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[강석기의 과학카페] 정자에 왜 후각수용체가 있을까?

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2018년 07월 31일 15:45 프린트하기

화학감각은 지구상에 출현한 움직이는 생명체에서 나타난 첫 번째 감각이었고, 오늘날 가장 원시적인 단세포생물이 우리와 함께 공유하는 것은 이 감각뿐이다.
- 레이첼 허즈, ‘욕망을 부르는 향기’에서

 

과학에서 새로운 발견은 보통 해당 분야를 이해하는 데 도움을 준다. 그러나 어떤 발견은 있는지도 몰랐던 현상을 드러내며 오히려 의문을 증폭시키기도 한다. 예를 들어 20년 전 초신성 관측 결과 우주가 가속팽창한다는 사실을 발견했지만 이를 설명하기 위해 제안한 척력, 즉 암흑에너지의 실체는 여전히 오리무중이다. 물론 이 관측을 한 천체물리학자들은 2011년 노벨물리학상을 받았지만.

 

 

후각수용체 유전자 발견 역시 적어도 필자에게는 그런 경우다. 이 발견으로 그동안 미스터리에 싸여있던 냄새 지각 과정이 명쾌히 밝혀졌지만, 문제는 후각수용체 유전자가 많아도 너무 많다는 것이다.

 


사람 유전자의 2%가 후각수용체 담당

 

1991년 미국 컬럼비아대 리처드 액설 교수 실험실에서 박사후연구원으로 있던 린다 벅은 쥐의 게놈에서 후각수용체 유전자 무리를 발견했다. 그런데 그 숫자가 1000개가 넘는 것으로 추정돼 사람들을 놀라게 했다. (훗날 1400여 개로 밝혀졌고 그 가운데 1000여 개가 기능을 하는 유전자이고 나머지는 기능을 잃은 위유전자(pseudogene)였다.) 쥐의 전체 유전자가 수만 개일 텐데 무려 1000개를 냄새 맡는데 쓴다는 건 엄청난 낭비로 보였기 때문이다. 물론 네발로 걷는 동물에게 후각이 생존에 그만큼 중요하다는 증거이기도 했다.

 

그런데 냄새를 잘 맡는 게 사는 데 별로 중요하지 않다고 여겨졌던 사람에서도 후각수용체 유전자가 900개에 이르고 기능을 하는 유전자도 400개 가까이 되는 것으로 밝혀졌다. 사람 유전자를 10만 개로 추정하던 당시 유전자의 0.4%가 여전히 후각에 할애돼 있다는 사실은 뜻밖이었다. 

 

그런데 2000년 인간게놈 해독으로 유전자 개수가 10만 개가 아니라 2만여 개라는 사실이 밝혀지면서 사람들은 경악했다. 사람 유전자의 2% 가까이가 냄새를 맡는 일을 한다는 뜻이기 때문이다. 쥐의 유전자도 비슷한 숫자로 밝혀졌고 따라서 쥐는 전체 유전자의 5%가 후각수용체 유전자다. 

 

이게 얼마나 충격적인 사실이었는가는 후각수용체 유전자를 발견한 두 사람이 2004년 노벨생리의학상을 받은 것만 봐도 알 수 있다. 

 

1990년대 화장품 회사의 연구소에서 4년 동안 향료 업무를 봤고 2000년부터는 과학기자로 일하며 이 과정을 지켜본 필자는 겉으로는 “그동안 무시했던 후각이 이렇게 중요한 감각!”이라며 기회가 있을 때마다 떠들었지만, 속으로는 ‘유전자에 짠돌이인 인간이 냄새를 맡는데 2%나 할당한다는 게 말이 되나?’라며 찜찜했다. 

 

사람이 아니라 쥐가 400개이고 사람은 100개 정도였다면 딱 좋았을 것이다. 후각수용체 100가지면 영장류가 생존에 필요한 냄새를 구별하는 데 충분하지 않을까. 향수나 와인의 복잡미묘한 향기를 구분하라고 400가지를 준비한 건 아닐 테니 말이다.

 

후각수용체 유전자의 다수가 코(후각상피)뿐 아니라 몸의 여러 조직에서 발현되고 다양한 기능을 한다는 사실이 밝혀졌다. - ‘생리학 리뷰’ 제공
후각수용체 유전자의 다수가 코(후각상피)뿐 아니라 몸의 여러 조직에서 발현되고 다양한 기능을 한다는 사실이 밝혀졌다. - ‘생리학 리뷰’ 제공

 

 

노이즈일까 아닐까?

 

학술지 ‘생리학 리뷰’ 7월호에는 필자의 오랜 의문에 대한 답이 될 수도 있는 내용을 담은 리뷰논문이 실렸다. 사람의 후각수용체 가운데 상당 부분이 코에서 냄새를 맡는 동시에 (또는 대신) 다른 일도 한다는 것이다. 즉 후각수용체는 코(비강의 후각상피)에 제한된 게 아니라 사실상 몸 전체에 분포해 있으면서 다양한 기능을 한다는 사실이 속속 밝혀지고 있다는 내용이다. 

 

심지어 코에서는 전혀 발현되지 않고 다른 조직에만 존재하는 ‘후각’수용체도 있다. 예를 들어 후각수용체 OR4N4는 오직 정자에서만 발현된다(그것도 꽤 많이). 따라서 이제는 후각수용체(olfactory receptor)라는 용어 대신 ‘화학수용체(chemoreceptor)’라는 일반적인 용어가 적절하다는 언급도 나온다. 참고로 후각과 미각처럼 분자가 직접 수용체에 달라붙어 신호를 전달하는 감각을 화학감각(chemical sense)이라고 부른다.

 

후각수용체 유전자가 코 이외의 장기에서도 발현된다는 사실이 처음 보고된 건 후각수용체 유전자 무리가 발견된 다음 해인 1992년이다. 그 뒤 비슷한 연구결과가 몇 건 나왔지만 한동안은 별다른 주목을 받지 못했다. 유전자 발현의 잡음(noise)으로 여겨졌기 때문이다. 즉 유전자 조절의 실수로 후각상피가 아닌 다른 조직에서 발현될 수 있지만 어떤 기능을 하는 건 아니라는 말이다.

 

그러나 유전자 발현 데이터가 쌓이면서 이런 현상을 단순한 잡음으로 볼 수 없다는 사실이 점차 분명해졌다. 특정 조직에서 일관되게 발현되는 후각수용체 유전자가 한두 개가 아니었기 때문이다. 게다가 몇몇 후각수용체의 경우 해당 조직에서 하는 역할도 밝혀졌다. 심지어 암이나 신경계질환의 발병과 진행에 후각수용체가 관여한다는 연구결과도 여럿 나왔다. 

 

후각수용체 유전자 400개의 미스터리를 이해하려면 후각이라는 틀을 벗어나야 한다는 말이다.

 

신체조직별 유전자 발현 패턴 분석 결과 적게는 몇 가지만 발현되는 간이나 골격근에서 많게는 60가지가 넘는 고환까지 사실상 모든 조직에서 후각수용체 유전자가 발현되는 것으로 나타났다. 우리가 온몸을 통해 냄새를 맡지 못하는 것은 신호가 뇌의 후각피질로 전달되지 않기 때문이다. 그렇다면 이들 후각수용체는 무슨 일을 하는 걸까.

 

후각수용체 유전자 발현 테이터로 특히 고환(testis)에서 여러 유전자가 발현됨을 알 수 있다. 색이 짙을수록 발현량이 많다. - ‘생리학 리뷰’ 제공
후각수용체 유전자 발현 테이터로 특히 고환(testis)에서 여러 유전자가 발현됨을 알 수 있다. 색이 짙을수록 발현량이 많다. - ‘생리학 리뷰’ 제공

 

 

원인불명 남성불임의 원인 가운데 하나

 

2003년 학술지 ‘사이언스’에는 정자의 꼬리(편모)에 존재하는 후각수용체 가운데 하나인 OR1D2가 정자의 움직임에 중요한 역할을 한다는 사실을 입증한 논문이 실렸다. OR1D2은 후각상피에도 존재하는데, 은은한 꽃향기가 나는 분자인 부르지오날(bourgeonal)을 감지한다. 정자가 있는 용액에 부르지오날을 넣자 정자의 운동성이 커진다는 사실이 밝혀졌다.

 

10년이 지난 2013년 학술지 ‘화학적 감각’에는 OR1D2가 원인불명 남성불임의 ‘원인’ 가운데 하나임을 시사하는 논문이 실렸다. 즉 불임인 남성 14명과 젊은 아빠 23명을 대상으로 꽃향기가 나는 분자 세 가지를 맡게 해 냄새 강도를 평가하게 했다. 그 결과 헬리오날(helional)과 PEA는 두 그룹에서 차이가 없었지만 유독 부르지오날은 불임 남성들이 냄새를 잘 못 맡았다. 즉 OR1D2에 문제가 생겨 정자의 활동력이 떨어진 게 불임으로 이어졌다는 말이다. 

 

후각상피에 존재하는 OR1D2는 숨을 들이쉴 때 콧구멍을 통해 들어오는 공기에 포함된 분자를 감지해(예를 들어 부르지오날) 그 정보를 뇌(후각피질)로 보내는 게 일이지만(뇌에서 ‘은은한 꽃향기’로 해석), 정자 꼬리 표면에 분포한 OR1D2가 원래 ‘맡는’ 분자는 부르지오날이 아닐 것이다. 

 

즉 이 경우는 정액에 있는 어떤 성분이나, 성관계로 정자가 여성의 질 속으로 들어갔을 때 그곳에 존재하는 물질이 OR1D2에 달라붙으면서 정자가 꼬리를 활기차게 움직이도록 신호를 전달할 것이다. 아직 이 물질의 실체를 밝히지는 못했지만 이와 관련한 연구결과가 있다.

 

즉 여성의 질분비물과 난포액(follicular fluid)에 존재하는 냄새분자 20가지 가운데 안드로스테논(androstenone)은 정자에서 발현되는 후각수용체 OR4D1이 인식하고 푸라논(furanone) 계열 분자는 OR7A5에 달라붙었다. 즉 정자에서 발현되는 후각수용체의 상당수는 질 내 ‘냄새’ 정보를 담당해 정자의 활동성을 결정하고 그 결과 수정에 영향을 미친다는 얘기다. 

 

수정이 일어나려는 찰라를 포착한 사진이다. 정자 꼬리 표면에 분포한 후각수용체가 활성화돼야 정자가 활발히 움직인다는 사실이 밝혀졌다. - 위키피디아 제공
수정이 일어나려는 찰라를 포착한 사진이다. 정자 꼬리 표면에 분포한 후각수용체가 활성화돼야 정자가 활발히 움직인다는 사실이 밝혀졌다. - 위키피디아 제공

 

 

버터의 풍미를 아는 혈액세포

 

피에는 다양한 종류의 혈액세포가 있는데 역시 다양한 후각수용체가 존재하는 것으로 밝혀졌다. 특히 버터의 향을 부여하는 냄새분자를 인식하는 후각수용체가 여럿 있다. 물론 버터향을 맡는 게 본 역할은 아닐 것이다. 아마도 혈액에 존재할 파트너 분자는 아직 밝히지 못했다.

 

놀랍게도 OR2AT4라는 후각수용체는 골수성백혈병과 관련된 것으로 밝혀졌다. OR2AT4는 후각상피에 존재하는데, 고급스런 나무향이 나는 냄새분자인 샌달로어(sandalore)를 인식한다. 그런데 백혈구 표면에도 OR2AT4가 존재한다. 샌달로어를 넣어 백혈구 암세포 표면의 OR2AT4를 활성화시켜 신호를 발생시키자 세포의 분열이 억제되고 세포사멸이 촉진된다는 사실이 밝혀졌다. 그 뒤 백혈구 표면에 존재하는 또 다른 후각수용체인 OR51B5도 인식하는 분자인 아이소노닐알코올(isononylalcohol)로 활성화시키자 암세포의 분열이 억제되는 것으로 나타났다. 정확한 메커니즘은 아직 모르지만 냄새분자로 백혈병을 치료할 수도 있다는 말이다.   

 

한편 췌장의 장크롬친화세포 표면에 존재하는 후각수용체 OR2J3는 세로토닌 분비에 관련된 것으로 밝혀졌다. 참고로 OR2J3는 후각상피에서 헬리오날 분자를 감지한다(뇌가 꽃향기로 해석). 세로토닌은 뇌에서 신경전달물질이지만 췌장에서는 특정 단백질(효소)에 달라붙어 인슐린 분비를 조절한다. 따라서 췌장의 OR2J3가 인식하는 물질의 실체를 밝히면 새로운 당뇨병 치료제가 나올지도 모른다.

 

피부에서도 후각수용체의 활약이 만만치 않다. 앞서 백혈구에서 발현한 OR2AT4는 피부의 각질세포 표면에도 존재한다. 그런데 샌달로어로 OR2AT4를 활성화시키자 이번에는 세포분열이 활성화되면서 표피에 난 상처가 빠르게 치유됐다. 

 

 

암 진단지표 또는 치료표적으로

 

코가 아닌 곳에서 발견되는 후각수용체와 관련된 또 다른 놀라운 사실은 여러 암세포에서 후각수용체 발현의 이상이 관찰된다는 점이다. 예를 들어 전림샘암의 경우 암세포에서 후각수용체 유전자 OR51E1과 OR51E2의 발현량이 정상세포보다 높다. 이런 경향은 암이 진행될수록 더 커진다. 

 

따라서 전립샘 세포에서 두 유전자의 발현량이 암 진단의 지표로 쓰일 수 있다. 한편 소변의 침전물에 OR51E2 단백질이 존재할 경우도 암일 가능성이 높다고 한다. 전립샘 암세포 표면에 이들 수용체 밀도가 높아져 어떤 신호가 증폭되는 것으로 보이는데, 그 실체는 아직 모른다.

 

한편 대장암에서는 후각수용체 OR7C1이 발병에 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 즉 대장 세포에서 OR7C1 발현이 올라가면 암세포로 바뀔 가능성이 높다. 따라서 세포 표면의 OR7C1을 항원으로 하는 세포독성T세포를 만들어 투입할 경우 효과적인 암 면역요법이 될지도 모른다. 

 

파킨슨병이나 알츠하이머병 같은 신경퇴행성질환에서도 후각수용체 유전자 발현의 이상이 관찰됐다. 후각이 둔감해지는 게 신경퇴행성질환의 전조라는 게 알려져 있지만 이건 다른 얘기다. 즉 냄새를 맡는 것과 관련된 후각상피가 아니라 뇌세포에서 발현이 변한다. 

 

예를 들어 대뇌피질과 흑질(Substantia nigra) 세포에서 발현하는 후각수용체 유전자 가운데 OR2L13을 비롯해 다섯 가지의 발현량이 파킨슨병 초기 환자에서 뚝 떨어진다. 한편 만성 조현병의 경우도 후각수용체 발현 이상이 관여하는 것으로 밝혀졌다.

 

 

후각은 나중에 특화된 기능

 

한편 몸의 여러 조직에서 발현되는 후각수용체일수록 오래된 유전자라는 사실도 밝혀졌다. 예를 들어 OR51E1과 OR51E2 같은 유전자는 어류에도 존재하는데, 포유류와 아미노산 서열이 94%나 일치한다. 반면 코(후각상피)에서만 발현되는 유전자는 비교적 최근에 진화한 것들이다. 

 

척추동물의 후각수용체 유전자는 크게 두 가지로 나뉘는데, 바다에만 살던 시절 진화한 1군(class Ⅰ)과 육상으로 올라온 뒤 진화한 2군(class Ⅱ)이다. 1군은 물(바다)에 녹아 있는 냄새분자를, 2군은 공기 중에 있는 냄새분자를 감지하게 진화했다는 말이다. 

 

흥미롭게도 바다에서 육지로 올라가는 중간에 있는 어류와 가까운 형태인 실러캔스의 게놈에는 2군 후각수용체 유전자가 7개 있는 것으로 밝혀졌다. 오늘날 포유류의 후각수용체 유전자는 대부분 2군이지만 여전히 10~20%는 1군이다. 후각상피 이외의 다른 조직에서도 발현되는 후각수용체 다수가 1군이다. 

 

화석을 토대로 재구성해보면 약 3억8500만 년 전 어류가 육지로 진출하려는 시도를 시작했고 3억7500만 년 전 틱타알릭(Tiktaalik)이 마침내 성공했다. 3억6000만 년 전 등장한 실러캔스는 이 과정에서 다시 바다로 돌아간 종이다. 흥미롭게도 실러캔스(Coelacanth)의 게놈에는 육상 척추동물에만 있는 2군 후각수용체 유전자가 7개 있는 것으로 밝혀졌다. - 위키피디아 제공
화석을 토대로 재구성해보면 약 3억8500만 년 전 어류가 육지로 진출하려는 시도를 시작했고 3억7500만 년 전 틱타알릭(Tiktaalik)이 마침내 성공했다. 3억6000만 년 전 등장한 실러캔스는 이 과정에서 다시 바다로 돌아간 종이다. 흥미롭게도 실러캔스(Coelacanth)의 게놈에는 육상 척추동물에만 있는 2군 후각수용체 유전자가 7개 있는 것으로 밝혀졌다. - 위키피디아 제공

문득 후각수용체와 코(후각상피)의 관계는 뉴런과 뇌의 관계와 비슷하다는 생각이 든다. 즉 동물 진화 역사에서 뉴런(신경)이 먼저 나왔고 몸이 점차 복잡해지면서 뉴런 다발이 한 곳에 집중된 뇌가 생겨났듯이, 원시 해양 동물의 세포 표면에 존재하는 후각수용체가 주위 환경의 작은 분자를 감지하는 특화된 역할을 하는 조직(후각상피)에 모이면서 뇌가 그 신호를 ‘냄새’라는 새로운 개념의 패턴으로 인식하게 진화한 게 아닐까. 

 

그 뒤 땅에 올라온 동물들은 공기 중에 떠다니는 다양한 분자를 감지하기 위해 더 복잡한 후각을 진화시켰고 그 정점이 네발 포유류일 것이다. 한편 나무 위 생활을 선택한 영장류는 시각과 청각을 고도로 발달시킨 대신 후각을 상당 부분 희생시켜 오늘에 이른 것이다. 그럼에도 보다 원초적인, 즉 생존에 중요한 역할을 하는 후각수용체는 여전히 보존하고 있다는 말이다.

 

아직까지 후각수용체 400개 가운데 인식하는 분자를 알고 있는 건 10% 수준에 불과하다. 그나마 대다수는 후각상피에 존재하는 수용체에 달라붙는 냄새분자들이다. 반면 개체 내 또는 개체 간에 신호를 주고받는 관점에서 후각수용체와 인식하는 분자가 규명된 건 몇 개에 불과하다. 아직 갈 길이 멀다는 말이다.

 

그럼에도 후각수용체가 코뿐 아니라 몸 전체에 분포하며 다양한 기능을 한다는 사실은 ‘게놈이 후각수용체 유전자에 왜 그렇게 많은 투자를 했는가?’라는 의아함을 상당 부분 누그러뜨렸다. 우리가 냄새로 지각하는 게 후각 정보의 전부는 아니라는 뜻이기 때문이다. 숲을 슬쩍 들여다본 뒤 그때까지 나무만 봐왔다는 걸 깨달았을 때 기분이라고 해야 할까.

 

 

 

※ 필자소개
강석기 과학칼럼니스트 (kangsukki@gmail.com)

LG생활건강연구소에서 연구원으로 근무했으며, 2000년부터 2012년까지 동아사이언스에서 기자로 일했다. 2012년 9월부터 프리랜서 작가로 지내고 있다. 지은 책으로 『강석기의 과학카페』(1~6권),『생명과학의 기원을 찾아서』 등이 있고, 옮긴 책으로 『반물질』, 『가슴이야기』, 『프루프: 술의 과학』 등이 있다

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