cell exhaustion)에 대해 다뤘다. ⓒCell