화학적 돌연변이원

화학적 돌연변이원

 

어떤 화학물질들은 DNA에 상해를 줄 수 있으며, 만약 그 상해가 회복되지 않는다면 돌연변이로 된다는 것에 관해 알아보았다. 알려진 대부분의 돌연변이를 일으킬 수 있는 화학물질은 화학공업의 산물이다. 현재 약 5만종 이상의 화학물질들이 알려져 있으며, 매년 그 양은 증가되고 있다. 이들 중 많은 것들이 고속도로 아스팔트에서 컴퓨터 칩에 이르는 생산품들의 제조공장에서 사용되고 있다. 가솔린 첨가물로 사용되는 ethylene dibromide와 같은 것들은 돌연변이원으로 알려져 있다.

제조공업에 의한 화학물질의 엄청난 양이 살충제, 살균제 및 제초제 등으로 농업에 이용되고 있다. 강력한 살충제인 파라티온은 돌연변이를 유발할 수 있으며, 살균제인 captan과 ziram 도 마찬가지이다. 이들 화학물질에 의한 인간에게 있어서의 가장 큰 위험은 그것들을 만들어내고 사용하는 작업장이나 농장내에 있다. 그러나 이들 화학물질의 소량은 결국 공기, 물 및 음식물들의 경로를 통하여 수백만명의 사람들에게 노출된다. 예를 들어 for-maldehyde(돌연변이원)는 건축물 공사에 사용되는 어떤 물질로부터 공기중으로 유출된다. 과다한 살충제는 개울과 우물들을 오염시킬 수 있다. 현대의 고도로 민감한 분석기기로서 살충제의 잔류량을 과일,채소, 그리고 곡식 등에서 검출할 수 있게 되었다. 또한 제조공업에 의한 화학물질들은 음식물의 모양이나 색, 향기 같은 것이 더 좋아지거나 변하지 않도록, 그리고 오래 보존하기 위한 목적으로 음식 첨가제로 쓰이기도 한다. 음식의 색을 내기 위한 어떤 색소들은 돌연변이원으로 밝혀져 사용이 금지된 바 있다.

이와 같이 다양하게 화학물질에 노출되어 있는 상황에서 우리와 관계있는 것은 무엇인가? 대부분 우리들에게 염려스러운 것은 우리의 환경에서 그와 같은 화학물질의 돌연변이 유발에 대한 잠재력이 아니라, 이와 같은 화학물질들의 어떤 것들이 암을 유발할 수 있다는 가능성이다. 이런 염려는 돌연변이를 일으킬 수 있는 어떤 화학물질은 암을 일으킬 수 있는 잠재력을 가진다는 것에 기초를 두고 있다(그 반대는 그렇지 않다. 암을 유발하지만 돌연변이를 유발하지 않는 화학물질들도 있다).

 

 

화학물질의 검사

특정 화학물질에 대한 우리들의 염려를 완화시키기 위한 가장 직접적인 접근은 실험동물에서 암을 유발할 수 있는지의 여부를 알아보는 것이다. 그 과정은 그 화학물질을 반복적으로 투여하여 동물들에서 암의 발생 여부를 조사하는 것이다. 여기서의 농도는 대개 그 실험동물이 암을 유발하기 전에 병에 걸리거나 죽지 않으면서 견딜 수 있는 최대치에 근접된 값이다. 약 1,000여 가지의 서로 다른 화학물질들을 대상으로 그와 같은 동물 실험을 하였으나, 이것은 대상 화학물질들의 약 10%에 불과하다. 이런 실험동물에 의한 검사는 한번 수행하는 데 시간이 많이 걸리며(암을 유발하는 데 약 3년 정도 소요됨)경비가 많이 들기 때문(수백만 달러 정도)에 진행이 늦다. 이러한 이유들 때문에 빠르면서 경제적인 대체 검사법들의 필요성이 요구되었다. 이런 것 중의 하나가 Ames 검사법으로, 그 이름은 이를 개발한 과학자의 이름을 붙여 사용하고 있다.

Ames 검사법은 돌연변이를 일으키는 화학물질이 암도 유발할 것이라는 가정을 기초에 두고 있다. 따라서 Ames 검사법은 화학적 돌연변이원의 검출계이다. 실험에 쓰이는 생물은 Salmonella typhimurium 계통으로 이 박테리아는 흔히 인간의 위장에 염증을 일으킨다. 단순배지에서 아미노산인 히스티딘(histidine)을 합성할 수 없는 돌연변이 계통이 실험에 사용된다. 이 검사는 다른 방법들과 같이 기능적으로 결함이 있는 유전자로부터 유전자가 돌연변이를 유도할 수 있다는 사실 이용한다. 따라서 이 돌연변이 박테리아가 돌연변이원에 노출되면 그 생물체내의 결함이 있는 유전자가 역돌연변이를 일으키게 될 것이고 정상적인 기능을 가지게 될 것이다. 이들 복귀돌연변이체(revertant)들은 히스티딘이 결여된 배지에서도 자랄 수 있기 때문에 돌연변이가 유도되었다는 확실한 증거가 된다. 많은 화학물질이 그 자체로서는 돌연변이 유발물질이 아니지만 체내에서 대사과정이 일어날 때 돌연변이원으로 전환됨이 알려졌다. 이러한 전환은 흔히 간에서 일어난다. 따라서 Ames 검사법에서 종종 간의 효소복합체를 첨가한다.

실험에 사용할 수 있는 균주가 풍부하고 그들은 빠른 성장을 하기 때문에 Ames 검사법은 이틀만에 아주 저렴한 가격으로 완전히 끝낼 수 있다. 발암원으로 여겨지지 않았던 많은 종류의 화학물질이 Ames 검사법에서 돌연변이 유발원으로 밝혀졌다. 그후 이들 중 어떤 것들은 실험동물에서 암을 유발할 수 있는 것으로 나타났다. 1970년대에 수백만의 어린이들이 TRIS라는 방화제 (flame retardent)가 처리된 잠옷을 입었다. Ames 검사법에서 TRIS 가 돌연변이원으로 밝혀져, 그후 시장에서 재빨리 자취를 감추게 한 원인이 되었다. 어떤 식품 첨가제(방부제)나 화장품의 성분들도 Ames 검사한 결과 역시 사용이 금지된 바도 있다.

Salmonella typhimurium은 원핵생물이므로 인간에게 완벽하고 적합한 모델은 아니다(간의 효소를 첨가해 주는 이유도 이 때문이다). Ames 검사법 위에 효모와 포유동물 세포배양과 같은 어떤 진핵생물을 이용한 모델화된 빠른 생체내 검사법들이 부가적으로가되어야 한다. 그리고 DNA 재조합 기술로 인해 이제는 Ames 검사법과 같은 빠른 생체외 검출계의 장점과 동물을 이용한 장기간 연구의 실질적인 상황을 연결할 수 있게 되었다. 그 검사에 사용되는 동물이 바로 형질전환 생쥐(transgenic mouse)이다. 형질전환 생쥐를 얻기 위하여, 실험자가 사용하기 위해 선택한 유전자를 생쥐의 수정란에 주입해야 한다. 이 유전자 혹은 유전자들은 생쥐의 염색체 DNA내로 이들을 삽입할 수 있는 벡터(vector)에 의해 운반된다. 그 벡터는 대장균을 감염시키는 박테리오파아지 라는 바이러스의 DNA이다.

 

생쥐가 다 자랐을 때, 그 생쥐를 구성하는 모든 세포에는 난자에 주입되었던 외래 유전자들을 모두 함유하고 있다. 돌연변이 연구를 위한 형질전환 생쥐는 lac 오페론의 lacI 유전자, 작동유전자, 그리고 B-galactosidase 유전자를 함유하고 있다. 돌연변이원이라 여겨지는 화학물질을 1 내지 2주 정도 그 생쥐에게 먹인다. 만약 그 화학물질이 돌연변이원이라면, 각 생쥐 세포의 게놈을 통한 무작위적인 돌연변이가 일어날 것이다. 만약 유해한 돌연변이가 lac I 유전자(Lac 억제자를 암호화하는 유전자) 또는 작동유전자에 발생한다면, B-galactosidase에 대한 유전자는 그 세포내에서 더 이상 억제되지 않는다. 이것을 검출하기 위하여, 변이원이 처리된 생쥐의 조직으로부터 DNA를 추출해 낸다. 표적 유전자를 분리해 내고 박테리오파아지 A의 기능 분석을 위해 사용한다 그리고 대장균 세포와 박테리오파아지를 혼합하여 고형의 배지위에 뿌린다. 박테리오파아지 입자들이 감염되고 대장균 세포들을 용균(lyse)한다. 이는 용균반점(plaque)이라고 불리는 박테리아 덩어리인 둥근 영역을 만들어낸다.

 

손상을 입은 lac I 또는 작동유전자를 가진 박테리오파아지에 의해 감염된 대장균은 그들이 죽기 전까지는 B-galactosidase를 생산해 낼 것이다. 이 효소는 사육 배지내의 기질과 작용하여 용균반점이 푸르게 변한다. 단순히 푸른 용균반점과 무색의 용균반점의 수를 간단히 비교해 봄으로써 조사하고자 하는 화학물질의 돌연변이 유발 잠재력을 측정할 수 있다. 돌연변이원(발암원)으로 알려진 벤조피렌(benzopyrene)을 투여시킨 형질전환 생쥐의 지라(비장) 세포에서의 결과를 보여주는 것이다. 그 화학물질을 마지막으로 복용한 3일 후 유의적인 돌연변이율의 증가 여부를 검출할 수 있다.