이번호에서는 지난 호에 이에 담배와 구강암에 대해 알아볼 것이다.
2. 담배연기 중의 TCDD(다이옥신)에 의한 발암작용
다이옥신류인 Aryl hydrocarbon, 즉 TCDD가 인체에 들어오면 전신에 분포하는 세포 내의 표적기관인 Aryl hydrocarbon ReceptorAhR)에 결합하여 AhR 리갠드를 형성한다. 이때 표적기관이 되는 AhR은 전사요소 중 기본적인 helix-loop-helix 구조를 가진 110kDa 단백질이다. 세포질에서 heat shock protein 90과 결합된 형태로 발견되는 AhR은 TCDD에 노출된 후 시간이 경과하면서 heat shock protein 90이 분리되고 그 자리에 TCDD가 결합하여 AhR 리갠드(Receptor bind Ligand)가 되는 것이다. 이렇게 형성된 AhR 리갠드는 AhR nuclear translocato(ARNT와 합쳐져서 핵 내로 이동한다(덴포라인 2010년 11월호 p.55 상단 그림 참조).
AhR 리갠드와 결합하는 ARNT는 세포 내 PAS domain에 존재한다. 이러한 PAS domain에는 일종의 화학감지 기능이 있는 것으로 간주되고 있다. PAS domain의 위치는 ~50~잔기의 direct degenerated repeats 두 개(PAS-A, PAS-B)를 보유하는 ~270~잔기 부위이다. PAS domain은 histidine-kinase, light receptor와 regulator proteins, 산화환원 감지단백질, 이온통로, 그리고 산화환원 감지기나 flavin-binding domain으로 추정되는 Ser/Thr kinase를 포함한 여러 단백질에서 발견된다.
인체세포 내에서 AhR리갠드와 결합하는 ARNT는 PAS-B 내에 존재한다. 일종의 세균성 광활성 황색단백질인 PAS 단백질은 PAS-B 내에 chromophore인 4-hydroxyl-cinnamoyl이 공유 결합한 상태이다. 이 분자는 pinosylvine synthase에 의해 플라보노이드 내로 응축되는 단량체이다.
여기에서 AhR nuclear translocator(ARNT)와 합쳐진 AhR 리겐드는 다수의 phase I과 phase II 효소유전자 촉진인자의 상류에 위치한 TCDD 반응증강인자 부위에 있는 DNA에 결합하는데, 이때 생성되는 효소유전자 중 가장 유해한 것이 바로Cytochrome p450 1A1(CYP1A1)효소이다.
Cytochrome p450 1A1(CYP1A1)효소를 생성시키는 phase I 효소와는 달리 Phase II 효소는 환경독소의 해독과 배출을 담당한다. 이때 흡연자의 체내에서 흡연에 의하여 AhR 리갠드로 활성화된 유전자 전사는 독성효과를 나타내기 시작하지만 동시에 phase II 효소에 의한 리갠드 해독과정도 진행된다. 이처럼 두 효소들은 서로 상반된 작용을 하는 것이다.
phase I 효소에 의하여 생성이 촉진되는 Cytochrome p450 1A1(CYP1A1)효소는 AhR 리갠드를 전문적 발암성 화합물질로 대사 전환시키는 Aryl hydrocarbon hydrolase의 활성을 담당한다.
CYP1A1은 이러한 과정을 거치면서 활성산소 종(reactive oxygen species)의 생산을 증가시켜 종양을 형성하는 위험요소인 산화성 DNA손상을 유발, 암 억제단백질(Tumor Supressor Proteins; TSPs)를 억제하여 암을 유발하며 골 형성을 교란시키기도 한다.
즉 Aryl hydrocarbon은 AhR과 결합, AhR 리갠드가 된 후 ARNT와 합쳐져서 폐, 태반, 신장, 난소, 혈관내피세포 등에서 CYP1A1의 발현을 촉진, AhR 리갠드가 발암성 화합물질이 되도록 유도한다. ETS 중 부류연, 즉 간접흡연과 같은 최소한의 흡연만으로도 이러한 유해과정을 일으키기에 충분할 정도로 높은 TCDD의 혈중농도를 나타낸다.
TCDD와 같이 정상적인 세포주기의 과정에서 세포유전자에 변이를 일으켜 암을 유발하는 원인인자로는 HPV16과 같은 바이러스, 광화학선 작용, 각종 급, 만성질환 등과 함께 감염에 의하는 경우도 있다. 다시 말하면 정상적인 세포내에서 일어나는 암 유전자로의 활성변화는 위에 열거한 한 가지 또는 그 이상의 환경적 요소(co-factor)들과 연관된다. 비정상적인 세포분열에 관여하는 인자들은 세포를 조절하는 단백질의 양 혹은 질에 이상을 일으킬 수도 있고 경우에 따라서는 비조절된 성장을 유도할 수도 있다.
결국 유전자의 활성변화를 일으켜 비정상적인 분열이 촉진되는 것이다. 이와 같이 조절되지 않는 방식으로 세포주기를 활성화시키는 단백질을 Cyclins이라고 한다. 이 단백질들은 특정 염색체의 특정 유전자에서 생산된다.
비정상적인 세포주기를 유도하는 인자들이 세포표면의 수용체에 결합하면 결합부위에 인접된 세포질 내의 인산화 효소에 대한 활성을 촉진시킨다. 그리고 생화학적 과정인 신호전달에 의해 성장요소들은 전사요소들의 활성을 촉발한다.
이로써 원인인자들이 표적기관인 세포 내 수용체에 작용하면 근접한 pRB와 같은 단백질을 인산화시키고 이에 인접된 결합부위로부터 E2F 전사요소가 방출된다.
그리고 E2F 전사요소에 의해 활성화된 Cyclins와 Cyclin의존적 Kinases(인산기가 ATP나 ADP와 같은 공여물질에서 수용물질로 전이하는데 관련되는 효소; CDKs)는 세포주기에서 G1/S와 G2/M으로의 이동을 촉진시키는 분열촉진 단백질이 합성되게 한다. 그리하여 결과적으로 세포의 종양성 변환이 일어나는 것이다.
이와 같이 세포의 복제주기에 혼란을 야기하는 단백질을 생성하는데 관계된 유전자를 암 유전자(oncogene)라고 하며, 세포주기를 과다하게 활성화시키는 단백질(cyclins)을 암 단백질(oncoprotein)이라고 한다. 암 유전자는 계속하여 지속적인 세포분열을 자극하는 단백질을 과다하게 생산되도록 유도한다. 그 결과 조직의 종양성 성장이 나타난다.
이러한 불행을 막으려면 암세포의 세포주기를 억제(cell cycle arrest)하거나 소멸을 유발하여 암으로의 진행을 차단하는 안전판이 필요하다. 이 안전판 역할을 하여 세포주기를 정상상태로 조절하는 단백질이 암 억제단백질(Tumor Supressor Proteins; TSPs)이다.
p16, p53, p21 등으로 알려진 TSPs들은 비정상적인 세포주기를 정지시켜 암으로의 진행을 막는 것으로 알려져 있다. 그런데 암으로 발전한 병소에서는 TSPs의 형성에 관여하는 유전자의 돌연변이가 자주 관찰되고 이에 따라 TSPs의 세포주기 억제기능이 소실되어 세포주기의 과다한 활성상태가 나타난다.
이처럼 TSPs형성 유전자의 돌연변이를 야기함으로써 비정상적인 세포주기를 야기하는 원인인자중의 하나가 바로 TCDD인 것이다.
3. 담배연기 중의 과산화수소(H₂O₂)에 의한 발암작용
최근에 담배연기 속에 함유된 과산화수소가 폐암을 일으키는 주요원인이라는 연구결과가 나왔다.
헬스데이 뉴스는 미국 데이비드 캘리포니아대 치프라 골드콘 박사가 미국실험생물학회연합회저널(FACEB) 2008년 3월호에 발표한 논문을 인용, 인간의 폐 세포를 담배연기와 과산화수소에 각각 노출시킨 결과 똑같은 폐암발생 패턴이 나타났다고 보도했다.
연구팀은 담배연기와 과산화수소가 담긴 시험관에 인간의 폐 세포를 노출시켜 배양했다. 그 뒤 아무것에도 노출시키지 않은 대조군과 비교한 결과 담배연기와 과산화수소에 노출된 폐 세포만이 똑같은 암 발생의 분자적 특성이 나타났다고 발표했다. 이는 담배연기 속의 과산화수소가 폐암 발생에 중요한 역할을 하는 증거다.
인체에 해로운 반응을 나타내는 기전을 살펴보면 우선 과산화수소는 생체 내에서 슈퍼옥사이드[superoxide(O²?)]나 nitric oxide(NO) 등과 반응을 하여 수산기[hydroxyl(HO)]나 퍼옥실기[peroxyl(ROO)] 또는 알콕실기[alkoxyl(RO)] 등 활성산소를 함유하는 화학물질을 생성한다.
인체조직 내에서 자연적으로 생성되는 과산화수소는 중성백혈구(neutrophil)나 사립체와 같은 세포내소기관, 타액선 세포들이나 세균 또는 폐등에서 생성된다.
이렇게 생리적 현상으로 만들어진 과산화수소는 철분이나 구리성분과 같은 이행성 금속이 관여하는 효소적 반응(Fenton reaction)의 하나인 자연발생적인 산화환원 반응을 통하여 생체 내에서 매우 활성이 강한 산소화합물을 발생시킨다.
체내에서 만들어진 과산화수소나 흡연을 통해 공급된 과산화수소, 또는 치아미백제 등 외부로부터 공급된 과산화수소는 중성백혈구를 자극하여 Myeloperoxidase(MPO)라는 효소의 유리를 촉진시켜 강력한 산화제인 hypochlorous acid(HOCl)를 생성하게 한다.
이렇게 생성된 HOCl은 아미노산들을 chloride이온(체내에서 가장 농도가 높은 Halide이온)과 결합시켜 chloramine을 생성함으로써 고유한 단백질의 구조나 효소로서의 기능이 왜곡되도록 유도한다.
Chloramines는 HOCl보다 약한 산화제지만 반감기가 더 길고 여러 생체조직으로 확산되므로 매우 해로운 존재이다.
이 과정을 화학식으로 살펴보면 다음과 같다.
H₂O₂+Cl?+H?→MPO →HOCl +H₂O
HOCl +R NH₂→RNHCl +H₂O
이와 같이 발생되는 활성산소의 화합물들은 세포 내의 DNA의 구조를 파괴하여 유전독성(genotoxicity)까지 초래한다고 보고되었다. 그러나 생체조직 내에 자연적으로 존재하는 항산화제들 또는 항산화효소들이 이미 생성된 유리기(ROS)에 전자를 제공, 중화시킴으로써 이러한 세포독성은 거의 소멸된다.
그러나 농도가 높은 과산화수소가 흡연이나 치아미백제 등을 통하여 인체외부로부터 공급되는 경우에는 항산화효소들에 의한 세포의 자체방어능력을 초과하게 되므로 건강이 위협받는다.
즉 Catalase, glutathion peroxidase나 superoxide dismutase 같은 항산화효소들은 과산화수소를 물과 산소로 분해하거나 superoxide의 제거작용을 맡지만, 이러한 효소능력이 결핍된 사람이나 체외로부터 과량의 과산화수소가 유입되는 경우에는 체내의 과산화수소 농도가 증가하여 조직의 괴사나 궤양을 일으키는 요인으로 작용하게 되는 것이다.
특히 MPO - H₂O₂작용에 의해서 생성되는 더욱 강력한 산화제인 수산기[Hydroxyl radical(HO)?]는 HOCl이 자연적으로 몸 안에서 발생하는 superoxide(O₂?)와 반응하여 만들어진다.
아래와 같은 화학반응에 의해 생성된 수산기는 주위에 존재하는 모든 생체구조를 산화시켜 파괴하는 주범이 된다.
HOCl +O₂? →Cl? +O₂+HO
이와 같이 과산화수소는 생체 내에서 여러 가지 반응을 일으켜 각종 산소활성물질을 만들어낸다. 때문에 세균의 공격을 받은 신체를 방어하기 위하여 중성백혈구가 면역반응의 하나로 생성하는 MPO의 산물인 HOCl이 외부로부터 공급된 과산화수소에 의하여 더욱 강력해진 결과, 세균에 대한 살균작용과 더불어 숙주의 장기까지 파괴하는 작용을 하게 된다.
특히 다량의 과산화수소에 기인하는 치주질환이나 관절염, 관상동맥질환, 암세포의 확산 등은 산소의 활성물질이 콜라겐을 파괴하는 Matrix Metalloproteinase(MMPs)들을 활성화시키거나 과다하게 유리시킨 결과에 의한 것들이다.
만일 30%농도의 과산화수소가 피부나 눈에 직접 접촉되면 심한 자극이나 화상의 원인이 된다. 또한 과잉된 과산화수소가 치주조직 내로 들어가면 발생기 산소에 의한 조직기종(tissue emphysema)을 야기하기도 한다.
세포단위에서는 과산화수소가 poly - ADP - ribose polymerase를 활성화시키고 NAD결핍을 초래하며 ATP를 저하시켜 결과적으로 세포를 사멸로 이끈다.
실험동물의 치은조직에 1% 과산화수소 용액을 48시간 이상 적용시킨 경우 먼저 부종이 발생되고 곧이어 상피세포 내에 기포가 형성되었으며, 마지막 단계에서는 상피가 파괴되고 각질층이 떨어져나가는 모습이 관찰되었다.
이 과정에서 나타나는 세포들의 반응은 급성염증 시에 발현하는 양상들과 비슷하다. 즉 부종증세가 심해짐에 따라 혈관의 침투성이 증가하여 다수의 급성염증성 세포들과 혈관 내의 혈소 증가 및 섬유소의 출현이 관찰되었고 48시간이 지나면서 급성반응이 만성반응으로 변해가는 양상을 볼 수 있었다.
과산화수소로 입안을 양치질하면 구강 내의 자극과 불편감, 건조감과 함께 미각상실과 필리형 유두(filiform papillae)의 길이가 길어지고 광범위한 부위의 점막이 백색으로 변하는 부작용이 나타난다. 동시에 상피의 증식률 증가에 따라 상피층의 두께도 두꺼워진다.
이때 세포의 증식을 알려주는 지수인 PCNA(proliferating cell nuclear antigen) index가 상피의 기본 층과 기저층의 바로 상부에서 높게 나타난다. 즉 전암 병소의 발현을 암시하는 것이다. 이러한 결과들은 구강조직이나 폐에서 비정상적인 세포분열 능력을 조장시킨다는 것을 뜻하며 과산화수소가 세포를 변형시켜 폐암과 같은 종양발생의 조장제가 된다는 미국실험생물학회연합회저널(FACEB) 2008년 3월호의 연구결과를 뒷받침한다.
