이번 주 Science News (2007. 9. 8)에서는 패트릭 배리(Patrick Barry)의 '유전체 2.0(Genome 2.0), 수많은 새로운 데이터들은 오래된 개념에 도전하고 있다” 라는 제목의 글을 게재하였다.[1] 유전학자들은 지난 수년 동안의 연구에 대한 한 놀라운 결론에 도달했다는 것이다. 그것은 만약 유전자(genes)들이 하나의 개념(a concept)으로서 존재한다면, 유전자들은 DNA에서 가장 중요한 것들이 아니라는 것이다. 

와트슨(Watson)과 크릭(Crick)이 DNA 구조를 발견한 이후, 유전학(genetics)에서 ‘중심 학설(central dogma)’은 유전 정보는 유전자로부터 단백질로 일 방향(one-way)으로 흘러가는 것이라는 것이었다. 교과서에 의하면, 하나의 유전자는 DNA의 한 유한한 펼쳐짐(a finite stretch)으로 추정되어졌었다. 번역 과정에 의해서 읽혀졌을 때, 이것은 하나의 전령 RNA(messenger RNA)를 만들고, 이것은 하나의 단백질을 구성하는 아미노산들을 모으기 위해서 운반 RNA(transfer RNAs)들로 보충되어진다.       
   
패트릭 배리가 그의 글 ‘유전체 2.0’에서 묘사했던 것처럼[2], 실제 세포에서 그 상황은 훨씬 더 어질러져(much messier) 있다는 것이다. 그 글의 소제목들은 ‘네트워크 같은 유전체’, ‘유전자는 죽었다’ 등으로, 오직 유전자들만 중요하다는 ‘현대 정설(modern orthodoxy)’을 포함하여, 산처럼 쌓여지고 있는 새로운 데이터들은 오래된 유전학 개념들을 거부하고 있다는 것이다.    

그러나 연구자들은 유전자(genes)들이 유전체(genome)의 단지 1.5% 만을 차지한다는 것을 천천히 깨닫고 있었다. '정크 DNA(junk DNA, 쓰레기 DNA)'라고 불려졌던 나머지 98.5%는 수십억 년 동안의 무작위적인 유전적 돌연변이에 의해 남겨진 쓸모없는 조각들로 간주되어졌었다. 유전학의 지식은 발전하고 있었지만, 이 기본 그림은 대게 의심되지 않고 있었다....     

완전한 인간 유전체(human genome)에 대한 더 정밀한 조사는 이제 과학자들에게 이전에 정리되어졌다고 생각했던 몇몇 질문들로 되돌아가도록 하는 원인이 되고 있었다. 그 질문 중 하나는 하나의 유전자라는 것은 무엇인가 라는 것이었다.   

유전체 시대(genomic era)에 새롭게 발견되어진 몇몇 사항들은 다음과 같다 :  

▶사람 유전체(human genome)는 예상했던 것보다 훨씬 적은 유전자들을 가지고 있다.

▶일부 하등동물들도 사람만큼 많은 유전자들을 가지고 있다. (예, 05/01/2007).

▶사람 유전체의 대부분은 유전자들을 위한 암호를 가지고 있지 않다. 

▶단백질들을 위한 암호는 유전체의 먼 부분에 서로 사이를 두고 분리되어져 있을 수 있다. 심지어 다른 염색체에 있을 수도 있다.[2]   

▶한때 진화적 쓰레기(evolutionary junk, 06/15/2007)로 생각되어졌던 비암호화된 DNA(non-coding DNA)는 사실 유전자 조절(gene regulation, 04/24/2007)에 깊이 관여하고 있음이 밝혀지고 있다.

▶유전정보의 처리는 유전자들의 정적 도서관(static library) 보다는 하나의 네트워크(network)처럼 작용하고 있다.

▶RNA 전사(RNA transcripts)는 유전자 전사(gene transcripts)보다 훨씬 더 수적으로 우세하다 : 유전체의 약 74-93% 까지 된다.  
  
▶RNA는 세포에서 하나의 전령(messenger)보다 더 많은 일들을 한다. 수많은 작고 미세한 RNA 전사들은 단백질 생산의 ‘미세한 조정(fine tuning)’에 깊이 관여하고 있다. 

▶유전자 조절(gene regulation)은 유전자 자체보다 더 중요한 것으로 보여진다.

▶과학자들은 이전에 쓰레기(junk)로 간주되고 있던 유전체의 부분들에서 질병관련 돌연변이들을 발견하고 있는 중이다.

▶일부 유전자들은 micro-RNAs 또는 조절요소(regulatory elements)들을 위한 암호들과 중복되고 있다.

▶유전자들은 한 단백질보다 훨씬 더 많은 것들을 산출할 수 있는 다중 경로(multiple ways)로 읽혀질 수 있다. (alternative splicing; see 05/20/2007).

▶전령 RNA 전사는 핵 안에서 중요한 변경과 조절을 진행한다.

▶번역과정(translation process)은 심지어 반대 가닥(opposing strand)으로부터 전사들을 낳을 수도 있다.[3]

DNA 암호가 전령 RNA를 통해 단백질들을 만든다는 것은 논란의 여지가 없다. 그리고 단백질들이 세포에서 주요한 구조적 기능적 작용을 한다는 것도 논란의 여지가 없다. 그러나 매사츄세츠 캠브리지의 화이트헤드 연구소(Whitehead Institute)의 후이 지(Hui Ge)가 말했던 것처럼, '우리가 이전에 중요하다고 생각했던 것은 정말로 단지 빙산의 일각에 불과했다.” 배리는 유전자들의 조절이 유전자들 자체보다 훨씬 더 중요할 수 있음을 설명하기 위해서 집의 비유를 사용하고 있었다 :

침대 하나 있는 방갈로와 3층짜리 호화 맨션의 차이점을 생각해 보라. 둘 다 기둥, 벽돌, 전선, 가스배관 등과 같은 거의 동일한 재료들로 만들어졌다. 그리고 둘 다 망치, 톱, 못, 나사 등과 같은 도구들로 만들어졌다. 맨션을 더욱 복잡하도록 만든 것은, 맨션의 건축은 각 재료들과 도구들이 언제 어디서 어떻게 사용되어져야만 하는지를 일일이 지정하여 놓은 세부 지침들에 의해서 지휘되어졌다는 것이다.  

세포에서 단백질들은 언제, 어디서, 어떻게 만들어져서 언제, 어디서, 어떻게 작동되어야 하는지가 정교하게 조절되어지고 있다. 만약 유전체가 한 생물체의 일련의 청사진(blueprints)이라면, RNA 조절 네트워크는 조립 지령(assembly instructions)들이다. 사실 일부 과학자들은 유전체 조절에 있어서 이들 추가적 복잡성은 오랜 기간동안 하나의 수수께끼로 남아있을 것이라고 생각하고 있다.   

....하나의 수수께끼는 인간 유전체에는 예상 외로 적은 수의 유전자들이 있다는 것이다. 그것은(유전자 조절은) 서로 비슷한 수의 단백질 암호 유전자들을 가지고 있는 인간과 회충(roundworms) 사이의 물리적 차이를 설명해주고 있을 지도 모른다. 

배리의 글은 유전학의 중심 학설(Central Dogma)과 심지어 유전자 자체 개념에 대해 심각한 의문을 던지고 있는 다수의 논문들을 잘 요약하고 있었다 :  

더 근본적으로, 그것은 하나의 유전자를 구성하는 것이 무엇인가에 대한 과학자들의 개념을 흐리게 하고 있다. 확립된 정의에 의하면, 하나의 유전자는 세포 안에서 하나의 확인된 단백질을 만드는 DNA의 한 분리된 부분이다. 그러나 한 단백질의 기능은 자주 그 활동을 조절하는 RNAs 무리들에 의존한다. 만약 한 단백질의 암호 유전자가 되는 것으로 알려진 DNA의 한 부분이 또한 다른 여러 유전자들에 필수적인 조절 RNAs들을 만든다면, 마찬가지로 그것은 다른 유전자들의 한 부분이 될 수 있는 것이 아닌가?   

일부 과학자들은 유전자(genes)들로부터 ‘기능적 RNA 전사(functional RNA transcripts)’들로 우리의 초점이 변화하고 있다고 홍보하고 있다. 그러나 그것은 문제점을 단지 이동시키는 것에 불과하다. 만약 DNA가 하나의 수동적 암호(passive code)라면, 그것을 작동시키기 위한 암호는 무엇인가? 만약 이제 전사들의 네트워크를 통한 유전자 조절이 유전자들 자체보다 더 중요하다면, 그 조절자들은 무엇이 조절하는가? 유전체 3.0(Genome 3.0)이 나와야 할 것이다.   

[1] Patrick Barry, 'Genome 2.0,” Science News, Week of Sept. 8, 2007; Vol. 172, No. 10 , p. 154.
[2] 'The ENCODE project revealed that about 90 percent of protein-coding genes possessed previously unknown coding fragments that were located far from the main gene, sometimes on other chromosomes.”
[3] 'According to the ENCODE project results, up to 72 percent of known genes have transcripts on the facing DNA strand as well as the main strand.”

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이 주제는 이전의 많은 글들에서 다루어져 왔었다 (06/15/2007, 12/29/2006 bullet 2, 11/09/2006, 07/06/2006을 보라). 이것은 과학 분야에서 패러다임의 변화(paradigm change)가 우리 눈앞에서 일어나고 있음을 보여주는 하나의 전형적인 케이스이다. 유전자와 같은 직관적으로 분명한 단어에 의해서 의미되어졌던 것까지도 의문시되고 있는 중이다 : 유전자라는 것이 있는가? 그것은 물리적 실체를 가지고 있는가? 그것은 고도의 이해하기 어려운 실체에 대해서 사람이 부여해놓은 마음의 그림인가? 네트워크(network)라는 전문가들이 쓰는 새로운 통용어가 등장하고 있다. 그러나 그 단어가 가지고 있는 정확한 특성은 무엇인가? 네트워킹이란 개체들 자체보다 개체들 간의 상호작용에 더 초점을 두는 단어이다. 그것은 네트워크의 노드(nodes)들보다 게임의 규칙(rules)이 더 중요함을 의미한다. 어떻게 그것이 물질주의적 세계관 하에서 적합할 수 있다는 것인가?  
      
오늘날 과학이 점점 발전해가면서 밝혀지는 것들은, 세포 안에서는 와트슨과 크릭이 상상했던 것보다 훨씬 더 많은 정보의 가공 과정들이 일어나고 있다는 것이다. 그리고 그 과정들은 너무도 경이롭고 정교하다는 것이다. 이제 DNA에서 복사되어진 원 유전정보(raw genetic information)는 유전자들 혼자서 만들 수 있는 것의 62배가 되는 것으로 나타나고 있다고, 배리는 언급하고 있다. 그러므로 생명체의 기본적인 작동 단위는 비물리적(nonphysical)인 것으로서, 분자들이 아니라(not molecules) 정보(information)라는 것이다. 과학 분