제2장: 인간이여, 너 자신의 몸을 알라——정신장애의 생물학적 전제

4층 상호작용 프레임워크의 위치 설정: 본 장은 책 전체의 4층 프레임워크를 위한 예비 지식이다. 유전층(제4장), 발달층(제5장), 대사층(제6장), 그리고 사회환경층(제9장)으로 들어가기 전에, 우리는 생명과학의 기본 언어를 확립해야 한다. 정신장애는 '마음을 잘못 먹어서' 생긴 것도, '의지가 약해서' 생긴 것도 아니며, 뇌의 생물학적 문제이다. 그리고 뇌는 생명 시스템의 하나의 기관에 불과하다. 본 장은 유전자에서 기관에 이르기까지 생명의 조직 원리를 단계별로 밝힌다.

2.1 유전자: 생명의 청사진이자 취약성의 근원

유전자는 생명체 유전 정보의 기본 단위로, DNA 분자 상에서 특정 유전 효과를 지닌 단편이다. 인간 게놈은 약 20,000~25,000개의 단백질 코딩 유전자를 포함하고 있으며, 이는 생명 활동을 구축하고 유지하는 데 필요한 모든 지시 사항을 코딩한다 (International Human Genome Sequencing Consortium, 2004, Nature).

2.1.1 DNA의 구조와 정보 저장

DNA(디옥시리보핵산) 분자는 이중나선 구조를 취하고 있으며, 1953년 왓슨과 크릭에 의해 최초로 기술되었다 (Watson & Crick, 1953, Nature). 두 개의 뉴클레오타이드 사슬은 염기 쌍 결합(아데닌 A와 티민 T 결합, 구아닌 G와 사이토신 C 결합)을 통해 연결된다. 염기의 특정 배열 순서가 유전암호를 구성하여 단백질의 아미노산 서열을 결정하며, 이를 통해 생명의 모든 유전 정보를 저장한다.

인간 게놈은 약 30억 개의 염기 쌍을 포함하고 있는데, 이 중 약 1.5%만이 단백질을 코딩하고 나머지는 비코딩 영역이다. 이 비코딩 영역은 한때 '쓰레기 DNA'라고 불리기도 했으나, 현대 연구를 통해 유전자 조절에서 핵심적인 역할을 수행함이 입증되었다 (ENCODE Project Consortium, 2012, Nature). 정신장애와 관련된 많은 유전적 변이(예: GWAS를 통해 발견된 위험 유전자좌)가 바로 이러한 비코딩 영역에 위치해 있으며, 이는 단백질 코딩 변이보다는 유전자 조절의 이상이 정신장애 유전적 취약성의 주요 원인임을 시사한다.

2.1.2 유전자 발현: DNA에서 단백질로

유전자의 주요 기능은 단백질 합성을 지시하는 것이며, 이 과정을 유전자 발현이라고 한다. 여기에는 두 가지 핵심 단계가 포함된다:

1. 전사（Transcription）: DNA 상의 유전자 서열이 RNA 중합효소에 의해 메신저 RNA(mRNA)로 전사된다. 이 과정은 세포핵 내에서 일어나며, DNA 이중나선이 국소적으로 풀리고 그중 한 가닥이 템플릿 역할을 하여 상보적인 mRNA 가닥을 합성한다. 전사는 전사인자와 인핸서에 의해 정밀하게 조절된다. 즉, 동일한 유전자라도 세포 유형, 발달 단계, 환경 조건에 따라 완전히 다른 방식으로 조절될 수 있다.
2. 번역（Translation）: mRNA는 유전 정보를 가지고 세포핵을 빠져나와 세포질로 이동한 후, 리보솜에서 특정 아미노산 서열로 번역되고, 나아가 단백질로 접힌다. mRNA 상의 매 세 개 연속된 염기(코돈)는 특정 아미노산 하나에 대응한다.

유전자 발현 조절과 정신장애: 유전자 발현은 '켜기/끄기'의 이분법적 작동이 아니라, 다층적인 조절을 받는 동적인 과정이다. 후성유전학적 변형(DNA 메틸화, 히스톤 변형)은 DNA 서열을 변화시키지 않으면서도 유전자 발현 수준을 조절할 수 있다. 이는 바로 환경적 요인(예: 아동기 외상, 만성 스트레스)이 유전자에 '기록'되는 분자적 메커니즘이다. 우리는 제5장에서 후성유전학에 대해 자세히 다룰 것이다.

2.1.3 유전적 변이: 진화의 기초이자 질병의 근원

유전자는 정밀한 DNA 복제를 통해 부모에게서 자녀에게로 유전 정보를 전달한다. 그러나 복제 과정에서 오류가 발생할 수 있으며, 이는 유전적 변이로 이어진다:

• 단일 염기 다형성（SNPs）: 단일 염기의 치환으로, 인간 게놈에서 가장 흔한 변이 유형이다. 대부분의 SNPs는 무해하지만, 일부 SNPs는 유전자 기능이나 발현 수준에 영향을 미쳐 질병 취약성을 증가시킬 수 있다.
• 복제수 변이（CNVs）: DNA 단편의 결실 또는 중복으로, 보통 수천에서 수백만 개의 염기 쌍이 관여한다. CNVs는 정신장애에서 중요한 역할을 한다. 예컨대 22q11.2 결실 증후군은 조현병의 가장 강력한 유전적 위험 요인 중 하나이다.
• 희귀 기능적 변이: 빈도는 극히 낮지만 효과 크기가 큰 돌연변이로, 단백질 기능 상실이나 변화를 직접적으로 유발할 수 있다.

이러한 변이들은 생물 진화의 기초이자 질병의 근원이다. 정신장애의 유전적 구조는 '흔한 변이-약한 효과'와 '희귀한 변이-강한 효과'의 중첩으로 이루어져 있으며, 이러한 인식은 정신장애의 본질에 대한 우리의 이해에 깊은 영향을 미쳤다.

2.1.4 유전자는 운명이 아니다

유전자는 눈동자 색깔부터 질병 취약성에 이르기까지 광범위한 특성을 결정하지만, 유전자는 고립되어 존재하지 않는다. 유전자는 후성유전학 등의 메커니즘을 통해 환경적 요인과 상호작용하며 최종 표현형을 함께 형성한다. 정신장애 분야에서 이러한 인식은 특히 중요하다:

• 유전율이 결정론을 의미하지는 않는다. 조현병의 유전율이 80%에 달하더라도, 여전히 변이의 20%는 환경적 요인에 의해 설명된다.
• 다유전자 위험 점수(PRS)는 위험 확률을 예측할 뿐, 개인이 반드시 발병할지 여부를 예측할 수는 없다.
• 유전자-환경 상호작용(GxE)은 정신장애 발병의 핵심 메커니즘이다. 동일한 유전자라도 서로 다른 환경에서는 완전히 다른 결과를 낳을 수 있다.

2.2 단백질: 생명의 집행자이자 병변의 원흉

유전자가 생명의 청사진이라면, 단백질은 생명의 직접적인 집행자이다. 단백질은 아미노산이 펩타이드 결합으로 연결되어 만들어지며, 독특한 3차원 구조가 그 기능을 결정한다. 단백질의 기능 이상은 정신장애를 포함한 많은 질병이 발생하는 직접적인 원인이다.

2.2.1 단백질의 핵심 기능

• 구조적 기능: 단백질은 세포와 조직의 주요 구조 성분이다. 콜라겐은 결합 조직의 탄성을 유지하고, 세포골격 단백질은 세포 형태를 유지하며, 액틴과 미오신은 근육 수축을 실현한다.
• 효소의 촉매 기능: 절대다수의 효소는 단백질이다. 효소는 효율적인 생체 촉매로, 세포 내 생화학 반응을 특이적으로 가속화한다. 신경전달물질의 합성(예: 트립토판 수산화효소가 5-HT 합성을 촉매함)에서 분해(예: 모노아민 산화효소 MAO가 5-HT와 NE를 분해함)에 이르기까지, 거의 모든 대사 과정이 효소에 의해 구동된다.
• 신호 전달 및 수용체 기능: 단백질은 신호 분자(예: 호르몬, 신경전달물질)와 세포막 상의 수용체로서 세포 간 커뮤니케이션에 참여한다. 신경전달물질 수용체 단백질(예: 5-HT 수용체, 도파민 수용체, NMDA 수용체)은 신경 신호를 수신하여 화학적 신호를 전기적 신호로 변환하는 역할을 한다. 이 수용체들이 바로 대부분의 정신과 약물의 작용 표적이다.
• 운송 기능: 헤모글로빈은 산소를 운반하고, 통로 단백질과 운반체 단백질은 물질의 막 투과 수송을 담당하며, 지질단백질은 지방을 운반한다.
• 면역 기능: 항체와 보체 단백질은 면역 방어의 핵심 구성 요소이다. 미세아교세포(뇌의 면역 세포)의 비정상적인 활성화는 신경염증과 밀접한 관련이 있으며, 신경염증은 정신장애의 중요한 병리 기전으로 점차 인식되고 있다.
• 운동 기능: 액틴과 미오신은 근육 수축을 유발하고, 모터 단백질은 세포 내 운송을 담당한다.

2.2.2 단백질과 정신장애

단백질의 기능 이상은 정신장애와 직접적으로 연관되어 있다:

• 수용체 이상: 도파민 D2 수용체 밀도의 이상은 조현병 및 물질사용장애와 관련이 있으며, 5-HT 수송체(SERT) 기능 이상은 우울증과 관련이 있다.
• 효소 활성 이상: COMT(카테콜-O-메틸전이효소)는 도파민을 분해하는데, 이 유전자의 Val158Met 다형성은 효소 활성에 영향을 미치며 조현병 및 양극성 장애와 관련이 있다.
• 단백질 오접힘: 알츠하이머병과 같은 고전적인 단백질 오접힘 질환은 신경퇴행성 질환에 속하지만, 정신장애에서도 단백질 항상성(proteostasis)의 교란이 존재한다는 증거가 점점 더 많이 제시되고 있다.
• 약물 표적: 대부분의 정신과 약물은 단백질 기능을 조절함으로써 작용한다. SSRIs는 5-HT 수송체를 억제하고, 항정신병 약물은 도파민 D2 수용체를 차단하며, 리튬염은 GSK-3β 효소를 억제한다.

2.3 세포: 생명의 기본 단위이자 정신의 매개체

세포는 생명의 기본 구조 및 기능 단위이다. 인체는 약 30조~40조 개의 세포로 구성되어 있으며, 이들은 형태가 제각각이고 기능도 다양하다. 정신장애의 맥락에서는 다음과 같은 세포 유형들이 특히 중요하다:

2.3.1 뉴런: 정보 처리의 핵심

뉴런은 뇌와 전체 신경계를 구성하는 핵심 세포로, 정보 처리와 전달의 기본 단위이다. 전형적인 뉴런은 세 부분으로 구성된다:

• 세포체（Soma）: 핵과 세포소기관을 포함하며, 대사와 통합의 중심이다.
• 가지돌기（Dendrites）: 세포체에서 뻗어 나온 가지 모양의 돌기로, 다른 뉴런으로부터 신호를 받는다.
• 축삭（Axon）: 세포체에서 길게 뻗어 나온 돌기로, 끝부분에 시냅스를 형성하여 다른 뉴런이나 효과기 세포로 신호를 전달한다.

뇌에는 약 860억 개의 뉴런이 존재하며 (Herculano-Houzel, 2009, Frontiers in Human Neuroscience), 이들은 시냅스를 통해 약 100조 개의 연결을 형성하여 인간의 의식과 인지를 지탱하는 물질적 매개체가 된다. 뉴런의 기능 이상——신호 전달 장애, 연결 이상, 가속화된 세포사멸(아포토시스)——은 많은 정신장애의 직접적인 원인이다.

활동전위와 신호 전달: 뉴런은 전기화학적 신호(활동전위)를 생성하고 전달함으로써 소통한다. 막전위가 역치에 도달하면 전압 개폐성 나트륨 통로가 열리고, 나트륨 이온이 유입되어 탈분극이 일어나 활동전위가 형성된다. 활동전위는 축삭을 타고 시냅스 말단으로 전도되어 신경전달물질의 방출을 유발하는데, 이 과정이 모든 사고, 감정, 행동의 분자적 기초이다.

2.3.2 신경교세포: 뇌의 수호자

신경교세포의 수는 뉴런과 거의 비슷하며, 과거에는 '보조' 세포로 여겨졌으나 오늘날에는 신경계 발달과 기능에서 매우 중요한 역할을 담당하고 있음이 알려져 있다 (Allen & Lyons, 2018, Science):

• 성상교세포（Astrocytes）: 가장 수가 많은 교세포로, 영양 지원을 제공하고 시냅스 간극의 이온 및 신경전달물질 농도를 조절하며, 혈뇌장벽을 유지하고 시냅스 형성 및 가지치기에 참여한다. 성상교세포의 기능 이상은 우울증 및 조현병과 관련이 있다.
• 희소돌기아교세포（Oligodendrocytes）: 중추신경계에서 수초를 형성하여 축삭을 감싸 신호 전달 속도를 대폭 향상시킨다. 수초화 이상은 조현병과 양극성 장애에서 백질 무결성 저하와 직접적인 관련이 있다.
• 미세아교세포（Microglia）: 뇌의 상주 면역 세포로, 면역 감시와 세포 잔해 제거를 담당하며 시냅스 가지치기에도 참여한다. 미세아교세포의 비정상적인 활성화는 신경염증을 유발하며, 이는 조현병(과도한 시냅스 가지치기) 및 우울증(만성 염증)과 밀접하게 연관되어 있다.
• 슈반세포（Schwann Cells）: 말초신경계에서 수초를 형성한다.

2.3.3 생식세포: 유전적 취약성의 전달자

정자와 난자는 생명의 시작점이며, 부모의 유전 정보 중 절반만을 가지고 있다. 수정 과정에서 정자와 난자가 결합하여 완전한 유전 정보를 회복하고 새로운 개체로 발달한다. 생식세포는 유전적 취약성이 계속 이어지도록 하는 기초이다. 즉, 정신장애의 유전적 위험은 생식세포를 통해 부모로부터 자녀에게로 전달되는 것이다.

주목할 만한 점은, 생식세포 내에서 일어나는 신생 돌연변이(de novo mutations)——즉 부모로부터 물려받은 것이 아니라 배우자 형성 과정에서 새로 생성된 돌연변이——가 일부 심각한 신경발달장애의 중요한 원인이 된다는 것이다. 아버지의 연령은 신생 돌연변이율과 양의 상관관계를 보이며, 이는 고령 아버지의 자녀에게서 조현병과 자폐증 위험이 증가하는 현상에 대한 유전학적 설명이 될 수 있다 (Kong et al., 2012, Nature).

2.4 조직과 기관: 복잡한 기능의 구축이자 병변의 전장

2.4.1 조직

유사한 세포들이 모여 협동함으로써 특정 기능을 수행하는 조직을 형성한다. 인체에는 네 가지 기본 조직 유형이 있다:

• 상피조직: 체표를 덮고 관강의 내면을 안감질하며, 보호, 흡수, 분비 작용을 한다.
• 결합조직: 지지, 연결, 보호 작용을 하며 뼈, 연골, 혈액, 지방 등을 포함한다.
• 근육조직: 수축을 통해 운동을 유발한다.
• 신경조직: 뉴런과 신경교세포로 구성되며, 정보 처리와 전달의 물질적 기초가 된다.

2.4.2 기관과 계통

서로 다른 조직들이 더욱 결합하여 기관을 형성한다. 정신장애와 가장 직접적으로 연관된 기관 계통은 다음과 같다:

• 뇌: 신경조직, 결합조직(혈관, 뇌막) 등으로 구성되며, 정신 세계의 '사령부'이다. 뇌는 무게가 약 1.4kg에 불과하지만 전신 에너지의 약 20%를 소비하는, 인체에서 가장 '비싼' 기관이다. 뇌의 기능 이상은 '마음을 잘못 먹은' 결과가 아니라, 신경전달물질의 불균형, 신경회로의 혼란, 뇌 구조 변화의 직접적인 발현이다.
• 내분비계: 시상하부-하수체-부신 축(HPA축)은 스트레스 반응의 핵심 경로이다. HPA축의 기능 이상——특히 당질코르티코이드(코르티솔)의 만성적인 상승——은 우울증과 PTSD의 핵심 병리적 특징 중 하나이다.
• 면역계: 면역-뇌 상호작용은 정신의학 연구의 최전선이다. 말초 염증은 사이토카인 신호를 통해 뇌 기능에 영향을 미칠 수 있으며, 전염증성 사이토카인(예: IL-6, TNF-α)의 상승은 우울증의 발병 및 심각도와 관련이 있다.

2.4.3 생명 계층의 시사점: 정신장애는 '몸'의 질병이다

유전자에서 단백질로, 세포에서 기관으로, 기관에서 계통으로——생명은 다층적인 자가 조직화 시스템이다. 정신장애는 이 시스템의 모든 계층에서 발생한다:

계층	정신장애 관련 이상
유전자	SNPs, CNVs, 신생 돌연변이, 후성유전학적 변형
단백질	수용체 기능 이상, 효소 활성 변화, 수송체 이상
세포	뉴런 신호 전달 장애, 교세포 기능 이상, 신경염증
신경회로	과도한/불충분한 시냅스 가지치기, 백질 무결성 저하, 네트워크 연결 이상
기관 계통	HPA축 조절 장애, 면역-뇌 상호작용 교란, 내분비 불균형

이러한 다층적인 조직 원리를 이해하는 것은 4층 상호작용 프레임워크를 이해하기 위한 전제 조건이다. 정신장애는 특정 계층의 '단일 지점 장애'가 아니라, 여러 계층 간 상호작용 불균형의 시스템적 결과이다. 이것이 바로 이 책의 핵심 논지이다.

참고문헌:

• Allen, N.J., & Lyons, D.A. (2018). Glia as architects of central nervous system formation and function. Science, 362(6411), 181-186.
• ENCODE Project Consortium. (2012). An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature, 489(7414), 57-74.
• Herculano-Houzel, S. (2009). The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain. Frontiers in Human Neuroscience, 3, 31.
• International Human Genome Sequencing Consortium. (2004). Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature, 431(7011), 931-945.
• Kong, A., et al. (2012). Rate of de novo mutations and the importance of father's age to disease risk. Nature, 488(7412), 471-475.
• Watson, J.D., & Crick, F.H. (1953). Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature, 171(4356), 737-738.