대체의학자 임중심, DNA가 당신의 운명이 아닌 이유

대체의학자 임중심, 당신의 DNA가 당신의 운명이 아닌 이유…후생유전학

대체의학자 임중심 원장(카자흐스탄 한국병원)이 출간한 “암과 싸우지 마라”에는 ‘후생유전학과 사주팔자(四柱八字)’라는 글이 실려있다. 이 글의 일부를 소개하면 다음과 같다.

2010년 1월 18일. TIMES지에 의학계를 뒤흔들만한 내용이 표지모델로 실렸다.

“Why your DNA isn’t your destiny?”

후생유전학을 알린 것이다. 그동안 의학계는 DNA 즉, 유전자가 모든 것을 결정한다고 보아 모든 질병의 원인을 유전자 탓, 조상 탓으로 돌리고 있었다. 그러나 유전자가 결코 질병의 원인이 아니라는 것이다. 질병의 진짜 원인은 따로 있는데, 그것은 유전자에 영향을 미쳐서 유전자의 스위치를 켜고 끄고 하는 환경에 원인이 있다는 것이다.

-중략

불가에서는 일체유심조(一切唯心造)라 했다. 모든 것이 마음먹기라는 뜻이다. 나는 명리학자로서 운명은 있다는 것을 안다. 그러나 그것은 DNA일 뿐이다. 당연히 후생유전학적 노력으로 바뀔 수도 있고, 비켜 갈 수도 있는 것이다. 마음을 바르게 하여 마음의 환경을 바꾸고 식습관 생활습관을 바꾸어 몸의 환경을 바꾼다면 운명은 바꿀 수 있다고 본다. 암도 생활습관병일 뿐이다.

-하략

임중심 원장이 소개한 2010년 1월 18일. TIMES지 내용을 찾아 읽어보았다. 이 글을 읽다 보니 아주 오래전 내가 늘 지니고 있던 생각이 떠올랐다. 젊은 날 나는 강원도 치악산 기슭에서 사법시험 준비를 하고 있었다. 이때 나는 같이 공부하는 동료들에게 이런 말을 하곤 하였다. 만일 내가 결혼하게 되면 결혼하기 전 6개월 동안은 술과 담배와 자극적인 음식 등을 멀리하려 몸을 깨끗이 한 다음, 결혼 첫날밤을 맞이할 것이라 하였다. 그러면 티 없이 맑은 유전자만 가진 아이가 태어날 것이라고…. 당시 나는 녹차에 푹 빠져 있었다. 고요한 산속 새벽 시간, 녹차를 마시다 보면 영육이 정화되는 느낌이었다.

임중심 원장이 소개한 타임스지의 후생유전학 관련 글을 원문을 번역해서 실어본다. 의학 관련 글이라 내용이 어려운 데다 글이 길어서 끝까지 읽을 사람이 있을지 모르지만, 천천히 읽어보면 임중심 원장이 주장하는 내용을 충분히 이해할 수 있을 것이다. 특히 가족력과 연관하여 읽어보기를 권한다.

타임스지 2010년 1월 6일 ‘Why Your DNA Isn’t Your Destiny‘ 기사 전문

Why Your DNA Isn’t Your Destiny

당신의 DNA가 당신의 운명이 아닌 이유

JOHN CLOUD

JANUARY 6, 2010 12:00 AM EST

존 클라우드

2010년 1월 6일 오전 12시(EST)

The remote, snow-swept expanses of northern Sweden are an unlikely place to begin a story about cutting-edge genetic science. The kingdom’s northernmost county, Norrbotten, is nearly free of human life; an average of just six people live in each square mile. And yet this tiny population can reveal a lot about how genes work in our everyday lives.

스웨덴 북부의 외딴 눈 덮인 광활한 지역은 최첨단 유전 과학에 대한 이야기를 시작하기에는 불가능한 곳입니다. 스웨덴 최북단의 노르보텐 카운티는 인간의 삶에서 거의 자유롭습니다. 평방 마일당 평균 6명의 사람들이 살고 있습니다. 그럼에도 불구하고 이 작은 인구는 유전자가 우리의 일상생활에서 어떻게 작동하는지에 대해 많은 것을 드러낼 수 있습니다.

Norrbotten is so isolated that in the 19th century, if the harvest was bad, people starved. The starving years were all the crueler for their unpredictability. For instance, 1800, 1812, 1821, 1836 and 1856 were years of total crop failure and extreme suffering. But in 1801, 1822, 1828, 1844 and 1863, the land spilled forth such abundance that the same people who had gone hungry in previous winters were able to gorge themselves for months.

노르보텐은 너무 고립되어 있어서 19세기에 수확이 좋지 않으면 사람들이 굶었습니다. 굶주린 세월은 예측할 수 없는 것들로 인해 더욱 잔인했습니다. 예를 들어, 1800년, 1812년, 1821년, 1836년, 1856년은 완전한 농작물 실패와 극심한 고통의 해였습니다. 그러나 1801년, 1822년, 1828년, 1844년, 1863년에 땅은 너무 풍부해서 지난겨울에 배가 고파서 굶주린 사람들과 같은 사람들이 몇 달 동안 스스로 돌볼 수 있었습니다.

In the 1980s, Dr. Lars Olov Bygren, a preventive-health specialist who is now at the prestigious Karolinska Institute in Stockholm, began to wonder what long-term effects the feast and famine years might have had on children growing up in Norrbotten in the 19th century–and not just on them but on their kids and grandkids as well. So he drew a random sample of 99 individuals born in the Overkalix parish of Norrbotten in 1905 and used historical records to trace their parents and grandparents back to birth. By analyzing meticulous agricultural records, Bygren and two colleagues determined how much food had been available to the parents and grandparents when they were young.

1980년대에, 현재 스톡홀름의 명망 있는 카롤린스카 연구소에 있는 예방 건강 전문가인 Lars Olov Bygren 박사는 축제와 기근의 해가 19세기 Norrbotten에서 자란 아이들에게 장기적으로 어떤 영향을 미쳤을지 궁금해하기 시작했습니다. 그래서 그는 1905년 Norrbotten의 Overkalix 교구에서 태어난 99명의 무작위 표본을 뽑았고 부모와 조부모의 출생을 추적하기 위해 역사적 기록을 사용했습니다. 꼼꼼한 농업 기록을 분석함으로써, Bygren과 두 명의 동료들은 부모와 조부모가 어렸을 때 얼마나 많은 음식을 먹을 수 있었는지를 결정했습니다

Around the time he started collecting the data, Bygren had become fascinated with research showing that conditions in the womb could affect your health not only when you were a fetus but well into adulthood. In 1986, for example, the Lancet published the first of two groundbreaking papers showing that if a pregnant woman ate poorly, her child would be at significantly higher than average risk for cardiovascular disease as an adult. Bygren wondered whether that effect could start even before pregnancy: Could parents’ experiences early in their lives somehow change the traits they passed to their offspring?

그가 데이터를 수집하기 시작했을 즈음, 바이그렌은 자궁의 상태가 여러분이 태아였을 때뿐만 아니라 성인이 될 때까지 여러분의 건강에 영향을 미칠 수 있다는 것을 보여주는 연구에 매료되었습니다. 예를 들어, 1986년, 랜싯은 임신한 여성이 잘 먹지 못한다면, 그녀의 아이가 성인이 되어서 심혈관 질환에 걸릴 위험이 평균보다 훨씬 더 높을 것이라는 것을 보여주는 두 개의 획기적인 논문 중 첫 번째를 출판했습니다. 바이그렌은 그 효과가 임신 전부터 시작될 수 있을지 궁금했습니다. 부모들의 초기 경험이 그들이 자손에게 물려준 특성을 어떻게든 바꿀 수 있을까요?

It was a heretical idea. After all, we have had a long-standing deal with biology: whatever choices we make during our lives might ruin our short-term memory or make us fat or hasten death, but they won’t change our genes–our actual DNA. Which meant that when we had kids of our own, the genetic slate would be wiped clean.

그것은 이단적인 생각이었습니다. 결국, 우리는 생물학과 오랜 거래를 해왔습니다: 우리가 살면서 어떤 선택을 해도 우리의 단기 기억을 망칠 수도 있고, 우리를 뚱뚱하게 만들거나 죽음을 재촉할 수도 있지만, 그것들은 우리의 유전자, 즉 실제 DNA를 바꾸지는 않을 것입니다. 그것은 우리가 우리 자신의 아이를 가질 때, 유전자 자국이 깨끗하게 지워질 것이라는 것을 의미했습니다.

What’s more, any such effects of nurture (environment) on a species’ nature (genes) were not supposed to happen so quickly. Charles Darwin, whose On the Origin of Species celebrated its 150th anniversary in November, taught us that evolutionary changes take place over many generations and through millions of years of natural selection. But Bygren and other scientists have now amassed historical evidence suggesting that powerful environmental conditions (near death from starvation, for instance) can somehow leave an imprint on the genetic material in eggs and sperm. These genetic imprints can short-circuit evolution and pass along new traits in a single generation.

게다가, 종의 자연 (유전자)에 대한 양육 (환경)의 영향은 그렇게 빨리 일어나지 않기로 되어 있었습니다. 11월에 종의 기원 (On the Origin of Species) 150주년을 기념한, 찰스 다윈 (Charles Darwin)은 우리에게 진화적 변화가 많은 세대와 수백만 년의 자연 선택을 통해 일어난다고 가르쳤습니다. 그러나 바이그렌 (Bygren)과 다른 과학자들은 강력한 환경 조건 (예를 들어, 기아로 거의 죽을 뻔함)이 어떻게든 난자와 정자의 유전 물질에 흔적을 남길 수 있다는 역사적 증거를 모았습니다. 이러한 유전적 흔적은 진화를 단락시키고 한 세대 만에 새로운 특성을 전달할 수 있습니다.

For instance, Bygren’s research showed that in Overkalix, boys who enjoyed those rare overabundant winters–kids who went from normal eating to gluttony in a single season–produced sons and grandsons who lived shorter lives. Far shorter: in the first paper Bygren wrote about Norrbotten, which was published in 2001 in the Dutch journal Acta Biotheoretica, he showed that the grandsons of Overkalix boys who had overeaten died an average of six years earlier than the grandsons of those who had endured a poor harvest. Once Bygren and his team controlled for certain socioeconomic variations, the difference in longevity jumped to an astonishing 32 years. Later papers using different Norrbotten cohorts also found significant drops in life span and discovered that they applied along the female line as well, meaning that the daughters and granddaughters of girls who had gone from normal to gluttonous diets also lived shorter lives. To put it simply, the data suggested that a single winter of overeating as a youngster could initiate a biological chain of events that would lead one’s grandchildren to die decades earlier than their peers did. How could this be possible?

예를 들어, 바이그렌의 연구는 오버칼릭스에서 드문 과다한 겨울을 즐긴 소년들, 즉 정상적인 식습관에서 단 한 계절에 대식가로 전환한 아이들이 더 짧은 삶을 산 아들과 손자들을 낳았다는 것을 보여주었습니다. 훨씬 더 짧게, 바이그렌은 2001년 네덜란드의 Acta Biotheretica 저널에 실린 Norrbotten에 대해 쓴 첫 번째 논문에서, 과식을 한 오버칼릭스 소년들의 손자들이 흉작을 겪은 아이들의 손자들보다 평균 6년 일찍 사망했다는 것을 보여주었습니다. 바이그렌과 그의 팀이 특정한 사회경제적인 차이를 통제하자, 장수의 차이는 놀라운 32년으로 껑충 뛰었습니다. 이후 다른 Norrbotten 코호트를 사용한 논문들도 수명의 현저한 감소를 발견했고, 여성 계통을 따라 적용했다는 것을 발견했는데, 이는 정상적인 식습관에서 대식가로 전환한 소녀들의 딸과 손녀들도 더 짧은 삶을 살았다는 것을 의미합니다. 간단히 말해서, 그 데이터는 젊은 시절 과식을 한 겨울이 손자들을 또래들보다 수십 년 더 일찍 죽게 만드는 생물학적 사건들의 생물학적 연쇄를 시작할 수 있다는 것을 암시했습니다. 이것이 어떻게 가능할까요?

Meet the Epigenome

The answer lies beyond both nature and nurture. Bygren’s data–along with those of many other scientists working separately over the past 20 years–have given birth to a new science called epigenetics. At its most basic, epigenetics is the study of changes in gene activity that do not involve alterations to the genetic code but still get passed down to at least one successive generation. These patterns of gene expression are governed by the cellular material–the epigenome–that sits on top of the genome, just outside it (hence the prefix epi-, which means above). It is these epigenetic “marks” that tell your genes to switch on or off, to speak loudly or whisper. It is through epigenetic marks that environmental factors like diet, stress and prenatal nutrition can make an imprint on genes that is passed from one generation to the next.

에피게놈을 만나다

답은 자연과 양육 모두를 넘어서는 것입니다. 바이그렌의 데이터는 – 지난 20년 동안 따로따로 연구한 다른 많은 과학자들의 데이터와 함께 – 후생유전학이라고 불리는 새로운 과학을 탄생시켰습니다. 가장 기본적인 후성생전학은 유전자 코드의 변경을 수반하지 않지만 여전히 적어도 한 세대의 연속적인 유전자 활동의 변화를 연구하는 것입니다. 이러한 유전자 발현 패턴은 게놈 바로 위에 위치한 세포 물질인 후생유전학에 의해 지배됩니다 (따라서 위를 의미하는 접두사 epi-). 이러한 후생유전학적 "표시"는 여러분의 유전자가 켜지거나 꺼지거나, 크게 말하거나 속삭이도록 지시합니다. 식단, 스트레스, 산전 영양과 같은 환경적 요인이 한 세대에서 다음 세대로 전달되는 유전자에 각인을 만들 수 있는 것은 후생유전학적 표시를 통해서입니다.

Epigenetics brings both good news and bad. Bad news first: there’s evidence that lifestyle choices like smoking and eating too much can change the epigenetic marks atop your DNA in ways that cause the genes for obesity to express themselves too strongly and the genes for longevity to express themselves too weakly. We all know that you can truncate your own life if you smoke or overeat, but it’s becoming clear that those same bad behaviors can also predispose your kids–before they are even conceived–to disease and early death.

후성유전학은 좋은 소식과 나쁜 소식을 동시에 가져다 줍니다. 나쁜 소식 먼저, 흡연과 과식과 같은 생활 방식 선택이 비만의 유전자가 너무 강하게 표현하고 장수의 유전자가 너무 약하게 표현하는 방식으로 여러분의 DNA 맨 위에 있는 후생유전학적 표시를 바꿀 수 있다는 증거가 있습니다. 담배를 피우거나 과식을 하면 자신의 삶을 잘라낼 수 있다는 것은 우리 모두가 알고 있지만, 이러한 나쁜 행동들은 아이들이 임신하기도 전에 질병과 조기 사망에 이르게 할 수도 있다는 것이 분명해지고 있습니다.

The good news: scientists are learning to manipulate epigenetic marks in the lab, which means they are developing drugs that treat illness simply by silencing bad genes and jump-starting good ones. In 2004 the Food and Drug Administration (FDA) approved an epigenetic drug for the first time. Azacitidine is used to treat patients with myelodysplastic syndromes (usually abbreviated, a bit oddly, to MDS), a group of rare and deadly blood malignancies. The drug uses epigenetic marks to dial down genes in blood precursor cells that have become overexpressed. According to Celgene Corp.–the Summit, N.J., company that makes azacitidine–people given a diagnosis of serious MDS live a median of two years on azacitidine; those taking conventional blood medications live just 15 months.

좋은 소식은 과학자들이 실험실에서 후생유전학적 표시를 조작하는 법을 배우고 있다는 것인데, 이것은 과학자들이 단순히 나쁜 유전자를 침묵시키고 좋은 유전자를 시작함으로써 병을 치료하는 약을 개발하고 있다는 것을 의미합니다. 2004년에 미국 식품의약국은 처음으로 후생유전학적인 약을 승인했습니다. 아자시티딘은 희귀하고 치명적인 혈액 악성 종양인 골수이형성증후군 (보통은 MDS로 약칭됨) 환자들을 치료하는데 사용됩니다. 이 약은 과다하게 발현된 혈액 전구 세포들의 유전자들을 누르기 위해 후생유전학적 표시를 사용합니다. 아자시티딘을 만드는 회사인 N.J. Celgene Corp. – The Summit에 따르면, 중증 MDS 진단을 받은 사람들은 평균 2년의 아자시티딘을 먹고 살고 있으며, 기존의 혈액 약물을 복용하는 사람들은 15개월만 삽니다.

Since 2004, the FDA has approved three other epigenetic drugs that are thought to work at least in part by stimulating tumor-suppressor genes that disease has silenced. The great hope for ongoing epigenetic research is that with the flick of a biochemical switch, we could tell genes that play a role in many diseases–including cancer, schizophrenia, autism, Alzheimer’s, diabetes and many others–to lie dormant. We could, at long last, have a trump card to play against Darwin.

2004년부터 FDA는 질병이 잠잠해진 종양 억제 유전자를 자극함으로써 적어도 부분적으로는 효과가 있는 것으로 생각되는 세 가지의 후생유전학적 제제를 승인해 왔습니다. 후생유전학적 연구가 계속 진행되고 있기를 바라는 가장 큰 희망은, 생화학적 스위치를 깜박임으로써, 우리가 암, 조현병, 자폐증, 알츠하이머병, 당뇨병 등 많은 질병에서 역할을 하는 유전자들이 휴면상태에 있는지 구별할 수 있게 되는 것입니다. 우리는, 마침내 다윈에 대항할 수 있는 비장의 카드를 갖게 될 수 있게 되는 것입니다.

The funny thing is, scientists have known about epigenetic marks since at least the 1970s. But until the late ’90s, epigenetic phenomena were regarded as a sideshow to the main event, DNA. To be sure, epigenetic marks were always understood to be important: after all, a cell in your brain and a cell in your kidney contain the exact same DNA, and scientists have long known that nascent cells can differentiate only when crucial epigenetic processes turn on or turn off the right genes in utero.

재미있는 것은 과학자들이 적어도 1970년대부터 후성유전학적 표시에 대해 알고 있었다는 것입니다. 그러나 90년대 후반까지 후성유전학적 현상은 주요 사건인 DNA의 부수적인 방법으로 간주되었습니다. 확실히, 후성유전학적 표시는 항상 중요한 것으로 이해되었습니다: 결국, 뇌의 세포와 신장의 세포가 정확히 같은 DNA를 포함하고 있고, 과학자들은 초기 세포가 중요한 후성유전학적 과정이 자궁에서 올바른 유전자를 켜거나 끌 때만 분화할 수 있다는 것을 오랫동안 알고 있었습니다.

More recently, however, researchers have begun to realize that epigenetics could also help explain certain scientific mysteries that traditional genetics never could: for instance, why one member of a pair of identical twins can develop bipolar disorder or asthma even though the other is fine. Or why autism strikes boys four times as often as girls. Or why extreme changes in diet over a short period in Norrbotten could lead to extreme changes in longevity. In these cases, the genes may be the same, but their patterns of expression have clearly been tweaked.

그러나 보다 최근에, 연구자들은 후생유전학이 전통적인 유전학이 결코 설명할 수 없었던 특정한 과학적인 미스터리들을 설명하는데 도움을 줄 수도 있다는 것을 깨닫기 시작했습니다: 예를 들어, 한 쌍의 일란성 쌍둥이의 한 구성원이 왜 다른 한 쌍은 멀쩡함에도 불구하고 양극성 장애나 천식에 걸릴 수 있는지 말입니다. 또는 왜 자폐증이 남자 아이들에게 여자 아이들보다 네 배나 더 자주 발생하는지 말입니다. 또는 왜 노르보텐에서 단기간에 걸친 식단의 극단적인 변화가 장수의 극단적인 변화로 이어질 수 있는지 말입니다. 이러한 경우들에서, 유전자들은 같지만, 그들의 발현 패턴은 분명히 수정되었습니다.

Biologists offer this analogy as an explanation: if the genome is the hardware, then the epigenome is the software. “I can load Windows, if I want, on my Mac,” says Joseph Ecker, a Salk Institute biologist and leading epigenetic scientist. “You’re going to have the same chip in there, the same genome, but different software. And the outcome is a different cell type.”

생물학자들은 이러한 비유를 하나의 설명으로 제시합니다: 만약 게놈이 하드웨어라면, 후성유전체는 소프트웨어입니다. Salk Institute 생물학자이자 선도적인 후성유전학 과학자인 Joseph Eker는 "원한다면, 윈도우를 내 Mac에 로딩할 수 있다"고 말합니다. "여러분은 그 안에 같은 칩, 같은 게놈이지만 다른 소프트웨어를 갖게 될 것입니다. 그리고 그 결과는 다른 세포 유형입니다.“

How to Make a Better Mouse

As momentous as epigenetics sounds, the chemistry of at least one of its mechanisms is fairly simple. Darwin taught us that it takes many generations for a genome to evolve, but researchers have found that it takes only the addition of a methyl group to change an epigenome. A methyl group is a basic unit in organic chemistry: one carbon atom attached to three hydrogen atoms. When a methyl group attaches to a specific spot on a gene–a process called DNA methylation–it can change the gene’s expression, turning it off or on, dampening it or making it louder.

더 나은 취를 만드는 방법

후생유전학의 말처럼, 적어도 그 메커니즘 중 하나의 화학 작용은 꽤 간단합니다. 다윈은 우리에게 게놈이 진화하는 데 몇 세대가 걸린다고 가르쳤지만, 연구원들은 후생유전을 바꾸기 위해 메틸기를 추가하기만 하면 된다는 것을 발견했습니다. 메틸기는 유기 화학의 기본 단위입니다. 하나의 탄소 원자가 세 개의 수소 원자에 붙어있는 메틸기입니다. 메틸기가 유전자의 특정한 부분에 붙으면, 유전자의 발현을 변화시켜, 그것을 끄거나 켜거나, 그것을 약화시키거나, 더 크게 만들 수 있습니다.

The importance of DNA methylation in altering the physical characteristics of an organism was proposed in the 1970s, yet it wasn’t until 2003 that anyone experimented with DNA methylation quite as dramatically as Duke University oncologist Randy Jirtle and one of his postdoctoral students, Robert Waterland, did. That year, they conducted an elegant experiment on mice with a uniquely regulated agouti gene–a gene that gives mice yellow coats and a propensity for obesity and diabetes when expressed continuously. Jirtle’s team fed one group of pregnant agouti mice a diet rich in B vitamins (folic acid and vitamin B12). Another group of genetically identical pregnant agouti mice got no such prenatal nutrition.

유기체의 신체적인 특징을 바꾸는 데 있어서 DNA 메틸화의 중요성은 1970년대에 제안되었지만, 듀크 대학의 종양학자 랜디 저틀과 그의 박사후 학생들 중 한 명인 로버트 워터랜드만큼 극적으로 DNA 메틸화를 실험한 사람은 2003년이 되어서야 있었습니다. 그 해에 그들은 쥐들에게 노란 털을 주고 비만과 당뇨병의 경향을 지속적으로 발현시키는 유전자인 독특하게 조절되는 아구티 유전자를 가진 쥐들에게 우아한 실험을 수행했습니다. 저틀의 팀은 임신한 아구티 쥐들에게 비타민 B (엽산과 비타민 B12)가 풍부한 식단을 먹였습니다. 유전적으로 동일한 임신한 또 다른 그룹의 아구티 쥐들은 산전 영양분을 섭취하지 못했습니다.

The B vitamins acted as methyl donors: they caused methyl groups to attach more frequently to the agouti gene in utero, thereby altering its expression. And so without altering the genomic structure of mouse DNA–simply by furnishing B vitamins–Jirtle and Waterland got agouti mothers to produce healthy brown pups that were of normal weight and not prone to diabetes.

비타민 B는 메틸 기증자 역할을 했습니다. 즉, 메틸 그룹이 자궁 내 아구티 유전자에 더 자주 부착되도록 하여 그 발현을 변화시켰습니다. 그래서 Jirtle과 Waterland는 단순히 비타민 B를 공급함으로써 생쥐 DNA의 게놈 구조를 변경하지 않고 아구티 어미에게 정상 체중이고 당뇨병에 걸리지 않는 건강한 갈색 새끼를 낳도록 했습니다.

Other recent studies have also shown the power of environment over gene expression. For instance, fruit flies exposed to a drug called geldanamycin show unusual outgrowths on their eyes that can last through at least 13 generations of offspring even though no change in DNA has occurred (and generations 2 through 13 were not directly exposed to the drug). Similarly, according to a paper published last year in the Quarterly Review of Biology by Eva Jablonka (an epigenetic pioneer) and Gal Raz of Tel Aviv University, roundworms fed with a kind of bacteria can feature a small, dumpy appearance and a switched-off green fluorescent protein; the changes last at least 40 generations. (Jablonka and Raz’s paper catalogs some 100 forms of epigenetic inheritance.)

최근의 다른 연구들도 유전자 발현보다 환경이 더 강하다는 것을 보여주었습니다. 예를 들어, 겔다마이신이라는 약에 노출된 초파리는 DNA에 아무런 변화가 없었음에도 불구하고(그리고 2세대에서 13세대는 약에 직접적으로 노출되지 않았음에도 불구하고) 최소 13세대의 자손까지 지속될 수 있는 비정상적인 성장을 눈에 보여줍니다. 유사하게, 텔아비브 대학의 에바 자블론카(후성유전학의 선구자)와 갈 라즈(Gal Raz)가 작년에 발간한 생물학 계간지 보고서에 따르면, 일종의 박테리아를 먹인 회충은 작고 땅딸막한 외모와 꺼짐이 있는 녹색 형광 단백질을 특징으로 하며, 이러한 변화는 최소 40세대에 걸쳐 지속됩니다. (자블론카와 라즈의 논문은 약 100가지 형태의 후성유전학적 유산 목록을 작성합니다.)

Can epigenetic changes be permanent? Possibly, but it’s important to remember that epigenetics isn’t evolution. It doesn’t change DNA. Epigenetic changes represent a biological response to an environmental stressor. That response can be inherited through many generations via epigenetic marks, but if you remove the environmental pressure, the epigenetic marks will eventually fade, and the DNA code will–over time–begin to revert to its original programming. That’s the current thinking, anyway: that only natural selection causes permanent genetic change.

후생유전학적 변화가 영구적일 수 있을까요? 그럴 수도 있지만, 후생유전학은 진화가 아니라는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 그것은 DNA를 바꾸지 않습니다. 후생유전학적 변화는 환경적 스트레스 요인에 대한 생물학적 반응을 나타냅니다. 그 반응은 후생유전학적 표시를 통해 여러 세대에 걸쳐 유전될 수 있지만, 만약 여러분이 환경적 압력을 제거한다면, 후생유전학적 표시는 결국 사라지고, DNA 코드는 시간이 지남에 따라 원래의 프로그램으로 돌아가기 시작할 것입니다. 어쨌든, 그것이 현재의 생각입니다: 오직 자연적인 선택만이 영구적인 유전적 변화를 일으킨다는 것입니다.

And yet even if epigenetic inheritance doesn’t last forever, it can be hugely powerful. In February 2009, the Journal of Neuroscience published a paper showing that even memory–a wildly complex biological and psychological process–can be improved from one generation to the next via epigenetics. The paper described an experiment with mice led by Larry Feig, a Tufts University biochemist. Feig’s team exposed mice with genetic memory problems to an environment rich with toys, exercise and extra attention. These mice showed significant improvement in long-term potentiation (LTP), a form of neural transmission that is key to memory formation. Surprisingly, their offspring also showed LTP improvement, even when the offspring got no extra attention.

그러나 후생유전이 영원히 지속되지 않더라도, 후생유전은 대단히 강력할 수 있습니다. 2009년 2월, 신경과학저널은 기억조차도 후생유전학을 통해 한 세대에서 다음 세대로 향상될 수 있다는 것을 보여주는 논문을 발표했습니다. 이 논문은 터프츠 대학의 생화학자인 래리 페이그가 이끄는 쥐들을 대상으로 한 실험에 대해 설명했습니다. 페이그의 팀은 유전적 기억력에 문제가 있는 쥐들을 장난감, 운동, 그리고 특별한 주의가 풍부한 환경에 노출시켰습니다. 이 쥐들은 기억 형성에 핵심인 신경 전달의 한 형태인 장기 강화 (LTP)에서 상당한 개선을 보였습니다. 놀랍게도, 심지어 자손들이 특별한 주의를 받지 못했을 때도, 그들의 자손들은 LTP 개선을 보였습니다.

All this explains why the scientific community is so nervously excited about epigenetics. In his forthcoming book The Genius in All of Us: Why Everything You’ve Been Told About Genetics, Talent and IQ Is Wrong, science writer David Shenk says epigenetics is helping usher in a “new paradigm” that “reveals how bankrupt the phrase ‘nature versus nurture’ really is.” He calls epigenetics “perhaps the most important discovery in the science of heredity since the gene.”

이 모든 것은 과학계가 후생유전학에 대해 초조하게 흥분하는 이유를 설명합니다. 그의 곧 출간될 책 "The Genius in Us: Why Everything About Genetics, Talent and IQ Is Wrong"에서 과학 작가 David Shenk는 후성유전학이 "'자연 대 양육'이라는 말이 실제로 얼마나 파산했는지를 보여주는 "새로운 패러다임"의 문을 여는 데 도움을 주고 있다고 말합니다. 그는 후성유전학을 "아마도 유전자 이후 유전학에서 가장 중요한 발견일 것"이라고 부릅니다.

Geneticists are quietly acknowledging that we may have too easily dismissed an early naturalist who anticipated modern epigenetics–and whom Darwinists have long disparaged. Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) argued that evolution could occur within a generation or two. He posited that animals acquired certain traits during their lifetimes because of their environment and choices. The most famous Lamarckian example: giraffes acquired their long necks because their recent ancestors had stretched to reach high, nutrient-rich leaves.

유전학자들은 다윈주의자들이 오랫동안 폄하해 온 현대 후생유전학을 기대했던 초기 자연주의자를 우리가 너무 쉽게 일축했을 수도 있다는 것을 조용히 인정하고 있습니다. 장 밥티스트 라마르크 (1744년-1829년)는 진화는 한 세대나 두 세대 안에 일어날 수 있다고 주장했습니다. 그는 동물들이 일생 동안 환경과 선택 때문에 특정한 특성을 얻었다고 가정했습니다. 가장 유명한 라마르크의 예로는 기린의 최근 조상이 영양이 풍부한 높은 잎에 도달하기 위해 몸을 쭉 뻗었기 때문에 긴 목을 갖게 되었다는 것입니다.

In contrast, Darwin argued that evolution works not through the fire of effort but through cold, impartial selection. By Darwinist thinking, giraffes got their long necks over millennia because genes for long necks had, very slowly, gained advantage. Darwin, who was 84 years younger than Lamarck, was the better scientist, and he won the day. Lamarckian evolution came to be seen as a scientific blunder. Yet epigenetics is now forcing scientists to re-evaluate Lamarck’s ideas.

이와 대조적으로, 다윈은 진화는 노력의 불을 통해서가 아니라 냉정하고 공정한 선택을 통해서 이루어진다고 주장했습니다. 다윈주의적 사고에 따르면, 기린은 긴 목에 대한 유전자가 매우 천천히 유리했기 때문에, 천년이 넘는 기간 동안 긴 목을 가지게 되었습니다. 라마르크보다 84세 어린 다윈은 더 나은 과학자였고, 그는 그날 상을 받았습니다. 라마르크의 진화는 과학적인 실수로 여겨지게 되었습니다. 그러나 후생유전학은 이제 과학자들이 라마르크의 생각을 재평가하도록 강요하고 있습니다.

Solving the Overkalix Mystery

By early 2000, it seemed clear to Bygren that the feast and famine years in 19th century Norrbotten had caused some form of epigenetic change in the population. But he wasn’t sure how this worked. Then he ran across an obscure 1996 paper by Dr. Marcus Pembrey, a prominent geneticist at University College London.

Overkalix 미스터리 해결

2000년 초까지 Bygren은 19세기 Norrbotten의 축제와 기근이 인구에 일종의 후생적 변화를 일으켰다는 것이 분명해 보였습니다. 그러나 그는 이것이 어떻게 작동하는지 확신하지 못했습니다. 그러다가 그는 University College London의 저명한 유전학자인 Dr. Marcus Pembrey가 쓴 1996년의 알려지지 않은 논문을 우연히 발견했습니다.

Published in the Italian journal Acta Geneticae Medicae et Gemellologiae, Pembrey’s paper, now considered seminal in epigenetic theory, was contentious at the time; major journals had rejected it. Although he is a committed Darwinist, Pembrey used the paper–a review of available epigenetic science–to speculate beyond Darwin: What if the environmental pressures and social changes of the industrial age had become so powerful that evolution had begun to demand that our genes respond faster? What if our DNA now had to react not over many generations and millions of years but, as Pembrey wrote, within “a few, or moderate number, of generations”?

이탈리아 저널 Acta Geneticae Medicae et Gemellologiae에 게재된 Pembrey의 논문은 현재 후생유전학 이론에서 중요한 것으로 간주되지만 당시에는 논쟁의 여지가 있었습니다. 주요 저널에서는 이를 거부했습니다. 그는 열성적인 다윈주의자이지만 후성유전학에 대한 리뷰인 논문을 사용하여 다윈 이후의 추측을 했습니다. 산업 시대의 환경적 압력과 사회적 변화가 너무 강력해져서 진화가 우리 유전자의 반응을 요구하기 시작했다면 어떨까요? 더 빠르게? 만약 우리의 DNA가 이제 여러 세대, 수백만 년에 걸쳐 반응하지 않고, Pembrey가 쓴 것처럼 "몇 세대 또는 중간 정도의 세대" 내에 반응해야 한다면 어떻게 될까요?

This shortened timetable would mean that genes themselves wouldn’t have had enough years to change. But, Pembrey reasoned, maybe the epigenetic marks atop DNA would have had time to change. Pembrey wasn’t sure how you would test such a grand theory, and he put the idea aside after the Acta paper appeared. But in May 2000, out of the blue, he received an e-mail from Bygren–whom he did not know–about the Overkalix life-expectancy data. The two struck up a friendship and began discussing how to construct a new experiment that would clarify the Overkalix mystery.

이렇게 단축된 시간표는 유전자 자체가 변화할 시간이 충분하지 않다는 것을 의미합니다. 그러나 Pembrey는 아마도 DNA 위에 있는 후생유전학적 표시가 바뀔 시간이 있었을 것이라고 추론했습니다. Pembrey는 그러한 거대한 이론을 어떻게 테스트할 것인지 확신하지 못했고 Acta 논문이 나온 후에 그 아이디어를 제쳐두었습니다. 그러나 2000년 5월, 그는 갑자기 Bygren으로부터 Overkalix의 기대수명 데이터에 관한 이메일을 받았습니다. 두 사람은 우정을 쌓고 Overkalix 미스터리를 명확히 할 새로운 실험을 구성하는 방법에 대해 논의하기 시작했습니다.

Pembrey and Bygren knew they needed to replicate the Overkalix findings, but of course you can’t conduct an experiment in which some kids starve and others overeat. (You also wouldn’t want to wait 60 years for the results.) By coincidence, Pembrey had access to another incredible trove of genetic information. He had long been on the board of the Avon Longitudinal Study of Parents and Children (ALSPAC), a unique research project based at the University of Bristol, in England. Founded by Pembrey’s friend Jean Golding, an epidemiologist at the university, ALSPAC has followed thousands of young people and their parents since before the kids were born, in 1991 and 1992. For the study, Golding and her staff recruited 14,024 pregnant mothers–70% of all the women in the Bristol area who were pregnant during the 20-month recruitment period.

펨브레이와 바이그렌은 오버칼릭스 연구 결과를 복제할 필요가 있다는 것을 알고 있었지만, 물론 어떤 아이들은 굶고 다른 아이들은 과식하는 실험을 할 수는 없습니다. (당신은 결과가 나오기를 60년이나 기다리는 것도 원하지 않을 것입니다.) 우연히, 펨브레이는 또 다른 놀라운 유전 정보에 접근할 수 있었습니다. 그는 오랫동안 영국 브리스톨 대학에 기반을 둔 독특한 연구 프로젝트인 에이본 부모와 아이들에 대한 종단 연구(ALSPAC)의 이사회에 있었습니다. 이 대학의 전염병학자인 펨브레이의 친구 장 골딩이 설립한 ALSPAC은 아이들이 태어나기 전부터 1991년과 1992년에 수천 명의 젊은이들과 그들의 부모들을 따라왔습니다. 이 연구를 위해, 골딩과 그녀의 직원들은 브리스톨 지역의 모든 여성들 중 20개월 모집 기간 동안 임신한 14,024명의 임산부를 모집했습니다.

The ALSPAC parents and kids have undergone extensive medical and psychological testing every year since. Recently, I met an ALSPAC baby, Tom Gibbs, who is now a sturdy 17-year-old. I accompanied him as clinicians measured his height (178 cm, or 5 ft. 8 in., not including spiked blond hair), the bone density of his left femur (1.3 g/sq cm, which is above average) and a host of other physical traits.

ALSPAC의 부모와 아이들은 그 이후로 매년 광범위한 의학적, 심리적 검사를 받아왔습니다. 최근에 저는 ALSPAC의 아기 톰 깁스를 만났는데, 그는 이제 17살이고 건장합니다. 저는 임상의들이 그의 키(178cm, 즉 5피트 8인치, 뾰족한 금발은 제외), 왼쪽 대퇴골의 골밀도(1.3g/sqcm, 평균보다 높은), 그리고 많은 다른 신체적 특징들을 측정할 때 동행했습니다.

All this data collection was designed from the outset to show how the individual’s genotype combines with environmental pressures to influence health and development. ALSPAC data have offered several important insights: baby lotions containing peanut oil may be partly responsible for the rise in peanut allergies; high maternal anxiety during pregnancy is associated with the child’s later development of asthma; little kids who are kept too clean are at higher risk for eczema.

이 모든 데이터 수집은 개인의 유전자형이 어떻게 환경적 압력과 결합하여 건강과 발달에 영향을 미치는지 보여주기 위해 처음부터 설계되었습니다. ALSPAC 데이터는 몇 가지 중요한 통찰력을 제공했습니다. 땅콩기름을 함유한 베이비 로션은 땅콩 알레르기 증가에 부분적으로 책임이 있을 수 있습니다. 임신 중 산모의 높은 불안은 아이의 나중에 천식 발병과 관련이 있습니다. 너무 깨끗하게 관리되는 어린 아이들은 습진에 걸릴 위험이 더 높습니다.

But Pembrey, Bygren and Golding–now all working together–used the data to produce a more groundbreaking paper, the most compelling epigenetic study yet written. Published in 2006 in the European Journal of Human Genetics, it noted that of the 14,024 fathers in the study, 166 said they had started smoking before age 11–just as their bodies were preparing to enter puberty. Boys are genetically isolated before puberty because they cannot form sperm. (Girls, by contrast, have their eggs from birth.) That makes the period around puberty fertile ground for epigenetic changes: If the environment is going to imprint epigenetic marks on genes in the Y chromosome, what better time to do it than when sperm is first starting to form?

하지만 펨브레이, 바이그렌, 골딩은 – 지금까지 쓰여진 가장 강력한 후생유전학적 연구인 보다 획기적인 논문을 만들기 위해 이 데이터를 사용했습니다. 2006년 유럽 인간유전학저널에 발표된 이 연구에서 14,024명의 아버지들 중 166명이 자신의 몸이 사춘기에 진입할 준비를 하고 있을 때 – 11세 이전에 흡연을 시작했다고 말했습니다. 남자 아이들은 정자를 형성할 수 없기 때문에 사춘기 이전에 유전적으로 격리됩니다. (반대로, 여자 아이들은 태어날 때부터 난자를 가지고 있습니다.) 이것은 사춘기 전후를 후생유전학적 변화를 위한 비옥한 땅으로 만듭니다. 만약 환경이 Y 염색체의 유전자에 후생유전학적 표시를 각인시킬 것이라면, 정자가 처음 형성되기 시작할 때보다 언제쯤 흡연을 시작하는 것이 좋을까요?

When Pembrey, Bygren and Golding looked at the sons of those 166 early smokers, it turned out that the boys had significantly higher body mass indexes than other boys by age 9. That means the sons of men who smoke in prepuberty will be at higher risk for obesity and other health problems well into adulthood. It’s very likely these boys will also have shorter life spans, just as the children of the Overkalix overeaters did. “The coherence between the ALSPAC and Overkalix results in terms of the exposure-sensitive periods and sex specificity supports the hypothesis that there is a general mechanism for transmitting information about the ancestral environment down the male line,” Pembrey, Bygren, Golding and their colleagues concluded in the European Journal of Human Genetics paper. In other words, you can change your epigenetics even when you make a dumb decision at 10 years old. If you start smoking then, you may have made not only a medical mistake but a catastrophic genetic mistake.

펨브레이, 바이그렌, 골딩이 166명의 초기 흡연자들의 아들들을 조사했을 때, 이 소년들은 9세까지 다른 소년들보다 훨씬 더 높은 체질량 지수를 가지고 있는 것으로 밝혀졌습니다. 이것은 사춘기 이전에 담배를 피우는 남성들의 아들들이 성인이 될 때까지 비만과 다른 건강 문제에 더 높은 위험에 처하게 된다는 것을 의미합니다. 오버칼릭스 과식가들의 아이들이 그랬던 것처럼, 이 소년들도 수명이 더 짧을 가능성이 매우 높습니다. "ALSPAC와 오버칼릭스 사이의 일관성은 노출에 민감한 기간과 성 특이성의 관점에서 볼 때, 남성 계통 아래로 조상의 환경에 대한 정보를 전달하는 일반적인 메커니즘이 있다는 가설을 뒷받침합니다." 펨브레이, 바이그렌, 골딩과 그들의 동료들은 유럽 인간 유전학 저널 논문에서 결론을 내렸습니다. 다시 말해서, 여러분은 10살 때 바보 같은 결정을 내릴 때도 후성유전학을 바꿀 수 있다는 것입니다. 만약 여러분이 그 때 담배를 피우기 시작했다면, 여러분은 의학적인 실수뿐만 아니라 재앙적인 유전적 실수를 했을지도 모릅니다.

Exploring Epigenetic Potential

How can we harness the power of epigenetics for good? In 2008 the National Institutes of Health (NIH) announced it would pour $190 million into a multilab, nationwide initiative to understand “how and when epigenetic processes control genes.” Dr. Elias Zerhouni, who directed the NIH when it awarded the grant, said at the time–in a phrase slightly too dry for its import–that epigenetics had become “a central issue in biology.”

후생유전학적 가능성 탐색

후생유전학의 힘을 어떻게 영원히 이용할 수 있을까요? 2008년 미국 국립보건원은 "후생유전학 과정이 유전자를 통제하는 방법과 시기"를 이해하기 위한 종합적이고 전국적인 계획에 1억 9천만 달러를 쏟아 부을 것이라고 발표했습니다. NIH가 보조금을 수여할 때 감독을 맡았던 엘리아스 제르후니 박사는 당시 후생유전학이 "생물학의 중심적인 문제"가 되었다고 말했습니다

This past October, the NIH grant started to pay off. Scientists working jointly at a fledgling, largely Internet-based effort called the San Diego Epigenome Center announced with colleagues from the Salk Institute–the massive La Jolla, Calif., think tank founded by the man who discovered the polio vaccine–that they had produced “the first detailed map of the human epigenome.”

지난 10월, NIH 보조금이 결실을 맺기 시작했습니다. 샌디에고 후생유전체 센터(San Diego Epigenome Center)에서 공동으로 일하는 과학자들은 소아마비 백신을 발견한 사람이 설립한 거대한 캘리포니아 라호야의 싱크탱크인 솔크 연구소(Salk Institute)의 동료들과 함께 "인간 후생유전체에 대한 최초의 상세한 지도"를 만들었다고 발표했습니다

The claim was a bit grandiose. In fact, the scientists had mapped only a certain portion of the epigenomes of two cell types (an embryonic stem cell and another basic cell called a fibroblast). There are at least 210 cell types in the human body–and possibly far more, according to Ecker, the Salk biologist, who worked on the epigenome maps. Each of the 210 cell types is likely to have a different epigenome. That’s why Ecker calls the $190 million grant from NIH “peanuts” compared with the probable end cost of figuring out what all the epigenetic marks are and how they work in concert.

주장은 좀 거창했습니다. 사실, 과학자들은 두 가지 세포 유형(배아줄기세포와 섬유아세포라고 불리는 또 다른 기본 세포)의 후생유전체의 특정 부분만을 지도로 만들었습니다. 후생유전체 지도를 작업한 Salk 생물학자 Ecker에 따르면, 인간의 몸에는 적어도 210개의 세포 유형이 있고, 아마도 훨씬 더 많을 것입니다. 210개의 세포 유형 각각은 다른 후성유전체를 가질 가능성이 있습니다. 그것이 Ecker가 NIH로부터의 1억 9천만 달러의 보조금을 무엇인지 그리고 그것들이 어떻게 조화를 이루는지를 알아내기 위한 가능한 최종 비용과 비교하여 "완두콩"이라고 부르는 이유입니다.

Remember the Human Genome Project? Completed in March 2000, the project found that the human genome contains something like 25,000 genes; it took $3 billion to map them all. The human epigenome contains an as yet unknowable number of patterns of epigenetic marks, a number so big that Ecker won’t even speculate on it. The number is certainly in the millions. A full epigenome map will require major advances in computing power. When completed, the Human Epigenome Project (already under way in Europe) will make the Human Genome Project look like homework that 15th century kids did with an abacus.

인간 게놈 프로젝트를 기억하시나요? 2000년 3월에 완료된 그 프로젝트는 인간 게놈이 25,000개의 유전자를 포함하고 있다는 것을 발견했습니다; 그것들을 모두 지도로 그리는데 30억 달러가 걸렸습니다. 인간 후생유전체는 아직 알 수 없는 수의 후생유전자 표시 패턴을 포함하고 있는데, 이 숫자는 에커가 추측조차 하지 못할 정도로 큰 숫자입니다. 그 숫자는 확실히 수백만 개입니다. 완전한 후생유전체 지도는 컴퓨팅 능력에 있어서 주요한 발전을 요구할 것입니다. 완성될 때, (이미 유럽에서 진행 중인) 인간 후생유전체 프로젝트는 인간 게놈 프로젝트를 15세기 아이들이 주판을 가지고 했던 숙제처럼 보이게 만들 것입니다.

But the potential is staggering. For decades, we have stumbled around massive Darwinian roadblocks. DNA, we thought, was an ironclad code that we and our children and their children had to live by. Now we can imagine a world in which we can tinker with DNA, bend it to our will. It will take geneticists and ethicists many years to work out all the implications, but be assured: the age of epigenetics has arrived.

하지만 그 가능성은 엄청납니다. 수십 년 동안, 우리는 거대한 다윈의 장애물 주위에서 비틀거리며 살아왔습니다. 우리는, DNA가 우리와 우리의 아이들, 그리고 그들의 아이들이 지켜야 하는 철통같은 코드라고 생각했습니다. 이제 우리는 DNA를 만지고, 우리의 의지대로 구부릴 수 있는 세상을 상상할 수 있습니다. 유전학자들과 윤리학자들이 모든 영향을 알아내려면 수년이 걸리겠지만, 확실한 것은, 후생유전학의 시대가 왔다는 것입니다.