산소 : 말라리아, 겸상적혈구, 질병 유전자

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산소 : 말라리아, 겸상적혈구, 질병 유전자

- ATP는 2분 사용량 : 항상 산소로 포도당을 태워서 ATP를 보충해야한다
- 산소 용해도는 고작 : 0.035g/Liter. 자주 많은 혈액이 흘러야 한다.  
- 혈액은 산소 운반을 위한 헤모글로빈으로 포화상태  
- 조그만 포도당 농도 또는 지방의 농도 증가도 부담이 된다  
- 철분의 용도는 대부분 헤모글로빈에 있다
- 산소의 용해도만 높다면 그렇게 숨가쁠 이유가 없다  

겸상 적혈구는 나름 치명적인 질환이다

 


1944년 아프리카 감비아에서 윈스턴 에번스 박사는 현지 주민 600명의 혈액을 분석했다. 무서운 말라리아 모기에 물려도 멀쩡한 사람이 많아 그 비밀을 찾기 위해서였다. 그 결과 조사 대상의 20% 정도가 ‘겸상(鎌狀·낫 모양) 적혈구 빈혈증(sickle-cell anemia)’ 유전자를 갖고 있는 것으로 확인됐다. 이들은 말라리아에 걸리더라고 경미하게 앓고 완치된다. 그런데 겸상적혈구는 정상의 적혈구가 원반형인데 비하여 낫 모양의 꺽인 모양이라 혈액순환이 원활하지도 않고 산소 전달도 원활하지 못하여 상태이다. 그래서 만성 빈혈 이나 간 기능 저하, 황달, 성장저하, 장기 기능 저하 등 주로 혈액과 관련된 질병을 유발하고 상태가 심각하여 일 년에 3번 이상 혈관 막힘 위기를 겪는 환자의 기대 수명은 약 35세이며, 위기가 이보다 적을시 50세 이상까지 생존하기도 한다.
그런데 말라리아에 감염되면 상황은 정반대로 역전된다. 말라리아 원충은 간으로 가서 증식된 후 혈액으로 나와 적혈구 안으로 들어가서 분열 증식한다. 그리고 적혈구에서 ‘어드헤신(adhesin)’이란 단백질을 만들고, 이 단백질을 적혈구 표면으로 내보내게 되는데 적혈구 표면에 모인 어드헤신은 적혈구 표면을 끈적끈적하게 만들어 혈액 속의 적혈구끼리 서로 달라붙고 엉기게 만든다. 그러면 혈관에 염증이 생기고 발열, 오한, 떨림 증상이 나타난다. 이렇게 적혈구를 파괴하고 혈관 속에 나온 말라리아 원충은 다른 적혈구에 연쇄적으로 감염을 일으킨다. 적혈구들이 응집되거나 파괴되기에 적혈구 부족으로 빈혈증이 생기거나 혈관이 막혀 여러 가지 마비 증세와 함께 사망에 이를 수도 있다.
그런데 낫 모양의 적혈구에서는 말라리아가 액틴을 활용하지 못해 어드헤신을 적혈구 표면으로 보내지 못한다. 원충이 어드헤신을 적혈구 표면으로 보내려면 적혈구내에 액틴이라는 단백질을 가늘고 긴 실 모양으로 연결시킨 뒤 이를 어드헤신을 수송하는 세포 내 ‘교량(bridge)’으로 이용해야 하는데 액틴이 이런 식으로 활용 가능한 형태가 아니라 말라리아가 맥을 추지 못하는 것이다.  

- 키니네 : 말라리아 치료약

 

 






170년 된 수수께끼 풀려 - 사슴도 일부 인간처럼 적혈구가 변형되는 이유
의학약학  양병찬 (2017-12-19 09:35)

사슴과 인간 겸상적혈구빈혈증 환자에게는 공통점이 하나 있다. 그들의 적혈구가 비정상적인 형태로 뒤틀리는 것이다. 이제 연구자들은 사슴의 혈구에서 이 변형을 초래하는 분자적 변화를 규명했다. 이번 발견은 1840년대 이후 연구자들을 어리둥절하게 해왔던 수수께끼를 푼 것으로, 기형적인 혈구가 일부 사람들을 말라리아에서 구원해주는 메커니즘을 매듭짓는 데 도움이 될 것으로 보인다.
"사슴에서 적혈구의 겸상화(sickling)가 일어나는 분자적 기초를 알아낸 것은 커다란 진보다"라고 하버드 의대 의 비제이 상카란 박사(소아혈액학)는 논평했다. 그는 이번 연구에 관여하지 않았다.
겸상적혈구빈혈증 환자는 (혈액 속에서 산소를 배달하는) 헤모글로빈의 구조를 비트는 변이를 보유하고 있다. 이러한 DNA 결함이 베타글로빈(β-globin: 헤모글로빈을 구성하는 두 가지 유형의 단백질 중 하나)을 끈끈하게 만들어, 헤모글로빈 분자로 하여금 엉겨 붙어 뻣뻣한 섬유를 형성하게 한다. 이렇게 생겨난 섬유는 원반 모양이어야 할 적혈구를 초승달 등의 비정상적 형태로 뒤틀리게 만든다. 이러한 질환을 가진 인간은 왜곡되고 취약한 적혈구 때문에 모세혈관이 막히거나 파열되어, 통증, 피로, 장기손상을 겪게 된다.
그런데 여러 사슴 종(種)의 경우에도 혈구가 변형되는데, 과학자들은 지난 170년 동안 그 원인을 알지 못해 전전긍긍해 왔다. 이에 MRC(Medical Research Council) 산하 런던 의학연구소의 토비아스 워네크 박사(분자진화생물학)가 이끄는 연구진은 전세계 15종의 사슴에서 혈액, 근육, DNA 샘플을 수집했다. 대부분의 표본은 동물원의 동물에게서 채취된 것이지만, 말코손바닥사슴(moose)와 순록(reindeer)의 표본만큼은 구하기가 힘들어, 희귀한 고기를 판매하는 업체에서 스테이크를 주문해야 했다.
말코손바닥사슴과 순록은 북미산 엘크와 마찬가지로 혈구가 겸상화되지 않는다. 그래서 그들이 보유한 베타글로빈 단백질의 아미노산 배열을 다른 사슴들과 비교해본 결과, 한 가지 핵심적인 차이가 발견되었다. 혈구가 겸상화된 사슴의 경우, 하나의 아미노산이 글루탐산(glutamic acid)에서 발린(valine)으로 바뀐 것이었다. 겸상적혈구빈혈증을 초래하는 결함있는 형태의 헤모글로빈에서도 똑같은 아미노산 교체가 일어나지만, 분자에서의 위치가 다르다.
연구진은 12월 18일 《Nature Ecology and Evolution》(온라인판)에 기고한 논문에서, "사슴에서 일어나는 아미노산 교체는, 그들의 헤모글로빈 분자로 하여금 엉겨붙어 섬유질을 형성하기 쉽도록 만드는 듯하다"라고 말했다(참고 1). 그러나 인간과 달리, 겸상적혈구를 보유한 사슴들은 완전히 건강하다. 왜 그럴까? "나는 사슴이 뭔가 비용을 치를 거라고 확신하지만, 그게 뭔지 전혀 모르겠다"라고 워네크 박사는 말했다.
인간의 경우에는 겸상화의 비용이 명백하다. 미국의 경우, 겸상적혈구빈혈증 환자는 쉰 살 이상 살지 못하는 것이 상례다. 그러나 전세계적으로 볼 때, 말라리아가 유행하는 지역에는 결함있는 베타글로빈 유전자의 출현빈도가 의외로 잦다. 그 이유는, 결함있는 유전자를 한 카피만 보유할 경우 말라리아에 덜 걸리기 때문이다. 그러나 연구자들은 변형된 단백질이 말라리아 병원충에게 카운터 펀치를 날리는 메커니즘을 확실히 이해하지 못하고 있다.
워네크 박사가 이끄는 연구진은 "사람뿐만이 아니라, 사슴의 경우에도 적혈구의 겸상화에 뭔가 이점이 있는 게 분명하다"고 결론지었다. 연구진은 진화적 분석을 통해 "사슴은 천만 년 전부터 '겸상화되기 쉽지만 건강에 지장이 없는 베타글로빈 버전'을 진화시켰다"는 결과를 얻었다.
다음으로, 연구진은 상이한 흰꼬리사슴(white-tailed deer) 개체군을 대상으로, 말라리아 병원충이 풍부할 경우 '겸상화를 촉진하는 베타글로빈 버전'의 빈도가 증가하는지를 확인할 계획이다. 만약 변형된 베타글로빈이 사슴의 말라리아 저항성을 향상시킨다면, 그 이유를 밝힘으로써 인간의 변형된 적혈구가 말라리아 병원충을 물리치는 과정을 이해하는 데 기여할 것으로 보인다.
그러나 보스턴 의대의 마틴 스타인버그 박사의 의견은 다르다. "인간과 사슴의 겸상적혈구화 사이에는 큰 차이가 있다. 인간의 경우에는 산소가 부족할 때 혈구의 형태가 변하지만, 사슴의 경우에는 산소가 풍부할 때 혈구가 겸상화된다"라고 그는 말했다. "연구진은 이번 연구에서 사슴의 적혈구가 겸상화되는 과정을 매우 상세히 밝혔는데, 그럴수록 사슴에 관한 수수께끼는 더욱 깊어진다. 나는 사슴 적혈구의 겸상화가 사슴을 병들게 하지 않는 이유를 알고 싶다"라고 그는 덧붙였다.

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