경험은 어떻게 유전자에 새겨지는가

"전문용어의 바다에서 익사하지 않으면서
행동 후성유전학이 왜 그토록 큰 흥분을 일으키는지
이해하고 싶은 독자라면 더 이상 두리번거릴 필요가 없다."
- 마크 블룸버그, 아이오와대학교 생물학과 및 심리학과 교수

생물학 분야의 가장 뜨거운 주제, 후성유전학
경험이 몸과 마음에 새겨진다는 것을 과학으로 설명해내다
후성유전은 "다양한 맥락 또는 상황에 따라 유전 물질이 활성화되거나 비활성화되는 방식"을 일컫는다. 즉 후성유전은 DNA 염기 서열은 바꾸지 않고 DNA가 작동하는 방식을 바꿈으로써 우리의 몸과 마음에 영향을 미친다. 유전자의 활동을 켜거나(활성화하거나), 끔(침묵시킴)으로써 우리의 생각과 감정, 행동을 바꿀 수 있다는 말이다.
경험이 몸과 마음에 영향을 미친다는 말은, 언뜻 새로울 것이 없어 보인다. 우리는 스트레스가 질병의 원인이 된다거나 우리가 먹는 것이 몸에 직접적으로 영향을 미친다거나 생애 초기의 방임이나 학대가 성인기의 정신 건강에 악영향을 미친다는 것을, '상식'으로 받아들인다. 그러나 실제로 우리가 한 경험이 어떻게 '분자 수준의 생물학적 상태'에 영향을 미치는지는 베일에 싸여 있었다. 후성유전학은 이 과정을 과학의 영역에서 증명해낸다.
스탠퍼드대학교 생물학 및 신경학 교수 로버트 새폴스키에 따르면, "후성유전학은 생물학 분야에서 가장 뜨거운 주제다". 실제로 미국국립보건원 산하의 생명과학, 의학, 심리학 논문 검색 엔진 '펍메드'에서 1964년부터 2000년까지 36년간 '후성유전'을 언급한 자료는 겨우 46건뿐이었다. 그런데 21세기 첫 10년 동안 1,922건의 자료에서 후성유전을 언급했다. 40배가 넘는 수치다. 더 놀라운 것은 2013년 한 해에만 2,413편의 자료가 후성유전학을 언급하고 있다.
이 분야의 연구가 이렇게 급증한 이유는 후성유전이 실제로 엄청나게 많은 현상을 설명해주기 때문이다. 예를 들어 "정신증, 기억과 학습, 우울증, 암, 하루주기리듬, 비만과 당뇨병, 자폐, 형질 유전, 동성애, 중독, 노화, 곤충의 형태, 운동 및 영양, 환경 독소……" 등등으로 목록은 얼마든지 이어질 수 있다. 후성유전으로 설명할 수 있는 삶의 영역이 이토록 다양하기에 이 책은 "후성유전의 효과가 감정적 반응성, 기억과 학습, 정신 건강, 행동 같은 심리적 과정에 영향을 미치는 방식을 연구하는" 행동 후성유전학에 초점을 맞춘다.

중요한 것은 어떤 유전자를 타고났는지가 아니라
'유전자가 무엇을 하는지'다
1부 '이것은 혁명일까'에서는 후성유전이라는 학문이 왜 이토록 흥분을 일으키는지 쟁점을 살펴본다. 우선 생물학의 어엿한 분야로 자리 잡은 후성유전학이 우리의 DNA에 달라붙은 무언가(후성유전적 표지)가 실제로 존재하며 이것들이 DNA가 기능하는 방식에 결정적인 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다고 짚는다. 특히 '경험과 우리가 처한 상황'이 후성유전적 표지에 영향을 줄 수 있다는 점에서, 후성유전학이 '본성 대 양육' 논쟁을 뿌리째 뒤흔들었다고 말한다.(1장) 후성유전은 또한 DNA에 관한 우리의 고정관념, 즉 '타고난 유전자가 우리의 표현형(특징이나 성격)을 결정한다'는 유전자 결정론도 뒤집는다. 책은 DNA가 우리의 그 어떤 특징도 단독으로 만들어낼 수 없다고 확언하며, 우리 형질은 '유전적 요인'과 '비유전적 요인'의 상호작용을 통해 만들어진다는 점을 강조한다. 유전자의 활동 정도가 경험과 환경에 따라 달라진다는 점을 감안하면, 어떤 DNA를 가지고 있는지가 아니라 그 DNA가 어떤 일을 하는지가 중요하다는 것이다.(2장)
그렇다면 후성유전적 표지는 어떻게 DNA를 조절할까? 책은 유전자를 침묵시키거나(DNA 메틸화) 활성화하는(히스톤 아세틸화) 후성유전 메커니즘에 관해서도 알기 쉽게 들려준다. 가장 대표적인 것이 DNA 메틸화로, 마치 스파케티 접시 위에 뿌린 후추 입자가 파스타 가닥에 달라붙는 것과 비슷하게 DNA에 메틸기라는 분자가 달라붙는 과정이다(물론 파스타의 후추보다 DNA의 메틸기는 더욱 강력하게 달라붙는다). 'DNA 메틸화'는 유전자를 대개 침묵시키는(기능하지 않도록 하는) 것으로 알려져 있다. 또 다른 후성유전 메커니즘은 DNA가 둘둘 실패처럼 감겨 있는 '히스톤'이라는 분자에 아세틸기가 붙으면서 일어난다. '히스톤 아세틸화'는 DNA 메틸화와 정반대의 효과, 즉 유전자 발현 증가(기능하도록)로 이어진다.(6장)

경험이 유전자의 기능을 켜거나 끌 수 있다
과연 어떻게?
2부 '후성유전학의 기본 개념들'에서는 행동 후성유전학의 기본 이론과 유명한 연구 사례부터 다양하고 새로운 최신의 실험까지 두루 살펴본다. 특히 할로의 '접촉 위안' 실험을 들어 생애 초기 경험이 특정 결과를 만든다면(생애 초기에 방임이나 학대를 당한 아이는 나중에 정신장애를 겪을 가능성이 크다거나 조산아에게 마사지 치료를 하면 체중이 늘고 스트레스가 감소하며 통증 반응도 줄어든다면), 과연 그 경험이 '어떻게' 그 결과를 만들어내는지 중요하다고 짚는다. 생애 초기에 한 경험이 수년 후에 '어떤 과정을 거쳐' 영향을 주는지 그 원리를 알게 된다면, '자녀를 학대하거나 방임해서는 안 된다'며 부모를 설득하는 일 이외에 다른 의지할 수단을 만들 수 있기 때문이라는 것이다. 실제로 생애 초기 경험의 물리적 효과와 결과를 밝혀낸 획기적이고 가장 대표적인 맥길대학교 마이클 미니와 모셰 스지프 연구팀의 어미 쥐 연구를 상세히 소개한다.(10장)
그렇다면 경험이 '인간(또는 영장류)'에게 미치는 후성유전적 영향을 알아본 연구는 없을까? 책에는 생애 초기 경험이 사람의 후성유전적 상태와 관련이 있음을 밝혀낸 자살자의 뇌 연구와 지배 서열이 DNA 메틸화 상태를 바꿀 수 있음을 증명한 붉은털원숭이의 혈액 분석 연구가 실려 있다. 뿐만 아니라 혈액 연구가 인간의 후성유전적 상태를 알아보는 '가능성'을 열어주었다며 그동안 봇물 터지듯 쏟아져 나온 인간 혈액 세포 연구들도 살펴본다.(12장)
그밖에 기억(13장, 14장)을 만들어 내거나 저장하는 방식에 후성유전적 메커니즘이 관여한다는 흥미진진한 이야기, 영양 상태 및 식습관(15, 16장)이 유전자 발현에 주는 휴성유전적 영향에 관한 논의 등이 다채롭게 펼쳐진다. 특히 '미래에 아빠가 될 사람이 무엇을 섭취하는가'도 이후 자녀의 특성에 영향을 줄 수 있다는 사실이 드러나기 시작했다는 대목은, '후성유전의 심리적, 생물학적 영향'이 대물림될 수 있다는 점을 분명히 한다.

경험이 새겨진 유전자는 대물림된다
과연 어떻게?
3부 '대물림의 의미와 메커니즘'에서는 후성유전의 효과가 실제로 어떻게 세대에서 세대를 이어 대물림되는지 근거를 들어 설명한다. 현대 생물학은 우리의 생식세포(정자와 난자)와 체세포(나머지 모든 세포) 사이에 '장벽'이 있어 서로 영향을 주고받지 못하고 따라서 '획득된 형질은 유전될 수 없다'고 여긴다. 이 '현대 종합설'은 유전자만이 진화적 변화를 추동하며, 살아가면서 하는 경험은 자손에게 아무 영향도 미치지 않는다고 본다.
그러나 책에 따르면 후성유전학은 '행동과 환경'을 통해 세대 간 경험을 대물림(17장, 18장)할 뿐 아니라 심지어 '생식계열'을 통해서도 대물림된다(19장)는 사실을 속속 증명하고 있다. 책은 임신한 생쥐의 먹이가 새끼 쥐의 DNA 메틸화(유전자 침묵 상태)와 털색에 영향을 준다는 사실을 확인한 연구, 고지방 먹이를 먹인 수컷 쥐의 암컷 새끼에게 나타난 변화를 알아본 연구 등을 통해 후성유전의 효과가 생식 계열을 통해 대물림된다는 사실을 짚는다.
조부모( 및 조상)의 영양 상태가 유전된다는 점을 밝힌 스웨덴 외베르칼릭스 지역 연구(스웨덴 연구)는 이 책에서 가장 놀랍고도 흥미로운 대목이다.(20장) 스웨덴 연구는 후성유전학 연구의 가장 대표적 연구 중 하나인 '네덜란드 기근 연구'에서 착안됐다. 스웨덴 최북단의 외베르칼릭스 지역에는 19~20세기에 걸친 연간 곡물 수확량을 기록해둔 자료가 있었다. 이 자료로 과학자 라르스 올로브 뷔그렌과 그의 동료들은 '특정 세대가 얻을 수 있었던 식량의 양이 후손의 형질과 어떤 관계가 있는지' 알아보는 혁신적 역학 연구를 진행할 수 있었다. 연구 결과는 가히 놀랍다. '특정 남성의 느린 성장기(9~12세)에 식량이 충분하지 않았다면 미래 그의 아들은 심혈관 질환 합병증으로 사망할 가능성이 더 낮다'는 것을 시사하는 결과였기 때문이다. 이 영향은 아버지와 할아버지를 통해 전달되었으며, 그들이 과식이나 굶주림을 겪던 당시 손자들은 배아로든 원시생식세포로든 전혀 존재하지 않았다는 점에서 '후성유전의 효과가 생식계열을 통해 대물림된다'는 것을 증명한다.

뜨거울수록 경계해야 할 것들, 그럼에도 희망적인 것들
4부 '숨은 의미 찾기'에서는 후성유전학의 한계와 희망적 교훈을 살펴본다. 우선 후성유전학이 '뜨겁고 유망하기는 하지만' 여전히 밝혀져야 할 것들이 많기에 맹신해서는 안 된다고 꼬집는다.(21장) 행동 후성유전학의 놀라운 발견에 경도된 나머지 '다른 형태의 결정론' 이를 테면 '후성유전적 결정론'을 펼치는 일은 위험하다는 말이다. 책은 행동 후성유전학과 관련한 연구 중 몇 가지가 생애 초기 경험의 장기적 영향을 강조했다고 해서 '아기가 초기에 한 경험이 반드시 그들의 특징에 영속적인 영향을 미친다'고 봐서는 안 된다고 지적한다. 저자는 단호하게 말한다. "사람의 발달은 결정론적으로 이루어지는 과정이 아니"며 "삶의 초기에 어떤 식으로든 우리의 운명이 완전히 결정된다는 것은 잘못된 가정"이라고.(362쪽) 또한 후성유전이 조상들의 심리적 기억이 전달되는 경로일 가능성도 아주 낮다는 점도 짚고 넘어간다. 후성유적적 표지가 우리 조상들이 지낸 역사의 어떤 '측면들'을 반영하지만(예를 들어 조상들이 생애 특정 시기에 어느 정도 양의 음식을 먹었는지), 우리 유전체에 조상이 한 경험의 구체적 기억이 담겨 있다는 것은 믿기 어렵다는 것이다.
여전히 한계가 있지만, 그럼에도 저자는 여태까지 과학자들이 밝혀낸 후성유전학에 관한 새로운 지식이 앞으로 여러 영역에서 긍정적이고 확실한 효과를 낼 것이라고 예측한다.(22장) 암과 노화, 중독과 알츠하이머병과 외상 후 스트레스 장애 같은 기억에 관한 질환, 조현병과 양극성장애와 자폐와 우울증 같은 정신 병리에서 '치료 효과'를 내는 약물이나 방법을 개발하는 데 토대로 활용될 수 있다는 것이다. 실제로 암에 관해서는 후성유전 약물이 개발되어 치료에 쓰이고 있으며, 앞으로 기억장애와 우울증/불안증 치료제도 개발될 가능성이 높다고 말한다.

행동 후성유전학이 품고 있는 핵심적인 함의
환경과 맥락에 따라 달라지는 유전체에 관한 후성유전학의 놀라운 발견들은, 생물학의 도그마와 판도를 뒤집었다. DNA가 인간의 형질을 결정한다는 '유전자 결정론'뿐 아니라 '본성 대 양육'이라는 기존의 이분법적 사고도 무너뜨리는 중이다. 경험이 유전자에 끊임없이 영향을 미친다는 믿음은, '초기 경험이 미래를 결정한다'는 명제에도 이의를 제기한다. 책에 여러 번 강조된 말처럼 "어떤 아기가 어른이 되었을 때 얼마나 똑똑할지 알고 싶다면, 그때까지 기다려보는 수밖에 없다." 이 말은 아동기에 한 암담한 경험이 외상 후 스트레스 장애의 원인이 되었더라도, 이후 어떤 경험을 하느냐에 따라 미래에 그 증상을 사라지게 할 수 있다는 말과 같다.
후성유전학의 영향력은 놀라울 정도로 방대하고 복잡하지만, 비과학자인 독자가 얻어갈 수 있는 메시지는 조금 식상할 수 있다. 저자는 "현재 나와 있는 데이터로부터 얻을 수 있는 조언들은, 후성유전학에 관해 전혀 몰랐을 때도 들었을 법한 조언들과 그리 다르지 않다(423쪽)"고 말한다. 야채를 많이 먹고, 사회적 관계를 잘 유지하며, 독소를 피하라는 등의 조언 말이다. 아이를 주의 깊게 보살피고, 환경을 신중하게 선택하고 구축하며, 건강과 발달을 증진할 수 있는 방식으로 살아가야 한다는 메시지도.
다만 후성유전의 교훈이 식상하다고 해서 의미 없는 것은 아니다. '경험과 환경'이 중요하다는 믿음은 우리가 삶을 어떻게 살아갈지, 또 우리 곁의 사람들을 어떻게 대할지에 지대한 영향을 미친다. 후성유전학은 귀찮은 운동을 굳이 시작해야 할지 고민 중인 사람, 아이를 어떻게 키워야 할지 걱정하는 부모, 약이 효과를 내는 방식을 이해하려는 의사, 국민을 환경 독소로부터 안전하게 지킬 방법을 모색 중인 정치인 등 모두에게 중요한 의미를 던져준다. 어떤 식으로든 우리 모두에게 후성유전학은 대단히 중요하다.
이제 '어떻게 살아가느냐가 중요하다'는 말은 그저 구호가 아니다. 분자 수준의 과학에서도 그 말은, 증명되고 있다. 무엇을 선택할 것인지는, 물론 우리의 몫이다.

1부 이것은 혁명일까
1 맥락의 힘
2 DNA는 그런 식으로 작동하지 않는다
3 발달, 세포와 맥락의 상호작용
4 DNA란 무엇인가
5 심층 탐구: DNA
6 조절, 스위치를 켜거나 끄는 일
7 심층 탐구: 조절

2부 후성유전학의 기본 개념들
8 몸과 행동을 바꾸는 후성유전
9 심층 탐구: 후성유전
10 경험은 어떻게 뇌를 바꾸는가
11 심층 탐구: 경험
12 영장류 연구
13 기억의 과학
14 심층 탐구: 기억
15 우리가 먹는 것이 우리다
16 심층 탐구: 영양

3부 대물림의 의미와 메커니즘
17 후성유전의 효과는 대물림된다
18 다양성의 바다에서
19 경험이 유전된다는 증거
20 조부모 효과

4부 숨은 의미 찾기
21 경계해야 할 것들
22 근거 있는 희망
23 행동 후성유전학의 핵심 교훈

데이비드 무어 발달 및 인지 신경과학자. 피처대학 및 클레어몬트 대학원에서 심리학과 교수로 일한다. 하버드대학교에서 발달·생물심리학 박사 학위를 받았고 뉴욕시립대학교에서 박사후연구원을 지냈다. 유아기의 인지 및 지각 발달을 전문적으로 연구하며, 인간의 발달에 영향을 주는 유전과 환경, 후성유전적 요인을 탐구한다. 그의 첫 책 《의존하는 유전자(The Dependent Gene)》는 인지발달학회 최고저술상(Best Authored Volume award) 후보에 올랐다.