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데이비드 줄리어스 UC샌프란시스코 교수·아뎀 파타푸티언 스크립스연구소 교수
2021 노벨 생리의학상 수상자로 데이비드 줄리어스 미국 샌프란시스코 캘리포니아대 생리학과 교수(왼쪽), 아뎀 파타푸티언 미국 스크립스연구소 신경과학과 교수가 선정됐다. 노벨위원회 제공
올해 노벨 생리의학상은 인체에서 온도와 감각 느끼는 수용체를 발견해 사람이 세상을 온몸으로 인식하는 체감의 신비를 가장 기초적인 수준에서 규명한 학자들에게 돌아갔다. 이들의 발견으로 사람의 감각이 어떻게 작동하고 세상을 느끼는지 더 깊이 이해할 수 있게 됐으며 만성통증 치료제 개발에도 새로운 가능성이 열렸다는 평가가 나온다.
스웨덴 카롤린스카 의대 노벨위원회는 4일(현지시간) 2021년 노벨생리의학상 수상자로 데이비드 줄리어스 미국 샌프란시스코 캘리포니아대 생리학과 교수와 아뎀 파타푸티언 미국 스크립스연구소 신경과학과 교수를 선정했다고 발표했다.
위원회는 "올해 의학상은 더위와 추위, 촉각을 감지하게 하는 온도와 촉각 수용체를 발견한 과학자 두 명에게 수여한다"며 "이런 감각들을 우리는 일상에서 당연하게 생각하지만 온도와 압력을 어떻게 인지하는지에 대해서는 오랫동안 미스터리였고 이 두 수상자들이 해결했다"고 선정 이유를 밝혔다. 두 사람이 발견한 온도수용체와 촉각수용체는 인류의 감각과 환경 사이 복잡한 상호 작용을 이해하는 데 있어 지금까지 누락돼 있던 중요한 연결 고리로 꼽힌다.
데이비드 줄리어스 미국 샌프란시스코 캘리포니아대 생리학과 교수. 캘리포니아대 제공
줄리어스 교수는 온도 수용체를, 파타푸티언 교수는 기계적 감각과 위치 감각 수용체를 각각 규명한 공로를 인정받았다. 특히 온도와 통증을 느끼는 수용체의 경우 마약성 진통제를 대체할 통증완화제를 개발하는 데 단초를 제공할 것으로 보인다.
눈과 귀, 코, 혀, 피부가 느끼는 다양한 감각들은 사실 외부에서 전해지는 자극을 신경계와 뇌가 인지한 결과다. 예를 들어 빛이 눈에 있는 수용체를 활성화시켜 전기신호를 만들면 이것이 시신경을 타고 뇌까지 전해진다. 그러면 뇌는 앞에 있는 사물이 어떤 모양과 색깔을 띠었는지 알 수 있다.
하지만 뇌가 온도와 촉각을 어떻게 인지하는 것인지에 대해서는 오랫동안 미스터리였다. 열이나 기계적인 자극이 어떤 메카니즘을 거쳐 전기신호로 바뀌는지에 대해서 알 수 없었기 때문이다.
줄리어스 교수는 통증 감각이 어떻게 느껴지는지 분자 단위에서 알아낸 성과를 인정받았다. 그는 1990년대 후반 당시 통증으로 신경세포를 활성화하는 것으로만 알려진 캡사이신이 어떻게 기능하는지에 대해 알아냈다.캡사이신은 고추에 든 매운맛 분자로 잘 알려져 있다.
줄리어스 교수는 통증과 열, 접촉에 반응하는 감각 뉴런에서 발현되는 유전자에 해당하는 수백만 개의 DNA 라이브러리를 만들었다. 이중 캡사이신에 반응하는 단백질을 만드는 DNA가 있다고 가정했다. 하지만 캡사이신에 반응하지 않는 배양 세포에서 유전자를 찾았다. 추가 실험을 통해 이 유전자가 새로운 이온 채널 단백질(TRPV1 수용체)을 암호화한 것으로 밝혀졌다.
그는 열 실험에서 고통을 느낄 만한 온도(42~43도 이상)에서 수용체가 활성화하는 것도 확인했다. 수용체가 열리면서 이온이 세포로 들어가면서 신경세포를 활성화시키는 원리다. 즉 TRPV1 수용체는 열과 통증을 함께 느끼는 수용체다. 그리고 이에 대한 유전자를 복제하는 데 성공해 1997년 국제학술지 '네이처'에 발표했다.
여기에 캡사이신 같은 분자가 붙으면 이 자극이 전기신호로 바뀌어 신경계를 통해 뇌까지 전달된다. 뇌는 어느 수용체가 활성화했는지 감지해 열과 통증을 인식한다. 고추의 매운맛은 엄밀히 맛이 아니라 열과 통증이 혼합된 감각인 것이다.
이 연구를 시작으로 줄리어스 교수와 공동 수상자인 파타푸티언 교수는 경쟁적으로 수용체들을 찾아내기 시작했다. 멘톨 분자가 붙었을 때 차가움 또는 시원함을 느끼게 하는 수용체(TRPM8)를 찾아냈다. 이와 관련된 이온채널들도 추가로 발견됐다.
아뎀 파타푸티언 미국 스크립스연구소 신경과학과 교수. BBVA 재단 제공
하지만 온도에 대한 감각이 밝혀지는 동안 기계적인 자극이 어떻게 촉각과 압력 감각으로 전환될 수 있는지에 대해서는 여전히 미스터리였다. 파타푸티언 교수는 세포 가운데 마이크로피펫 끝단으로 찔렀을 때 측정 가능한 전기신호를 방출하는 세포를 찾아, 이와 관련있는 것으로 추정되는 유전자 72개를 찾아냈다. 이 유전자들을 하나씩 비활성화하면서 기계적 감각을 담당하는 유전자를 찾았다.
그리고 특정 유전자를 비활성화했을 때 세포를 찔러도 아무 반응이 없는 유전자를 찾아내는 데 성공했다. 이 수용체에는 'PIEZO1'이라는 이름을 붙였다. 이후 이와 비슷한 두 번째 수용체인 'PIEZO2'도 찾았다. PIEZO1은 기계적인 자극을 감지하는 수용체이며, PIEZO2는 위치와 자세를 감지하는 수용체다. 파타푸티언 교수팀은 이 두 수용체가 혈압이나 호흡, 방광 조절 같은 주요 생리과정을 조절하는 것도 알아냈다. 이 연구 결과는 2007년 국제학술지 '사이언스'에 발표됐다.
통증 분야 전문가 오우택 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소장은 "두 사람의 연구는 각각 20년과 10년 정도 성과가 나온 비교적 최신 연구에 속하지만 온몸의 감각에 해당하는 체성감각에 관한 연구에서 독보적인 연구 성과를 보여줬고 이후 많은 연구에 영감을 줬다"고 평가했다. 오 소장 역시 두 사람과 비슷한 시기 캡사이신에 반응하는 수용체와 기계 자극에 반응하는 수용체 연구를 시작했지만 아쉽게 두 사람에게 선수를 빼앗겼다.
황선욱 고려대 의대 생리학교실 교수는 "두 교수는 사람의 촉각과 통각의 기전을 최초로 분자 수준에서 밝혀냈다"며 "두 연구팀이 경쟁적으로 촉각과 통각 분야를 연구를 하며 수많은 수용체 분자들을 발굴한 점을 인정받아 노벨 생리의학상을 받은 것으로 보인다"고 말했다.
김광국 서울아산병원 신경과 교수는 "TRPV1 수용체는 척추의 신경말단 부분인 배근신경절 세포에서 처음 찾아냈는데, 이 수용체는 지금도 통증 치료 연구에서 중요한 역할을 한다"며 "통증을 전달하는 가느다란 신경망인 C 신경섬유와 A 델타 신경섬유에 다량 존재하기 때문"이라고 설명했다. 김 교수는 "외상을 입었을 때 캡사이신 유사 물질이 분비되면서 통증과 열감을 느끼는 것"이라며 "TRPV1에서 전기신호가 전해지는 통로를 차단해 신경 통증 자극을 줄여주는 리도카인 등 통증치료제를 개발하는 데 활용됐다"고 설명했다.
줄리어스 교수는 1955년 미국 뉴욕의 러시아 출신 이민자 가정에서 태어났다. 미국 매사추세츠공대(MIT)에 진학해 1977년 학사 학위를 취득하고, 1984년에는 버클리 캘리포니아대(UC버클리)에서 박사학위를 취득했다. 그 뒤 미국 컬럼비아대 암연구소에서 박사후 연구원을 지냈다. 1989년 미국 샌프란시스코 캘리포니아대 조교수로 임명됐다. 줄리어스 교수는 2000년 펄-UNC(Perl-UNC) 신경과학상, 2010년 쇼상(ShawPrize) 생명과학 및 의학 부문, 2014년 폴 얀센 생물의학연구상, 2020년 카블리상, 2020년 브레이크스루상 생명과학상을 받는 등 노벨상 수상 예비후보의 길을 꾸준히 밟아 왔다. 그는 2014년 폴 얀센 생물의학연구상 소감에서 “통증 감각의 분자적 기초에 초점을 두고 칠리 페퍼와 같은 일반 식품의 자극에 신체가 어떻게 반응하는지 이해하려는 열망과 매혹에서 연구를 시작했다"며 "연구가 관절염, 천식 및 만성 통증과 같은 질병을 앓고 있는 사람들에게 보다 효과적인 치료법으로 이어지기를 기대한다"고 말했다.
파타푸티언 교수는 1967년 레바논에서 태어난 아르메니아계 출신으로 유년시절 레바논 내전을 겪었다. 베이루트아메리칸대 의과대에 1학년으로 입학했지만 무장 세력에게 구금되는 등 위기를 겪기도 했다. 이런 위험에서 벗어나고자 미국으로 이민을 떠나 1990년 미국 로스앤젤레스 캘리포니아대(UCLA) 세포 및 발달 생물학 학위를 받고, 1996년 미국 캘리포니아공과대에서 생물학 박사 학위를 취득했다. 미국 샌프란시스코 캘리포니아대(UCSF)에서 박사후 연구원을 지냈다. 수상내역으로는 2017년 올던스펜서상, 2019년 로즌스티얼상, 2020년 카블리상 신경과학부문, 2020년 BBVA 재단의 지식프론티어상을 받았다.
수상자들은 각각 메달과 함께 상금 1000만 크로나(약 13억380만원)을 절반씩 나눠 가진다. 매년 시상식은 알프레드 노벨의 기일인 12월 10일 스웨덴 스톡홀름에서 연회와 함께 열리지만 올해는 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19·코로나19)으로 인해 취소됐다. 대신 수상자들이 자국에서 상을 받는 장면을 TV로 중계한다.
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