바소프레신과 옥시토신은 進化生物學 用語로 屈折適應(exaptation)의 例다. 屈折適應은 이미 存在하는 物質이나 回路를 다른 目的으로 利用하는 現象을 가리킨다.
- 래리 영 & 브라이언 알렉산더, '끌림의 科學'에서
季節의 女王이라고 불리는 5月에 어울리는 꽃은? 이런 質問을 받으면 많은 사람이 薔薇를 떠올리지 않을까. 實際 5月에는 全國 곳곳에서 薔薇祝祭가 벌어진다. 興味롭게도 薔薇는 '꽃의 女王'이라고도 불린다. 그렇다면 5月의 호르몬은?
아마도 많은 사람이 옥시토신을 떠올릴 것이다. 사랑의 호르몬이라고 부르는 옥시토신은 家庭의 달 5月과 가장 어울리기 때문이다. 母性愛뿐 아니라 夫婦間의 사랑 같은 紐帶 形成에 옥시토신이 重要한 役割을 한다는 事實은 잘 알려져 있다.
옥시토신이 有名稅를 탄 건 1990年代 草原들쥐 硏究 結果가 널리 알려지면서부터다. 草原들쥐는 사람처럼 一夫一妻制로 家庭을 이루고 사는데(포유류에서는 例外的인 境遇다) 알아보니 옥시토신이 原動力인 것으로 밝혀졌다. 암컷에게 옥시토신을 投與하면 짝짓기를 하지 않은 낯선 수컷에게도 愛着을 보이며 親近하게 굴었다.
2000年代 初 옥시토신을 탄 溶液을 콧속에 뿌리면 腦血管으로 들어가는 現象이 發見되면서 사람을 對象으로 옥시토신 效果를 보는 實驗이 進行됐고 男女 關係를 비롯해 紐帶 形成에 도움이 된다는 結果가 나오면서 옥시토신의 名聲은 더 確固해졌다. 勿論 有意味한 效果가 없다는 硏究 結果도 있지만 言論에서 잘 다루지 않아 옥시토신이 大衆에게 過大評價된 面이 있다.
그런데 지난 1月 學術誌 '네이처'에는 좀 異常한 論文이 실렸다. 우리 몸의 脂肪組織에 貯藏된 中性脂肪을 自由 脂肪酸으로 分解하는 過程에 옥시토신이 重要한 役割을 한다는 것이다. 勿論 옥시토신의 役割은 다양하다. 20世紀 初 分娩을 促進하는 호르몬으로 發見된 뒤(옥시토신(oxytocin)은 '빠른 出産'이란 뜻의 그리스어다) 젖이 나오게 하는 役割이 밝혀졌다.
母性愛와 夫婦愛 같은 紐帶를 促進하는 役割은 한참 뒤 밝혀진 것이다. 여기까지는 繁殖과 直間接으로 關聯된 機能이라 그러려니 했지만 地方分解에도 關與한다는 건 좀 뜻밖이다. 옥시토신의 實體는 무엇일까.
● 5億5000萬 年 前 登場
옥시토신은 아미노산 9個로 이뤄진 펩타이드로 호르몬 또는 神經傳達物質로 作用한다. 人體에는 옥시토신과 아주 비슷한 分子가 하나 더 있다. 바로 바소프레신으로 흔히 抗利尿호르몬이라고 불린다. 身長의 水分 再吸收를 促進해 오줌을 濃縮해 量을 줄인다.
옥시토신이 包含된 老나펩타이드의 遺傳子는 約 7億 年 前 登場했다. 그 뒤 無脊椎動物은 只今까지도 하나뿐이지만 脊椎動物에서는 遺傳子 重複으로 두 個가 된 뒤 바소프레신 系列(왼쪽)과 옥시토신 系列(오른쪽)로 나뉘어 進化하며 機能이 噴火됐다. 사이언스 提供
바소프레신 亦是 아미노산 9個로 이뤄진 펩타이드로 옥시토신과는 3番째와 8番째 아미노산이 다르고 나머지 7個는 똑같다. 게다가 두 遺傳子는 20番 染色體에 마주 보며(전사 方向이 反對) 자리한다. 參考로 아미노산 9個로 이뤄진 펩타이드를 老나펩타이드(nonapeptide. nona는 9를 뜻한다)라고 부른다.
이는 過去 어느 時點에서 老나펩타이드 遺傳子의 重複이 일어났음을 示唆한다. 한 遺傳子가 重複으로 두 個가 된 뒤 進化가 일어나 機能이 달라진 것이다. 이런 現象은 生命體 進化의 歷史에서 숱하게 일어나며 다양한 종이 나오는데 寄與했다. 그렇다면 그 時點은 언제일까.
수많은 種의 게놈이 解讀되면서 老나펩타이드 遺傳子 分布를 調査한 結果 無脊椎動物은 1個, 脊椎動物은 2個를 지닌 것으로 밝혀졌다. 老나펩타이드 遺傳子는 約 7億 年 전 無脊椎動物에서 생겨났고 그 뒤 約 5億5000萬 年 前 脊椎動物이 나타난 初期 遺傳子 重複으로 2個가 됐고 各各 옥시토신 系列과 바소프레신 系列로 進化한 것이다.
遺傳子 鹽基序列을 比較한 結果 哺乳類를 除外한 脊椎動物이 지닌 바소프레신 系列 分子인 바소土神(vasotocin)李 脊椎動物 老나펩타이드의 起源으로 밝혀졌다. 初期 脊椎動物에서 遺傳子 重複으로 바소土神 遺傳子가 두 個가 된 뒤 餘分의 遺傳子가 變異를 일으켜 새로운 機能을 지닌 옥시토신 系列 遺傳子로 거듭난 것이다.
지난달 學術誌 '커뮤니케이션스 바이올로지'에는 사람의 옥시토신 信號 經路에 關聯된 遺傳子 154個의 起源을 追跡한 論文이 실렸다. 遺傳子 重複으로 옥시토신 系列 遺傳子가 進化한 게 約 5億5000萬 年 前이므로 信號 經路 關聯 遺傳子가 登場한 時期는 그 以後일 것 같지만 分析 結果 36%는 옥시토신보다 나이가 많은 遺傳子였다.
이 가운데 18%인 28個는 35億~11億 年 前 생겨난 '古代 遺傳子'로 12個는 박테리아와 아케아 같은 原核生物에도 該當 遺傳子가 存在한다. 나머지 18%는 11億~5億5000萬 年 前 登場한 '中世 遺傳子'다.
사람 옥시토신 信號 經路에 關與하는 154個 遺傳子의 登場 時期를 나타내는 그림으로, 20個 系統層序(phylostrata. PS)에 넓게 分布한다(숫자가 各 PS에서 登場한 遺傳子 數). 옥시토신 遺傳子는 12番째 PS인 約 5億5000萬 年 前 初期 脊椎動物에서 登場했다. 커뮤니케이션스 바이올로지 提供
옥시토신은 登場 直後 旣存 遺傳子를 活用해 信號 經路를 만들어 機能했고 그 뒤 새로 생긴 遺傳子를 採用해 여러 信號 經路를 만들어 오늘날 다양한 機能을 하게 된 것이다. 이에 따르면 出産과 授乳, 紐帶에 關聯된 信號 經路에 關與하는 遺傳子 大多數는 5億5000萬 年 前 以後 登場한 '현대 遺傳子'로 主로 腦와 筋肉에서 發現된다.
進化의 觀點에서 母性愛와 夫婦愛 關聯 옥시토신 信號 經路는 最近 만들어진 것이다. 3億 年 前 哺乳動物이 進化하면서 새끼에게 젖을 먹일 동안 愛着을 갖게 만드는 옥시토신 信號 經路가 만들어졌다. 旣存에 存在하는 補償回路의 도파민 信號 經路, 오피오이드 信號 經路와 連結되면서 어미의 行動이 생겨난 것이다. 옥시토신 信號 經路의 힘은 動物 行動 實驗에서 잘 드러난다.
出産 直後 새끼와 떨어져 體臭를 刻印하지 못한 量은 나중에 새끼가 와도 알아보지 못해 젖을 물리지 않는다. 이때 어미 孃에게 옥시토신을 投與하면 새끼로 받아들여 授乳를 始作한다.
女性 또는 一夫一妻制 動物의 암컷이 보이는 짝에 對한 愛着 亦是 같은 信號 經路가 再活用된 것으로 行動의 側面에서 겹치는 面이 많다. 老나펩타이드 權威者인 美國 에머리臺 精神健康醫學科 래리 영 敎授는 “女性은 사랑의 進化的, 神經學的 뿌리가 엄마-아기 紐帶 形成 回路에서 나왔다”고 說明했다.
한便 男性 또는 一夫一妻制 수컷에서는 바소프레신이 紐帶 形成에 더 큰 役割을 하는 것으로 보인다. 래리 寧殷 “元來는 水分 均衡만 調節하던 物質이 이제는 人間 수컷이 짝짓기 相對와 紐帶를 맺는데 關與한다”며 “옥시토신에 敏感한 程度는 (女性호르몬인) 에스트로겐에 左右되고 腦의 行動 制御 領域으로 뻗은 바소프레신 合成 뉴런은 (男性호르몬인) 테스토스테론에 크게 影響 받는다”며 男女 差異의 背景을 說明했다.
● 알로스타틱 호르몬
지난 2020年 學術誌 '認知科學 傾向'에는 옥시토신의 다양한 機能을 새로운 觀點에서 眺望해 一般化한 寄稿文이 실렸다. 卽 옥시토신은 動物이 變化하는 環境에 對應해 安定性을 維持할 수 있게 도와주는 '알로스타틱 호르몬'이라는 것이다. 알로스타틱의 名詞形인 알로스타시스(allostasis)는 生體適應이라고 飜譯할 수 있는데 호메오스타시스(homeostasis. 恒常性)와는 다른 槪念이다.
호메오스타시스가 定溫動物의 體溫처럼 늘 일정한 範圍 內를 維持하게 하는 메커니즘이라면 알로스타시스는 바뀌는 內外 環境에 適應해 生存 可能性을 높이기 위해 進化시킨 메커니즘이다. 이런 觀點에서 옥시토신을 包含한 노나펩타이드를 들여다보면 機能의 多樣性 밑에 깔린 共通點이 드러난다.
옥시토신은 出産과 授乳 等 특별한 環境의 要求에 맞게 몸이 準備할 수 있게 行動과 生理의 基準點을 再調整하는 役割을 한다. 옥시토신이 學習과 記憶에 關與하는 現象도 環境 變化에 對한 生體適應으로 보면 首肯이 간다. 最近 發見된 옥시토신의 地方分解 機能 亦是 먹이가 不足하거나 長時間 活動으로 에너지가 떨어졌을 때 地方組織에 貯藏된 中性脂肪을 에너지源으로 쓸 수 있게 해 살아남게 하는 알로스타시스로 볼 수 있다.
草原들쥐 硏究로 옥시토신을 사랑의 호르몬으로 불리게 했던 美國 에머리代의 神經科學者 래리 靈이 지난 3月 21日 56歲의 나이에 心臟痲痹로 別世했다. 네이처 提供
며칠 前 뉴욕타임즈에 옥시토신 權威者인 美國 에머리臺 精神健康醫學科 래리 영 敎授의 訃告記事가 실렸다. 1956年 生으로 滿 56歲인 영 敎授는 지난 3月 21日 日本 쓰쿠바에서 열린 學術大會 現場에서 心臟痲痹로 쓰러진 뒤 回復하지 못했다. 最近 數年 동안 래리 寧殷 精神健康에 미치는 옥시토신의 效果에 對한 硏究를 集中하고 있었다고 한다. 그의 못다 이룬 꿈을 後輩 科學者들이 이뤄내길 바란다.
※ 筆者紹介
강석기 科學칼럼니스트.
LG生活健康硏究所에서 硏究員으로 勤務했고 2000年부터 2012年까지 동아사이언스에서 記者로 일했다. 2012年 9月부터 프리랜서 作家로 活動하고 있다. 지은 冊으로 《姜碩期의 科學카페》(1~10卷), 《生命科學의 起源을 찾아서》, 《植物은 어떻게 作物이 되었나》가 있다.
