인간 생명체에는 醫와 藥이 공존하면서 질병과 겨누며, 무한한 도전을 해 왔고, 그 정복의 길을 찾아 앞으로도 그렇게 이어질 것이다.
본지는 이번호부터 한·독생의학학회 학술강사이며, 면역·심혈관·내분비·대사성·정신신경계 질환 등 난치성 질환에 관한 약물요법과 Natural Therapy Forum을 통해 정은주 약학박사의 글을 연재키로 한다.

<편집자 註>

 

미래학자들이 2030년의 인간의 평균수명을 120세 이상으로 예측하고 있을 만큼 의료와 과학의 발달은 끝이 없어 보인다. 하지만, 아이러니하게도 남녀노소의 경계를 넘어서서 예측할 수 없는 새로운 이름의 난치성 질병, 자가면역질환, 대사성질환 환자들은 늘어나고 있고 심혈관질환이나 암으로 사망하는 인구도 늘어나고 있는 게 현실이다.

인류의 well-being과 well-dying을 위해 의료계와 과학계가 인체 생명의 신비를 찾는 끊임없는 연구의 여정을 살펴보자면 2003년 인간게놈프로젝트의 완성을 토대로 한 Genomics가 질병의 원인과 해결책을 찾아줄 것이라 생각했으나 인체에서는 유전자로만 알 수 없는 더 복잡한 현상이 일어나고 있었고, 뒤를 이어 단백질을 통한 Proteomics, 지방을 통해 보는 Lipidomics, 대사에서 그 해답을 찾으려는 Metabolomics를 거쳐 과학은 이미 세상을 바꿀 10대 신기술에 Glycomics 시대를 예견하고 있다(그림 1).

표1.

지금껏 당은 에너지원이며, 과하게 섭취하면 질병을 유발하는 것이라 여겨왔으나 과학의 발전은 당단백질, 당지질, 프로테오글리칸 등 인체 내의 복합 당질이 포도당 이외의 다양한 당성분들로 이루어져 있음을 밝히게 되고 , 생명현상에서 세포와 세포간의 신호전달(cell to cell communication)과 인지, 수정(fertilization),발생, 염증, 감염, 유전질환, 대사장애, 암 발생 및 전이, 자가면역질환 등 많은 질환과 생명현상에 여러 당들이 관여 한다는 것을 밝혀내고 있습니다(그림 2).

기존에 당에 대한 의료 과학계의 초점이 포도당의 해당작용(glucolysis)과 미토콘드리아에 국한 되어 있었다면, 생명의 언어를 풀어가는 미래의 ‘당(sugar)’에 대한 초점은 세포수준에서 유전적 인자에 따른 단백질의 생성에 있어 소포체, 골지체에서 일어나는 당화(Glycosylation)에 대한 인식을 시작으로 인체 내에서 당이 붙어서 만들어지는 물질(Glycoconjugates)의 정상적인 구조와 역할을 연구하고 나아가서 질병을 치료하는 의약품으로의 발전까지 당생물학(Glycobiology), 당쇄체학(Glycomics), 당과학(Glycoscience)은 생명의 달콤한 언어로 인류에게 건강하고 행복한 미래를 보장해 줄 수 있을 것으로 예상 되어 집니다.

탄소 화합물들은 그 구조상의 특징 때문에 많은 정보를 담을 수 있다. 핵산이나 단백질이 가지고 있는 게놈유전자에 비해 엄청난 생명 언어 정보를 가지고 있을 것으로 예상되어지고, 미래 질병정복에 필요한 열쇠가 담겨 있을 것으로 기대되어 지는 만큼 과학자들의 가슴을 뛰게 할 만큼의 매력이 있는 학문이 Glycoscience일 것이다.

자 그럼 인체의 달콤한 생명언어인 carbohydrates의 세상을 구경하러 가 볼까요!
우선 복잡한 듯 헷갈리는 용어를 먼저 살펴볼까요?
자연계에서 약 200개의 단당들이 발견 되는데, 복합당질체로서 인체 내에서 작용하는 단당류는 대표적으로 8개정도로 알려져 있다(그림 3).

Carbohydrates의 기능을 크게 2가지로 본다면 전통적인 인식으로 첫째, 에너지원으로써의 역할과 둘째, 세포 기능으로써의 역할로 나누어 볼 수 있겠다. 실제로 우리 몸속의 대부분의 세포는 당사슬로 덮여있고, 이것으로 세포상호간에 정보를 교환하고 올바른 면역반응을 수행하며 각기 고유한 기능을 가지고 건강을 유지하는데 핵심적인 역할들을 하고 있다.
1995년 네이처지에 소개되기도 했던 세포표면의 당사슬의 역할을 살펴보면
1. 다른 세포와의 상호 부착 작용
2. 박테리아, 바이러스, 독소, 호르몬 등의 물질과 결합인지작용
3. 염증반응과 세포의 이동 등에 영향 작용 등 당사슬의 구조와 기능들이 서서히 밝혀지기 시작 하였다.

예를 들면 세포막 바깥 당사슬에 호르몬이 부착되면 세포막 안쪽으로 영향을 미쳐서 단백질의 구조가 바뀌게 되고 이것을 신호로 인식해서 세포내 단백질과 다른 분자와의 결합에 영향을 주게 되어 단백질 분자구조가 다르게 일어나게 되는 식으로 세포막의 당사슬 수용체와 세포내의 반응들은 바쁘게 돌아가며 생명현상을 유지한다고 보면 되겠다(그림 4).

세포표면의 당사슬 수용체는 그 수용체마다 각각 인식하는 물질이 다르므로 당사슬의 원료물질인 8가지 당이 부족해서 Glycoform이 부족할 시에 인식하고 반응 하는데 결함이 생기게 되면 면역저하나 대사장애 등의 질병 형태로 발전하게 되는 것이다.

일본 문부과학성 연구에 따르면 1개의 세포에 당사슬이 현대인에 있어 50%이상 줄어 들어있어 만성 난치성 질병과 노화로 진행되어 지는 것으로 발표하였고, 그 원인이 현대의 환경에 따른 식물성 당 영양소의 현저한 결핍이라고 말하며 광합성을 제대로 한 건강한 먹거리에서 해답을 찾고 있다.
세포 내에서 Glycosylation 작용이 생명현상에 있어 중요한 역할을 하는 이유는 아주 많다.

단백질이 만들어질 때 Glycosylation이 제대로 일어나지 않아서 단백질이 그 구조와 기능에서 정상적이지 못할 때 몸의 면역계에선 잘못된 단백질을 적으로 인지해서 공격하게 될 것이고 결국에는 자가면역질환의 순환으로 들어가게 되어버리는 비극이 시작 되는 것이다(그림 5).
세포막의 당사슬도 ,히알루론산 같은 분비성 점액성 당단백질도 세포내에서 당화되어서 세포 밖으로 분비되어 지는 것으로 보면 되므로 당화작용의 역할과 중요도는 아주 방대하다.

당단백질은 생체 내에서 3가지의 장소에 주로 머무르게 된다.
첫째, 혈액이나 체액 같은 세포외 장소인데 소포체를 거쳐 골지체에서 당화되어 세포외로 분비되는 수용성 당단백질은 호르몬이나 항체 등이 많으며 체내를 돌아다니면서 수용체와 반응 하여 신호를 전달하거나 면역작용에 관여하게 된다.
두 번째, 세포막구성 당단백질과 세표표면의 점액성 당 단백질(mucos)을 포함한 세포막에 분포되고 이 점액성당단백질인 mucin은 carbohydrates의 함량이 50%가 넘고 O-linked glycan 형태이다. 인간에게 있어서 뮤신은 약 20여종이 발견되고 있고 코, 폐, 장, 관절 등 다른 종류의 뮤신이 분포되어 있다.
세 번째, 당 단백질은 세포내 소기관에 분포하고 쓸모없는 단백질을 청소하는 역할을 하는 리소좀이 그 곳이다.
인체의 많은 부분을 차지하는 단백질이 건강과 생명현상에 있어서 그 중요성은 두 말할 나위가 없을 것이다.
세포 내에서 DNA 와 mRNA로 연결되어지는 단백질의 합성과정에서 과학은 post-translational modification 과정에 어떤 특정 아미노산에 어떤 분자가 연결 되느냐에 따라 비로소 단백질의 구조와 기능이 달라짐을 밝혔고, 그중에서 당이 결합되어 단백질의 역할이 주어진 다는 것 또한 알려지게 되었다.
최신연구에서는 당사슬이 붙은 어떤 단백질들은 DNA를 복제하거나 DNA 유전정보로 부터 mRNA를 만들거나, 단백질을 만드는 작업에까지 관여함을 밝히기도 하였다.

현대 사망률의 1, 2위를 다투는 암의 발생과 전이, 억제에 있어서 수많은 인자들 중에서 당의 역할만을 간단히 살펴보아도. 위암의 위험인자인 헬리코박터균이 위점막의 당사슬수용체 인식과의 연관성이 밝혀지고 있고, 간암에 있어서 독성단백질의 제거에서 갈락토오스당과 시알산의 역할은 이미 밝혀져 있다.
또한 악성종양의 경우 암세포막의 당사슬이 건강인과 비교해서 많이 변형되어 있는 것은 이미 20여 년 전에 밝혀졌으며, 당화에 관련된 효소를 조절하여 암의 전이와 억제를 조절할 수 있게 된다는 것으로 항암제의 개발에 밝은 희망을 걸어본다(그림 6).

단백질은 원래의 주어진 기능을 정확하게 하기위해 기다리고 있다가 세포의 환경이나 신호에 따라 작용을 할 때 즉각 변신하여 업무를 수행하는데 이때 일어나는 여러 post-translational modification 반응 중 인산만큼이나 car-bohydrates가 중요한 역할을 하는데 예를 들어 암세포 억제 유전자인 p53 유전자의 활성에 있어서도 포도당의 농도와 당화작용이 그 활성을 다르게 하여 암세포의 억제 역할을 할 수 있게 한다.

인체에서 위에 언급한 8가지와 그 외의 일부 당들이 수행하는 역할들을 정리 해보면
1 세포들 간의 커뮤니케이션 통로
2. 면역의 조절
3. 암세포의 전이 억제
4. 혈압, 당뇨, 고지혈 등의 대사장애 개선
5. 호르몬 조절
6. 중추신경계에서 구조와 기능 관여
7. 노화개선
8. 수정
9. 줄기세포에 관여
등 계속 그 구조와 역할들이 연구되어지고 있다.

당사슬이 부족해서 생기는 질병으로 성장저하, 정신장애, 소뇌형성저하증, 호르몬 이상, 간질 응고장애, 조직섬유증 등이 있으며 당당백질이 구조이상으로 생기는 질병으로는 낭포성섬유종, 선천성신성 요붕증, 녹내장, 갑상선기능 저하, 골혈성부전, 치매 등이 있다.

독감치료제인 타미플루, 퇴행성연골치료와 안구건조증치료제 히알루론산, 혈액응고를 막아주는 Heparin, 혈액생성 당단백호르몬인 Erythropoietin,등 이미 의료계에서 Gly-cobiology가 질병 치유의 방법으로 응용되어 지고 있고 앞으로 Glycobiology와 Glyconutrients의 다양한 역할에 장수시대 인류 건강을 기대해 보면서, 생명의 달콤한 언어(sugar code of life)와 질병간의 연관성에 대해 계속 알아보기로 한다.

<다음 호에 계속>