당신의 진짜 나이는 몇 살일까: DNA 메틸화로 측정하는 생체 시계

기본 정보

제목: DNA methylation age of human tissues and cell types
저자: Horvath S
저널: Genome Biology
출판연도: 2013
DOI: 10.1186/gb-2013-14-10-r115
PMID: 24138928
근거 수준: 코호트 데이터 기반 예측 모델 개발 (횡단적 분석)

51개 이상의 인체 조직과 세포 유형에 적용 가능한 후성유전체 시계(epigenetic clock)를 최초로 개발한 연구입니다. 353개의 CpG 사이트(DNA 위의 특정 위치)만으로 실제 나이를 오차 2.9년 이내로 예측할 수 있으며, 이를 통해 역연령(달력상 나이)과 생물학적 나이가 다르다는 개념을 과학적으로 증명했습니다. Steve Horvath 단독 저자 논문으로, 이후 "생체나이" 연구의 출발점이 되었습니다.

1. 이 연구는 왜 필요했을까

같은 해에 태어난 사람들도 노화 속도가 다릅니다. 어떤 사람은 50세에 70세처럼 보이고, 어떤 사람은 50세에 40세처럼 건강합니다. 하지만 이 차이를 객관적으로 측정할 수 있는 정밀한 바이오마커(생체지표)가 없었습니다.

DNA 메틸화(DNA 위에 메틸기라는 화학적 표시가 붙는 현상)가 나이에 따라 변한다는 보고는 산발적으로 있었지만, 뇌, 간, 혈액 등 여러 조직에 공통으로 적용 가능한 통합 모델은 존재하지 않았습니다. 이 연구의 목표는 다양한 인체 조직과 세포 유형에 범용적으로 적용할 수 있는 단일 후성유전체 시계를 개발하는 것이었습니다.

2. 어떻게 연구했을까

Steve Horvath는 51개 조직 및 세포 유형에서 수집된 총 7,844개 샘플의 DNA 메틸화 데이터를 분석했습니다. 데이터는 Illumina 27K 및 450K 어레이(DNA 메틸화를 대규모로 측정하는 칩)로 측정된 것이었습니다.

이 방대한 데이터에 Elastic net regression(엘라스틱 넷 회귀, 많은 변수 중 중요한 것을 자동으로 선별하는 통계 기법)을 적용하여 나이를 가장 잘 예측하는 353개의 CpG 사이트를 선별했습니다. 이후 독립적인 데이터셋에서 교차검증을 수행하여 모델의 정확도를 확인했습니다. 특이하게도 이 논문은 Steve Horvath의 단독 저자 논문입니다.

3. 무엇을 발견했을까

Horvath Clock의 성능은 놀라울 정도였습니다. 실제 나이(역연령)와의 상관계수가 0.97로 거의 완벽에 가까웠고, 중위절대오차(MAE)는 2.9년에 불과했습니다. 353개의 CpG 사이트만으로 51개 이상의 서로 다른 조직에서 이 정도의 정확도를 보인 것은 획기적이었습니다.

핵심 발견은 다섯 가지입니다. 첫째, 다조직 범용성이 확인되었습니다. 뇌, 간, 혈액, 유방, 근육 등 거의 모든 조직에서 하나의 시계가 작동했습니다. 둘째, 배아줄기세포의 후성유전적 나이가 0으로 나타나, 이 시계가 발달 과정의 연장선에 있음을 시사했습니다. 셋째, 세포를 실험실에서 계대배양(반복 배양)하면 후성유전적 나이가 빠르게 증가하여 세포 배양이 노화를 가속시킨다는 것이 확인되었습니다. 넷째, 대부분의 암 조직에서 후성유전적 나이가 역연령보다 높아, 암이 노화를 가속시킨다는 증거를 제공했습니다. 다섯째, DNA 메틸화 나이 가속(age acceleration, 생체나이가 역연령보다 빠르게 진행되는 현상)이 유전적으로 영향받는다는 사실이 밝혀졌습니다.

이 논문 이후 후성유전체 시계는 여러 세대에 걸쳐 발전했습니다. 2013년에 Horvath Clock과 함께 혈액에 특화된 Hannum Clock(71개 CpG)이 1세대로 등장했습니다. 2018년에는 건강 바이오마커를 기반으로 훈련하여 사망률을 예측하는 PhenoAge, 2019년에는 혈장 단백질과 흡연 이력까지 통합한 GrimAge가 2세대로 개발되었습니다. 가장 최근인 2022년에는 노화의 "속도"를 측정하는 3세대 시계인 DunedinPACE가 등장했습니다.

4. 우리 서비스에 어떻게 쓸까

"생체나이(Biological Age)"라는 개념을 사용자에게 소개하고 교육하는 기반 콘텐츠로 활용할 수 있습니다. 단식, 운동, 수면 같은 생활습관 개입 전후로 생체나이가 어떻게 변하는지를 보여주는 콘텐츠의 과학적 기반이 됩니다. 장기적으로는 후성유전체 검사 서비스와 연동하여 사용자의 실제 생체나이를 측정하고 추적하는 기능으로 확장할 가능성도 있습니다.

콘텐츠 측면에서는 "당신의 진짜 나이는?"이라는 주제로 역연령과 생체나이의 차이를 대중적으로 해설하는 콘텐츠가 효과적입니다. 후성유전체 시계의 역사와 1세대에서 3세대까지의 발전을 설명하는 타임라인 콘텐츠도 가능합니다. 또한 단식이나 운동 같은 생활습관 개입이 생체나이를 되돌릴 수 있다는 후속 연구들을 소개하여, 사용자의 동기를 높일 수 있습니다.

5. 한계점

1세대 시계인 Horvath Clock은 역연령 예측에 최적화되어 있어서, 실제 건강 상태를 반영하는 데는 한계가 있습니다. 이 문제는 2세대 시계인 PhenoAge와 GrimAge에서 개선되었습니다. DNA 메틸화 검사 비용이 아직 일반 소비자에게는 높은 편이며, 메틸화 변화가 노화의 원인인지 결과인지도 명확하게 구분되지 않습니다. 또한 단식이나 운동 같은 개입으로 시계가 역전되었을 때, 이것이 실제 생물학적 회춘(rejuvenation)을 의미하는 것인지는 아직 과학계에서 논쟁 중입니다.

마무리

이 논문은 생물학적 나이를 객관적으로 측정하는 도구를 최초로 제시함으로써, 노화 연구에 혁명적인 전환점을 만들었습니다. 달력상 나이와 실제 몸의 나이가 다를 수 있다는 직관을 과학적으로 증명했고, 이후 생활습관 개입의 효과를 정량적으로 평가할 수 있는 기반을 마련했습니다. "진짜 나이"를 알고 관리하는 것이 장수의 첫걸음이라는 메시지는, 사용자에게 강력한 동기를 제공할 수 있습니다.