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장수 DNA : 히드라

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생로병사 법칙의 예외 ‘히드라’
일러스트가 있는 과학에세이 150

생로병사(生老病死)는 사람뿐 아니라 지구에 살고 있는 모든 생명체(눈에 보이는 다세포 생물)에 적용되는 자연법칙이라는 게 보통 사람들 생각이다. 개나 고양이 같은 반려동물을 키우는 사람들은 이 말을 더 절감할 것이다. 사람으로 치면 조로증(早老症)에 해당하는 10~15년에 생로병사가 압축돼 있기 때문이다. 그런데 태어나 늙어 병들어 죽는 게 정말 모든 다세포 동물의 운명일까.

노화에 관련된 논문을 보면 생로병사 법칙의 예외로 늘 거론되는 동물이 있다. 바로 히드라다. 민물에 사는 자포동물인 히드라는 물속의 나무줄기나 풀잎에 붙어있는데 유심히 봐야 보일 정도로 작다(1cm 미만). 필자도 초등학생 때 논두렁에서 히드라 채집을 하던 기억이 난다.

히드라는 몸구조도 무척 단순한데, 부착력이 있는 말단이 있는 길쭉한 몸통에 촉수가 몇 개 달려있고 입과 항문의 역할을 동시에 하는 구멍이 하나 있다. 또 외배엽과 내배엽에서 유래한 세포들 몇 종류만 있을 뿐이다(발생과정에서 중배엽이 형성되지 않는다). 뇌도 없는 이런 하등동물이 늙지 않는다니 어떻게 된 일일까.

8년에 걸쳐 2256개체 관찰

12월 7일 학술지 ‘미국립과학원회보’ 사이트에 미리 공개된 논문에서 독일 막스플랑크연구소와 미국 퍼모나대 연구진들은 8년에 걸친 관찰을 통해 히드라가 정말로 늙지 않는 것 같다는 연구결과를 발표했다. 지금까지 각종 동식물의 노화와 수명 연구가 있었지만 대부분이 믿을만한 결과가 아니었다. 자연상태에서 동식물의 노화상태를 제대로 측정하기 어려울 뿐 아니라 관찰한 개체수가 적어 통계적으로 의미가 있는 데이터가 드물기 때문이다.

그래도 히드라가 늙지 않는다는 주장이 널리 인용되어 온 건 1998년 학술지 ‘실험 노인학’에 발표된 한 논문 때문이다. 미국 퍼모나대 생물학과 대니얼 마르티네즈 교수는 히드라 145개체를 4년 동안 관찰한 결과 노화의 증거를 발견할 수 없었다고 주장했다. 과학자들은 사망률과 생식력을 통해 노화 정도를 가늠한다. 즉 노화가 진행될수록 사망률이 올라가고 생식력은 떨어지기 때문이다. 그런데 4년 동안 히드라를 관찰한 결과 사망률도 별 차이가 없었고 생식력(주로 무성생식인 발아를 통해 번식한다)도 유지됐다는 것.

10여 년 전 막스플랑크연구소의 연구자들은 마르티네즈 교수와 공동으로 좀 더 오랜 시간에 걸쳐 더 많은 개체수를 관찰해 히드라가 정말 늙지 않는지 확증하는 실험에 착수했다. 이들은 히드라 두 종 2256개체를 2925일 동안 관찰하며 사망률과 생식률을 기록했다. 참고로 독일에서 실험한 히드라는 이미 서른세 살이었고 미국에서 실험한 히드라는 유성생식으로 알에서 깨어난 새끼로 시작했다. 8년에 걸친 기록을 분석한 결과 히드라는 정말 늙지 않는 것 같다는 결론을 얻었다.

먼저 연간사망률을 보면 평균 0.006으로 167마리 가운데 한 마리가 죽는 꼴이다. 8년 동안 사망률에 큰 변동이 없었을 뿐 아니라 서른세 살에 실험에 ‘참여한’ 히드라와 갓 태어나 참여한 히드라 사이에도 별 차이가 없었다. 생식력 역시 개체에서는 8년 동안 큰 차이가 없었는데 다만 사육조건에 따라서는 차이가 컸다. 즉 먹이를 조금씩 준 독일에서는 발아 횟수가 한 달에 1회가 안 됐지만 넉넉하게 준 미국에서는 2~4회 발아를 했다. 그렇다면 히드라는 어떻게 늙지 않게 진화할 수 있었을까.

 
수년에 걸친 히드라의 생존률(위)과 연간사망률(아래). 히드라 2256개체는 열두 개 집단으로 이뤄져 있는데 이 가운데 두 집단은 특히 사망률이 더 낮았다(C). ⓒ ‘PNAS’

이에 대해 연구자들은 몇 가지 이유를 들고 있다.  먼저 히드라의 단순한 몸구조다. 세포종류도 몇 가지 안 되고 몸을 이루는 세포 가운데 줄기세포의 비율도 높다. 무엇보다도 히드라는 체세포와 생식세포의 분화가 안 된 상태다. 사람처럼 발생과정에서 생식세포가 일찌감치 분리된 경우 체세포와 생식세포는 별도로 관리된다. 즉 유전자를 계속 이어나갈 생식세포는 세심하게 관리되지만 개체에만 봉사하는 체세포는 상대적으로 품질관리에 소홀한 것. 그 결과 체세포에서 노화가 일어난다는 게 ‘1회용 체세포 이론(disposable soma theory)’다.

논문 말미에서 연구자들은 “1998년 논문의 제목은 ‘사망률 패턴이 히드라가 늙지 않음을 ‘시사한다(suggest)’로 제안적인 측면이었다면, 이번 논문의 제목은 ‘히드라에서 오랜 시간에 걸친 일정한 사망률과 생식률’로 결론적인 측면이 있다”고 주장했다.

영국의 저명한 진화생물학자 윌리엄 해밀턴이 1966년 학술지 ‘이론생물학저널’에 발표한 논문에서 ‘모든 다세포 생물은 불가피하게 늙는다’고 서술한 뒤 이 주장이 도그마가 됐지만 이번 연구로 ‘예외 없는 법칙은 없다’는 법칙의 ‘예외 없음’이 다시 한 번 입증된 셈이다.