매일 3300억 개의 세포가 태어나고 죽는다

교체 세포의 86%는 혈액 세포

사람의 몸은 약 30조 개의 세포로 구성되어 있다. 인체의 세포는 매일 활발하게 죽어 사라지고, 새로운 세포가 생성된다. 이 같은 ‘세포 교체’는 상상하는 것 이상으로 매우 큰 규모로 이뤄진다고 과학자들이 발표했다.

이스라엘 와이즈만 과학연구소(Weizmann Institute of Science)의 생물학자 론 센더(Ron Sender)와 론 마일로(Ron Milo)에 따르면, 사람의 몸은 하루에 약 3300억 개의 세포가 새로 만들어지고 사라진다. 이에 따르면 사람의 몸은 초당 380만 개 이상의 새로운 세포를 교체한다.

이중 대부분의 세포는 혈액 세포이고, 뒤를 이어 장에 있는 세포가 다수를 차지한다. 교체되는 세포의 불과 2% 미만이 혈액 및 장 이외의 세포이다.

Human red blood cells magnified 1000 times ？ 위키피디아

연구팀은 “하루에 생산되는 세포의 숫자를 확인하는 것은 인체가 어떻게 기능하고 세포의 순환이 건강과 질병에 어떻게 작용하는지를 더 잘 이해하는 데 도움을 준다”고 말했다.

이스라엘 과학자 세포 회전율 조사

과학자들은 지금까지 체내에 얼마나 많은 세포가 있는지, 그리고 세포 수명은 얼마나 되는지에 대한 추정치를 계산했지만, 세포가 어느 정도 비율로 교체되는지를 조사하는 연구는 거의 이루어지지 않았다.

네이처 메디신(Nature Medicine) 최신호에 발표된 논문에서 연구팀은 서로 다른 세포 유형에 의해 나타나는 수명의 변화를 조사하고, 질량과 숫자로 세포 회전율을 정량화했다.

연구팀은 세포 숫자를 조사할 때는 전통적인 표준 신체를 기준으로 삼는다. 나이 20~30세, 몸무게 70kg에 키 170cm인 건강하고 표준적인 남성이다. 표준 세포 회전율을 추정하기 위해, 연구팀은 신체 전체 세포의 0.1% 이상을 차지하는 모든 세포 유형을 조사했다.

세포 수명은 인체 세포의 수명을 직접 측정한 연구 자료만을 조사해서 찾아냈다. 연구팀은 평균 세포 질량을 바탕으로 각 유형별로 전체 세포 질량을 도출했다.

이 정보를 바탕으로, 두 과학자는 기준이 되는 표준 사람이 하루에 교체하는 세포의 숫자는 3300억 개, 무게로 따지면 약 80g이라고 발표한 것이다.

교체되는 세포의 86%가 혈액이며, 12%는 위장 세포이다. 소량의 피부세포(1.1%), 혈관 속 내피세포와 폐 세포가 각각 0.1%를 차지한다.

혈액 세포가 세포 교체의 대부분을 차지하지만, 질량으로 보면 혈액 세포가 차지하는 비율은 48.6%이다. 세포 숫자로는 12%인 위장 세포가 차지하는 질량의 비율은 41%나 된다. 피부 세포는 4%를 차지하고, 세포 수로는 매우 적은 지방 세포는 질량으로 4%를 차지한다.

죽은 세포는 때로는 떨어져 나가거나, 기생충이 먹어 치우거나, 또는 분해되어 부분적으로 재활용되기도 한다.

물론 이런 수치는 연령, 건강, 몸집, 성별과 같은 요인에 따라 사람마다 다를 수 있다. 하지만 이번 연구는 인간의 신체에서 세포 교체가 어떻게 작용하는지를 더 잘 이해할 수 있는 기준을 제공한다.

인체의 세포 교체를 조사할 때 참고할 사항은 박테리아의 존재이다. 사람의 몸에 사는 박테리아는 약 38±10조 개 세포로 구성되어 있으며, 주로 대장에 기생한다. 이 박테리아의 전체 무게는 약 200g이다.

전체적으로, 몸무게 70kg의 표준 인체를 기준으로 할 때 사람은 30조 개의 세포로 이뤄졌으며, 전체 세포의 무게는 46kg이다. 나머지 24kg은 액체와 고형물이다.

연구팀은 80일마다 30조 개의 세포가 재생되며, 18개월마다 46kg의 세포 질량을 생산한다는 것을 발견했다. 세포 회전율과 세포 질량 재생 시간이 차이 나는 것은 대부분의 세포 회전율이 중소 세포에서 발생하는 반면, 세포 질량의 대부분은 평균 수명이 10년을 넘는 상대적으로 무거운 세포에 집중되기 때문이다.

뇌 신경세포는 일생 동안 교체되지 않아

그러나, 인체의 모든 부분이 교체되는 것은 아니다. 세포 수명도 장 세포는 3~5일에 불과하지만, 전체 세포의 0.5%를 구성하는 뇌 신경세포와 눈 수정체 세포는 일생 동안 교체되지 않는 것도 있다. 그러므로 인체를 구성하는 모든 세포의 완전한 교체는 일어나지 않는다.

인체의 세포 회전율은 건강 상태에 영향을 받는다. 예를 들어 부상과 염증이 생기면 백혈구 수명이 연장되고, 염증과 빈혈은 적혈구 수명의 단축으로 이어진다.

건선은 표피 세포 수명의 상당한 감소로 이어진다. 게다가 세포 회전율은 암과 직접적으로 연관되어 있으며, 종양 내의 세포 회전율은 훨씬 더 빠를 수 있다.

 암 백신, 4년 이상 효과 지속·확장돼

“네오백스, 면역관문억제제와 결합해 전이암 통제”

장(腸) 신호 받아 뇌 염증 억제하는 '성상교세포 무리' 발견 

미국 다나-파버 암센터와 브리검 앤 위민스 병원(BWH) 및 MIT·하버드 브로드연구소 팀은 맞춤형 암 백신으로 치료받은 흑색종 환자들을 관찰한 결과, 치료 4년이 지난 뒤에도 백신에 의해 촉발된 면역반응이 암세포를 통제하는데 강력하고 지속적인 효과를 나타내고 있다고 보고했다.

의학저널 ‘네이처 메디신(Nature Medicine)’ 21일 자에 발표한 논문에서 연구팀은, 지난 2017년 첫 임상시험이 보고된 암 백신 네오백스(NeoVax)의 효과에 대한 관찰 결과를 구체적으로 소개했다.

네오백스는 각 환자의 종양 세포에 있는 특정 단백질을 표적으로 삼아 작동하는 암 백신으로, 연구팀은 이 백신에 의해 생성된 면역반응이 흑색종 환자에게서 어떤 효과를 나타내는지를 수년 동안 계속 추적하고 있다.

이번 보고에 따르면 백신 접종 4년이 지난 뒤에도 환자들의 면역계 세포들은 특정 단백질을 가진 종양 세포에 대해 활동적일 뿐만 아니라, 환자의 종양 세포에서 발견된 다른 단백질로도 확산된 것으로 나타났다.

암 백신 연구를 수행하고 있는 다나-파버 암연구소 캐서린 우 박사와 패트릭 오트 박사(왼쪽). ？ DFCI

표적 면역 반응, 수년 동안 지속적으로 확대돼

논문 공동 저자로 다나-파버 연구소와 브리검 앤 위민스 병원 및 브로드연구소에 적을 두고 있는 캐서린 우(Catherine J. Wu) 박사는 “이번 발견에서 개인 맞춤 신생항원(neoantigen) 백신이 흑색종 환자의 지속적인 면역반응을 자극할 수 있음을 보여주었다”며, “투여 초기의 표적 면역반응이 수년에 걸쳐 확대돼 환자를 질환으로부터 지속적으로 보호한다는 증거를 발견했다”고 밝혔다.

이번 연구에는 진행성 흑색종으로 수술을 받았으나 재발 위험이 높을 것으로 간주된 8명의 환자가 참여했다. 임상 1상시험에서 이들은 수술 18주 뒤에 네오벡스 치료를 받았다.

백신은 항원 결정기(epitopes)라고 불리는 작은 단백질 조각으로 만들어진다. 여기에 실험적인 ‘바이러스 모방체’이자 면역활성화제인 poly-ICLC (Hiltonol이라고도 함)를 혼합한다.

Poly-ICLC는 특정 면역세포 표면에 있는 단백질과 결합해 마치 바이러스인 것처럼 보이게 해 면역세포가 백신을 발견하면 이를 바이러스라고 여겨 면역체계에 경고를 보내게 된다.

면역계에 신호를 보내는 네오벡스의 에피토프는 종양 세포의 비정상 단백질인 신생항원에서 나온 것으로, 세포가 암성이며 파괴돼야 한다는 경고를 나타내는 것.

신생항원은 종양 세포에서만 발견되기 때문에 면역반응을 촉발시키고, 나머지 정상 세포는 면역계의 공격을 피하게 된다.  추가 백신을 접종하면 면역반응은 더 강해지고 암 재발을 예방하거나 지연시킬 수 있게 된다.

흑색종에 대한 신생항원 백신 치료 과정을 소개한 자료. ？ David A. Reardon

치료 4년 뒤 환자 8명 모두 생존

네오백스를 만들기 위해서는 종양의 신생항원 안에 있는 주요 에피토프를 식별해 내기 위해 환자 종양의 DNA 서열을 스캔해야 한다. 에피토프는 면역 T세포의 표적이 돼 면역계가 암을 공격하도록 이끈다.

따라서 환자가 네오백스 치료를 받으면 에피토프를 나타내는 흑색종 세포에 대항하는 면역계 반응을 끌어내게 된다.

이번 연구에서 연구팀은 네오백스 치료 4년 뒤, 8명의 환자가 모두 생존해 있고, 6명은 암이 아무런 활동성 징후를 보이지 않는다는 사실을 발견했다. 통상 전이가 된 흑색종 환자의 5년 생존율은 30%에 불과한 것으로 알려져 있다.

연구팀이 백신에 의해 작용하도록 자극된 면역계 세포인 환자의 T세포를 분석하자, 이 세포들은 초기 표적 에피토프를 ‘기억했을(remembered)’ 뿐만 아니라 대응 목록을 확장해 다른 흑색종 관련 에피토프들도 인식했다.

다나-파버 암연구소의 개인 맞춤 암 백신 파이프라인 그림. ？ David A. Reardon

“면역관문억제제와 결합해 암 전이 통제”

한편 암이 폐로 퍼진 환자 중 두 명은 암에 대한 면역반응 제한을 일부 완화시키는 면역관문억제제(immune checkpoint inhibitor)를 투여받았다.

연구팀은 이 두 환자들에게서 T세포들이 흑색종 세포에게는 가장 치명적일 수 있는 종양 조직으로 침투했다는 징후를 발견했다.

논문 공저자인 다나-파버 암센터와 BWH 및 브로드 연구소의 패트릭 오트(Patrick A. Ott) 박사는 “강력하고 지속적인 면역반응에서 우리가 찾고자 하는 모든 것을 발견했다”고 말했다.

오트 박사는 “T세포는 계속해서 흑색종 세포만을 구체적 표적으로 삼았고, 처음에 반응했던 에피토프에 대한 기억을 유지했다”며, “종양 세포를 살해하기 위해 활성화된 T세포는 결정적으로 원래의 백신에 포함되지 않았던 흑색종 에피토프까지 겨냥하도록 다양화됐다”고 밝혔다.

그는 “흑색종을 표적으로 하는 T세포의 장기적인 지속성과 확장성은 개인 항원 펩티드 백신이 특히 면역관문억제제와 결합될 때 전이성 종양 통제에 도움이 될 수 있다는 강력한 증거를 나타낸다”고 덧붙였다.

네오백스 암 백신은 동급 최초의 개인 맞춤 신생항원 암 백신으로, 2017년과 2019년에 발표된 두 건의 임상시험을 성공적으로 마치고 현재 연구용 신약 승인을 받은 상태다.

흑색종과 말기 신장암, 전이성 췌장암과 대장암 등에 대해 여러 기관에서 임상시험이 진행되고 있어 인체 효과를 검증하고 출시되기까지에는 좀 더 시간이 걸릴 것으로 보인다.

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T세포 사멸 유도로 염증 차단, 관련 단백질 2종도 확인

미국 '브리검 앤드 위민스 호스피털' 연구진, 저널 '네이처' 논문

 뇌와 척수에 존재하는 성상교세포(astrocyte)는 표면에서 뻗어 나온 많은 돌기 때문에 별처럼 보인다 해서 이런 이름이 붙었다.

원래 성상교세포는 신경세포(뉴런)에 영양분을 공급하면서 신경세포의 이온 농도 조절 및 노폐물 제거, 손상된 신경 조직의 복구 또는 파괴 등 대체로 이로운 기능을 하는 것으로 알려졌다.

하지만 많은 연구가 이뤄지면서 성상교세포가 뇌 신경의 퇴행과 염증, 신경 질환 등을 촉발한다는 게 밝혀졌다.

？예컨대 성상교세포가 독소를 분해하는 과정에서 나오는 과산화수소는 신경세포 파괴의 원인으로 추정된다.

그런데 장(腸)에 상주하는 미생물의 신호를 받아 염증 억제 작용을 하는 성상교세포 무리가 미국 과학자들에 의해 발견됐다.

미국 '브리검 앤드 위민스 호스피털' 과학자들이 수행한 이 연구 결과는 최근 저널 '네이처'(Nature)에 논문으로 실렸다.

보스턴에 소재한 이 병원은 하버드 의대의 주요 수련병원 가운데 하나다.

2일 미국 과학진흥협회(AAAS) 사이트(www.eurekalert.org)에 공개된 논문 개요 등에 따르면 이 발견에 관심이 쏠리는 건, 뇌에서 가장 흔히 관찰되는 성상교세포와 장 세균을 연결하는 새로운 항염 경로를 제시했기 때문이다.

논문의 교신저자인 프란치스코 퀸타나 박사는 "성상교세포의 일부 무리이긴 하지만 염증 방지 작용이 입증된 건 처음"이라면서 "지금까진 성상교세포를 하나의 단일 세포 유형으로 봤는데 이젠 서브셋(subset·부분집합) 차이를 구분할 정도의 해상도를 구현할 수 있게 됐다"라고 말했다.

이번에 연구팀은 초정밀 유전자·단백질 분석 도구를 이용해 성상교세포 서브셋을 확인했다.

뇌막(腦膜·meninges)에 근접해 있는 이 성상교세포 무리는 다른 세포의 죽음을 유도하는 두 종류의 단백질, 즉 LAMP1과 TRAIL을 발현했다.

이 성상교세포 무리가 중추신경계(CNS)의 염증을 막는 비결이 여기에 있었다.

LAMP1과 TRAIL 단백질이, 염증을 촉발하는 T세포의 사멸을 유도하면 이것이 CNS의 염증 억제로 이어지는 것이다.

연구팀은 CRISPR-Cas9 유전자 편집 가위로 수없이 테스트를 거듭한 끝에 TRAIL 단백질의 발현을 조절하는 인터페론-감마를 찾아냈고, 이어서 장의 미생물이 인터페론-감마 신호를 유도한다는 걸 확인했다.

이런 LAMP1+TRAIL+ 성상교세포의 항염 기제와 경로를 정확히 이해하면, 다발성 경화증 같은 불치성 신경 질환을 치료하는 길이 열릴 거로 과학자들은 기대한다.

퀸타나 박사 연구팀은 이미 성상교세포의 항염 작용을 조절하는 데 투입할 수 있는 장의 유익균 탐색에 착수했다.

연구팀은 또한 특정 유형의 뇌종양이 이 LAMP1+TRAIL+ 경로를 이용해 면역 반응을 피한다는 걸 시사하는 데이터도 확보했다.

퀸타나 박사는 "장 미생물의 제어를 받아 항염 작용을 하는 성상교세포 서브셋을 발견한 것 자체로 중추신경계 염증과 그 조절에 대한 이해가 깊어졌다"라면서 "장 미생물의 제어 여부를 확인해야 할 다른 성상교세포 서브셋이 많이 남아 있다"라고 강조했다.

"정상 체중이어도 대사질환 부르는 유전자 변이 발견"

강남세브란스병원·테라젠바이오, 대사질환 관련 유전자 변이 확인

(서울=연합뉴스) 김잔디 기자 = 정상 체중이지만 고혈압, 고지혈증 등 대사질환 발병 위험이 높은 사람과 과체중, 비만이더라도 건강한 사람의 차이를 설명할 수 있는 유전자 변이가 발견됐다.

연세대학교 강남세브란스병원 가정의학과 이지원·박재민 교수와 유전체 분석 기업 테라젠바이오 연구팀은 대사질환과 관련된 유전자 변이를 발견했다고 3일 밝혔다.

연구팀은 한국인유전체역학조사사업(KoGES)에 참여한 40∼79세 성인 4만9천915명을 정상체중과 비만으로 나눈 뒤 혈압, 혈당 등 대사적 위험 요인(2개 미만·2개 이상)에 따라 4개 그룹으로 나눠 전장유전체연관분석(genome-wide association study, GWAS)을 시행했다.

대표적인 대사질환인 대사증후군은 ▲ 복부비만 ▲ 고혈압 ▲ 고혈당 ▲ 좋은 콜레스테롤(HDL) 혈중 수치 표준 이하 ▲ 중성지방 과다 등 5가지 중 3가지 이상이 해당하는 경우다. 이런 사람들은 심혈관질환, 당뇨병이 나타날 가능성이 크다.

연구 결과 정상 체중이면서도 대사적 위험 요인이 2개 이상인 그룹에서는 특정 유전자 영역(GCKR·ABCB11·CDKAL1·LPL·CDKN2B·NT5C2·APOA5·CETP·APOC1)에서 변이가 관찰됐다.

비만이면서 위험요인이 2개 이상인 그룹에서도 세 가지 유전자 영역(LPL·APOA5·CETP)에서 변이가 관찰됐다. 정상 체중이면서도 대사적 위험 요인이 2개 이상인 그룹과 공통된 부분이다.

즉, 체중과 관계없이 이 세 가지 유전자 영역에서 변이가 있으면 대사적으로 건강하지 못하다는 사실을 보여주는 대목이라고 연구팀은 설명했다.

체중이 정상이더라도 일부 유전자에 변이가 있으면 대사 질환의 위험이 커진다는 점도 시사한다고 연구팀은 밝혔다.

이 교수는 "정상 체중인데도 대사적 위험이 있는 사람과 비만이지만 대사질환 위험이 적은 사람의 유전적 차이는 향후 당뇨병, 이상지질혈증, 심혈관 질환 등 만성 질환 예방을 위한 개인 맞춤형 치료의 근거가 될 수 있을 것"이라고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트'(Scientific Reports) 최근호에 게재됐다.