이 책의 원제는 The Epigenetics Revolution: How Modern Biology is rewriting Our Understanding of Genetics, Disease, and Inheritance
"후성유전학 혁명 :현대 생물학은 유전학, 질병, 유전에 대하여 어떻게 다시쓰고 있는가" 이다.
후성유전학이란 유전적으로 동일한 두 개체의 표현형이 서로 아주 다르게 나타나는 현상을 설명하는 학문이다 유전자 대본과 최종 결과 사이의 이 부조화를 초래하는 메커니즘이 분명히 있을 것이다. 이러한 후성유전 효과는 어떤 종류의 물리적 변화, 다시 말해서 살아 있는 모든 생물 세포를 이루는 분자들의 배열에 일어난 어떤 변화가 그 원인이 되었을 게 분명하다. 분자 차원에서 말하자면, 후성유전은 우리의 유전 물질에 일어난 변형으로 정의할 수 있는데, 이 변형은 유전자 자체를 변화시키지는 않지만, 유전자의 스위치를 켜거나 끄는 방식을 변화시킨다.
유전자를 건드리지 않고 단지 유전자의 스위치를 켜거나 끄는 방식을 인위적으로 변화시킴으로써 생명체 자체의 변화를 꾀하고자 하는 실험이 40여 년 전부터 시도돼왔다. 이로부터 '줄기세포'가 등장하게 된다. 줄기세포는 심장세포나 뇌세포와 같이 분화가 완전히 끝난 상태가 아닌, 그리하여 적절한 조건이 주어지면 어떤 신체 기관으로도 분화가 가능한 세포를 의미한다.
유전자 유전이 모든것을 결정한다는 개념이 지배적인 학설로 군림하던 때가 있었다. 그러나 최근의 연구를 통해 우리는 이것이 사실이 아님을 보았다. 같은 대본이라도 세포의 상황에 따라 서로 다르게 사용될 수 있기 때문이다. 이제 이 분야는 강경파 후성유전학자들이 DNA 암호의 중요성을 최소한으로 깍아내리려고 하면서 정반대 방향으로 쏠릴 위험에 처했는지도 모른다. 물론 진실은 그 중간의 어딘가에 있을 것이다.
인체를 이루는 약 50조 개의 세포는 모두 단세포 접합자(zygote)가 생성된 뒤 세포가 분열할 때마다 매번 DNA를 완벽하게 복제한 결과로 생겨난다. 각각의 세포에는 약 60억 개의 염기로 이루어진 DNA(절반은 아버지에게서, 나머지 절반은 어머니에게서 온)가 들어 있다. 이 60억 개의 염기 서열을 게놈 또는 유전체라 부른다.
후성유전학이 유전자 발현을 조절하는 방식은 영화의 대본에 감독의 메모가 추가되어 배우들에게 전달되는 방식과 같다. 서로 다른 세포들도 똑같은 DNA 청사진(작가가 쓴 원래 대본)을 갖고 있지만, 분자적으로 변형된 지시 사항(촬영 대본)이 많이 추가돼 있으며, 세포 분열이 일어날 때 이것은 모세포에서 딸세포로 전달될 수 있다
후성유전적 변형이 유전자 암호에 아무 변화도 가져오지 않는다면, 도대체 어떤 일을 하는 걸까? 기본적으로 후성유전적 변형은 어떤 유전자가 발현되는 정도에 혹은 유전자의 발현 유무에 극적인 변화를 가져올 수 있다. 휴성유전적 변형은 또한 세포가 분열할 때 전달되는데, 이 점은 모세포에서 딸세포로 세대가 변하더라도 유전자 발현을 일관되게 제어할 수 있는 메커니즘을 제공한다. 피부 줄기세포가 피부세포만 더 만들 수 있을 뿐, 다른 종류의 세포는 만들 수 없는 이유는 이 때문이다.
최초로 확인된 후성유전적 변형은 DNA 메틸화이다. DNA 메틸화는 유전자가 발현되는 방식에 큰 영향을 미치고, 결국에는 세포와 조직과 전체 몸의 기능에 큰 영향을 미친다 . 메틸화 정도가 높을수록 분자 변형이 더 억제된다. 메틸화를 판독하는 기능에 결함이 있으면 심각한 신경 장애를 초래하기도 한다.
DNA 메틸화와 마찬가지로 라이신 아세틸화(히스톤 변형)도 유전자 서열을 변화시키지 않으면서 유전자 발현에 변화를 가져오는 후성유전학적 메커니즘이다.
히스톤 변형과 DNA 메틸화는 아주 중요한 차이점이 있다. DNA 메틸화는 아주 안정적인 후성유전적 변화다. 일단 어떤 DNA 지역이 메틸화되면, 대부분의 조건에서 메틸화된 상태를 그대로 유지하는 경향을 보인다. 신경세포가 신경세포로 남아 있고, 눈앞에 이가 나지 않도록 하는 것은 이때문이다. 히스톤 변형은 대개 이것보다 훨씬 탄력적이다. 특정 유전자의 한 히스톤에 특정 변형이 일어났다가 다시 제거될 수 있으며, 나중에 다시 변형이 일어날 수 있다. 이런 일은 세포핵 외부에서 오는 온갖 종류의 자극에 반응하여 일어난다. 어떤 종류의 세포들에서는 히스톤 코드가 호르몬에 반응해 변할 수 있다. 그런 호르몬으로는 근육세포에 신호를 보내는 인슐린, 월경 주기 동안에 유방세포에 영향을 미치는 에스트로겐 등이 있다. 뇌에서 히스톤 코드는 코카인 같은 중독성 약물에 반응해 변할 수 있는 반면, 창자벽에 있는 세포들은 창자에 사는 세균들이 만드는 지방산의 양에 따라 후성유전적 변형 패턴이 변한다. 히스톤 코드에 일어나는 이러한 변화는 앙육(환경)이 본성(유전자)과 상호작용하여 지구에서 더 고등한 생물의 복잡성을 만들어내는 주요 방법 중 하나이다.
유전적으로 동일한 개인도 태어날 당시에 이미 후성유전적으로 차이가 있으며(자궁에서 발달하는 동안), 이러한 후성유전적 차이는 나이를 먹고 서로 다른 환경에 노출되면서 더 커진다.
임신 초기의 석 달 동안 심한 영양실조를 겪은 어머니에게서 태어난 사람은 조현병에 걸리는 비율이 평균보다 높았다. 이들은 태어날 당시에는 아주 건강해 보였지만, 자궁 속에서 발달 초기에 일어난 일이 수십 년 후까지 이들의 삶에 영향을 미쳤다.
