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[2004 노벨 생리의학상, Richard Axel 및 Linda B. Buck 수상, 냄새 기억하는 후각 수용체와 후각 시스템의 메커니즘 밝혀(The 2004 Nobel Prize in Physiology or Medicine, The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award The Nobel Prize in Physiology or Medicine for 2004 jointly to Richard Axel and Linda B. Buck for their discoveries of "odorant receptors and the organization of the olfactory system"(Oct/2004)]

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[목차]

1. 후각(嗅覺)이란?
2. 2004 노벨 의학상 - 냄새 기억하는 후각 수용체와 후각 시스템의 조직 발견(odorant receptors and the organization of the olfactory system)
3. Richard Axel과 Linda B. Buck
4. 노벨의학상 2인의 업적 - 후맹증 치료, 인공코 개발 길 열어
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1. 후각(嗅覺)이란?

지구상에 존재하는 냄새 분자(Odorant molecules)는 1만 가지가 넘는다. 인간은 어떻게 이들 냄새를 분류하고 기억해낼 수 있는 것일까? 후각이 인간의 감각 중 가장 불가사의한 감각으로 인식됐던 것도 그래서 였다. 코 안에는 비강이라는 넓은 공간이 펼쳐져 있고, 계속 비강을 따라가면 목구멍이 나온다. 즉 코는 목구멍과 연결되어 있으며 동시에 유스타키오관을 통해 귀와 연결되어 있고 눈물길을 통해 눈에 이어져 있다.

후각은 민감한 동시에 놀라울 정도로 환경에 쉽게 익숙해진다. 처음에는 코가 비뚤어지는 것이 아닐까 싶을 정도로 심한 악취를 느꼈더라도, 시간이 지나면서 아무것도 아닌 것처럼 느끼는 수가 있다. 처음에는 냄새의 자극에 민감하게 반응하지만, 오래지 않아 아무런 느낌도 갖지 않게 되는 것이 후신경(嗅神經)이다. 따라서 후각은 피로하기 쉬운 감각이라고 말할 수 있다. 냄새를 계속 맡고 있으면 그 냄새에 대한 감각이 약해지는 것이다. 반대로 북극이나 남극처럼 냄새가 없는 환경에서 생활하면, 냄새에 대한 감수성이 증가해서 미약한 냄새도 민감하게 느끼게 된다.

감기에 걸리면 콧물이 나면서 코가 막혀 고생을 하게 된다. 이때의 콧물은 감기를 일의 키는 바이러스를 공격하기 위해 백혈구와 혈장이 코의 점막을 통해 밖으로 나온 것이다. 콧물이 나오면 아무래도 코를 풀게 된다. 코를 풀면 그 자극으로 인해 공기의 통로가 염증을 일으키고, 코가 막히게 된다. 감기뿐만 아니라 급성 비염이나 알레르기성 비염, 축농증(만성 부비강염) 등의 질환을 앓게 되면 코가 막힌다.

콧구멍의 입구는 사람에 따라 차이가 있기는 하지만, 대개는 손가락이 들어갈까 말까 할 정도의 비강이 펼쳐져 있다. 비강은 비중격이라는 얇은 뼈로 된 판에 의해서 좌우로 나뉘는데, 위, 가운데, 아래에 있는 세 개의 비갑개로 나뉘어 있다. 그리고 비강 주위의 광대뼈 속에는 부비강이라는 공간이 있다. 부비강 중에서 가장 큰 것을 상악동이라고 하는데, 상악동은 중비갑개에 이어져 있다. 이 상악동에 염증이 생기면 거기서 배어나온 고름이 고이기 쉬워 염증이 오래 간다. 상악동염이 이렇게 만성 염증으로 이행한 것이 축농증이다.

상비갑개의 천장에는 후신경구(嗅神經球, Olfactory bulb)라는 곳이 있는데, 이곳에서부터 후신경이 뻗어나가 냄새의 자극을 시상이나 측두엽의 후각중추로 보낸다. 후신경구가 있는 부분의 표면은 점막으로 싸여 있는데, 후신경구에서 뻗어나온 후각 수용체(후각 섬모, 嗅覺 受容體)가 냄새 분자(Odorant molecules)들을 붙잡는다. 우리가 들이마신 공기에 있는 냄새 분자가 후각 섬모(후각 수용체)를 자극하는 것이다. 강한 냄새 분자라면 1리터 중에 100억 분의 1정도만 있어도 사람의 후각이 느낄 수 있다. 냄새를 구별하는 능력은 후신경구의 수에 따라 다른데, 사람은 평균 500만 개 정도의 후신경구를 갖고 있다고 한다. 그러므로 대략 3천 종에서 1만 종 정도의 냄새를 구별할 수 있다고 한다. 개는 1억 개에서 2억 개에 달하는 후신경구가 있다고 한다. 그러므로 개는 인간보다 더 많은 냄새를 맡을 수 있는 것이다. 

2. 2004 노벨 의학상 - 냄새 기억하는 후각 수용체와 후각 시스템의 조직 발견(odorant receptors and the organization of the olfactory system)

스웨덴 카롤린스카연구소(Karolinska Institutet) 노벨상 선정위원회는 2004년 10월 4일 인간의 후각계통에 대해 연구한 공로로 미국의 Richard Axel(58)과 Linda B. Buck(57)을 올해 노벨의학상 수상자로 선정, 발표했다. 노벨상 위원회는 두 과학자가 어떻게 사람들이 라일락 꽃의 향기를 맡을 수 있고, 몇 년 후 이 향기를 다시 기억할 수 있는지를 설명함으로써 인간의 감각 중 가장 오랫동안 수수께끼로 남아 있던 후각의 비밀을 밝혀냈다고 선정이유를 밝혔다. 일련의 선구적인 연구를 통해 인체 후각계통의 작동 메커니즘을 규명한 Richard Axel과 Linda B. Buck은 각각 뉴욕 컬럼비아대학 하워드휴즈의학연구소(HHMI)와 워싱턴주 시애틀의 프레드허친슨암연구센터에 재직 중이며 의학상 공동 수상으로 1천만 크로네(약 15억7 천만원)의 상금을 나눠 받게 된다.

이들은 1991년 인간과 동물의 코 점 막에 있는 후각수용세포(Olfactory receptor cells)에 유전자 1천 여 개로 구성된 후각 유전자군을 발견한 내용의 중요한 논문을 공동으로 발표한 뒤 이후 개별적인 연구를 통해 후각기관이 분자수준에서 세포 조직까지 작용하는 과정을 이해할 수 있는 토대를 마련했다. 이들은 엄청난 냄새 종류를 인간이 어떻게 감지하고 기억하는지에 대한 과정을 구명했다는 점에서 이번 연구의 가장 큰 성과라고 노벨상 선정위원회는 설명하고 있다. 이들은 감각의 연구에 처음으로 분자 수준의 테크닉을 적용하는 연구 방법에서도 뛰어난 업적을 쌓았다.

이들 연구원들은 인간의 유전자(게놈 프로젝트 2에서 28,865개, 대략 3만 여 개)의 3%에 이르는 약 1,000개 유전자로 구성된 커다란 유전자 가족을 발견했으며 이를 유전자 숫자는 후각 수용체(후각 섬모, 嗅覺 受容體, Odorant receptor) 숫자와 같다는 것을 밝혀낸 것이다. 이들 후각 수용체들이 잡은 냄새 분자들은 후각수용세포(Olfactory receptor cells)로 전달되어 후각수용세포가 활성화되고 냄새 분자들을 전기신호로 신경망을 통해 후구(후각신사구체, 후각망울, 嗅球, Glomerulus)로 중계되는데, 각각의 후각수용세포들은 단지 한 가지 타입만의 후각 수용체를 포함하고 있다는 사실을 밝혀낸 것이다. 또한 각각의 후각 수용체들은 2-3개의 제한된 숫자의 냄새 물질만을 담당한다는 사실도 함께 밝혀낸 것이다. 1000여 개의 특별한 수용체는 각각 다른 유전자를 갖고 있다. 따라서 냄새를 맡는 데 관여하는 유전자도 1000여 개에 이른다. 이는 우리 몸이 갖고 있는 전체 유전자의 약 3%에 해당된다. 그리고 후구 숫자는 2,000 개 라는 사실도 밝혀냈는데, 후구 숫자는 후각 수용체 숫자의 2배에 이른다는 것이다. 후구는 승모세포(Mitral-cell)를 통해 전기신호들을 번연계의 시상이나 측두엽의 후각중추로 보내 그 곳에서 해석하고 기억되는 것이다. 처음엔 이토록 복잡한 경로를 통해 냄새가 인지되지만, 뇌는 한번 인지된 냄새를 기억하고 있기 때문에 다음에 비슷한 냄새가 날 때는 즉시 기억하게 된다는 게 엑설과 벅이 밝혀낸 후각 메커니즘이다.

이들은 또 같은 타입의 후각 수용체를 운반하는 후각수용세포들이 냄새 정보를 같은 타입의 후구로 전달하는 과정을 밝혀 낸 것이다. 인간이 과거에 맡았던 냄새를 기억할 수 있는 것도 이 같은 과정을 거쳤기 때문이다. 위원회는 이들 연구원들이 그 동안의 예상과 달리 후각수용세포에 후각수용체 유전자가 하나씩 만 발현된다는 사실을 각각 발견했다며 이는 인간이 어떻게 1만 여 가지나 되는 냄새를 맡고 기억할 수 있는지 이해하는 토대가 된다고 밝혔다.

후각은 오감 중 2%의 영향을 미치지만 냄새는 인간의 삶의 질에 결정적인 영향을 미친다. 각각 독특한 냄새가 별개 기억을 불러 일으키지 않는다면 인간은 지구상에서 안전하게 생존하기 힘들 것이다. 또한 후각은 인간뿐만 아니라 다른 많은 종의 생존과 직결돼 있다. 냄새를 통해 적을 구분하고 식량을 찾기 때문이다. 그러므로 위원회는 후각은 갓 태어난 포유류가 엄마를 알아내는 것에서 화재 감지에 이르기까지 모든 동물의 생존에 중요한 역할을 하며 인간의 삶의 질에도 중요하다고 강조했다.

이들 연구원들의 연구는 미각을 비롯한 인간의 다른 감각 기관에도 적용할 있다는 점에서 인식의 지평을 확대한 것으로 평가 받고 있다. 이들은 또 많은 동물에서 다른 사회적 행동양식을 불러 일으키는 페르몬(Pheromones, 동물의 몸 밖으로 분비돼 동종의 개체에 생리적, 행동적 반응을 일으키는 유기 물질, 예를 들어 개미는 이 페로몬에 의해 먹이를 찾는 순간 집으로 직선 단거리로 올 수 있다)의 인식 경로도 각각 독자적으로 밝혀냈다.

3. Richard Axel과 Linda B. Buck

1946년 7월 뉴욕에서 태어난 액설은 컬럼비아대를 졸업하고 존슨홉킨스대에서 의학박사 학위를 딴 뒤 모교인 컬럼비아대에서 생화학, 병리학, 생리학을 가르치고 있다. 84년 컬럼비아대 부설 하워드 휴즈 의학연구소에서 연구원 생활을 하면서 후각 계통 연구에 본격적인 관심을 기울였으며, 이는 91년 벅과 공동으로 발표한 후각 수용체 관련 논문으로 구체화됐다. 외과의사이기도 한 그는 현재 미국의 국립 과학원, 철학협회, 예술ㆍ과학원 회원으로 활동하고 있다. 특히 생화학 분야의 연구에 기여한 공로로 엘리 릴리상을 타는 등 생화학 및 신경과학 연구 분야에서 탁월한 공로를 세워 국제적으로 권위를 인정 받는 상을 수 차례 수상했다

미국 시애틀에서 1947년 1월 태어난 벅은 현재 시애틀에 있는 워싱턴대학 부설 프레드 허친슨 암연구센터 기초과학부에서 연구원으로 일하는 여성 과학자이다. 그녀는 노벨의학상 수상자를 선정하는 스웨덴의 카롤린스카 의대에서 2001년 12월 열린 심포지엄에서 냄새의 논리를 주제로 발표하는 등 후각계통의 비밀을 규명하는 데 평생을 바쳐왔다. 그녀는 워싱턴대에서 심리학과 미생물학을 복수 전공한 뒤 텍사스대에서 면역학 박사학위를 취득했으며, 그후 컬럼비아대에서 연구활동에 종사하기도 했다. 그녀가 집중적으로 연구해 온 분야는 코에서 최초로 감지된 냄새 신호가 뇌에서 인지돼 다양한 반응으로 변환되는 과정이었다. 하버드의대에서 한때 교편을 잡았던 벅은 후각 연구로 지난 92년과 96년 각각 다카사고상과 R.H. 라이트상을 수상하는 등 후각연구에서는 타의 추종을 불허하는 전문가로서 명성을 굳혔다.

4. 노벨의학상 2인의 업적 - 후맹증 치료, 인공코 개발 길 열어

사람은 어떻게 지구상에 존재하는 수 만가지 냄새를 제각기 구별해 맡을 수 있을까?. 이번 노벨의학상의 의미는 인간이 후각을 통해 냄새를 느끼는 과정을 분자생물학적으로 처음 밝혀낸 데 있다. 냄새는 공기 중에 떠돌아다니는 단백질로 구성된 기체다. 이 기체는 호흡을 통해 코 점막에 있는 후각수용체(단백질로 구성) 세포와 결합해 전기 신호를 만들고, 이 신호는 후각을 담당하는 뇌신경(후구)에 전달된다. 리처드 액설과 린다 벅은 전달된 정보가 후각중추가 있는 대뇌의 측두엽에 전해지면서 냄새를 감지한다는 사실을 전기화학적 작용으로 설명했다.

또 이들은 후각 수용체가 콧속에 1000개나 존재하며 각각의 수용체에는 G단백이란 물질이 있어 냄새 맡는 기능을 활성화한다는 사실도 규명해 냈다. 이 후각 수용체에는 개별 유전자가 관여해 두세 가지의 냄새를 맡게 되며 이들의 조합을 통해 인간은 1만 가지의 서로 다른 냄새를 식별해 낼 수 있다는 것이다. 인체게놈 사업으로 밝혀낸 인체 유전자는 모두 대략 3만 여 개이다. 냄새에 관여하는 유전자가 1000개임을 감안할 때 냄새를 맡기 위해 3%의 유전자가 동원되는 셈이다. 사람의 코 점막에는 1000여 개의 후각 유전자가 존재하며, 각각의 유전자는 1대1로 후각 수용체로 발현(發顯)된다. 1개의 후각 수용체가 담당하는 냄새 분자는 약 2~3개며, 1000여 개 수용체의 조합에 따라 사람은 1만개 정도의 냄새(또는 냄새 분자)를 구별할 수 있게 된다.

우리가 흔히 맛을 느끼는 미각 작용은 실제 대부분 후각에 의해 만들어진다. 커피향을 맡아 커피맛을 느끼는 것과 같은 이치다. 그리고 후각은 가스, 쉰 음식 등의 냄새를 감지해 위험으로부터 보호하는 중요한 기능을 한다. 그러나 후각은 이제까지 인체 오감 중 과학적 규명이 가장 미흡했던 감각기관이었다.

시각이나 청각과 달리 후각을 잃은 환자는 현재까지 어떤 방법으로도 치료가 불가능하다. 서울아산병원 이비인후과 장용주 교수는 “엑설과 벅이 후각의 메커니즘을 밝혀냈지만 아직 임상적으로 활용되지는 않고 있다”며 “그러나 상실된 후각을 복원시킬 수 있다는 가능성을 제시했다는 점에서 의의가 있다”고 말했다. 이들의 후각 생리 연구결과는 외상, 축농증, 종양 등으로 냄새를 못 맡고 사는 후맹증 치료는 물론 후각신경을 통한 본능과 감정의 조절 및 인간보다 몇 백배 예민한 인공코의 개발 등에 응용될 것으로 전망된다.

[소스]
[노벨상 선정위원회-Press Release: The 2004 Nobel Prize in Physiology or Medicine, The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award
The Nobel Prize in Physiology or Medicine for 2004 jointly to Richard Axel and Linda B. Buck for their discoveries of "odorant receptors and the organization of the olfactory system"((04/Oct/2004)]
[중앙일보-후맹증 치료, 인공코 개발 길 열어-노벨의학상 2인 업적(04/Oct/2004)]

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