바이오인

핵심내용

-Angew. Chem. Int. Edit.誌 발표,“유도만능줄기세포 임상적용 및 상용화 촉진 기대”-

□ 국내 연구진이 인간 체세포로부터 배아줄기세포 유사 유도만능줄기세포*의 제작을 효과적으로 개선할 수 있는 신규 저분자 화합물(RSC133)을 개발함에 따라, 역분화** 연관 기술의 상용화 및 임상적용의 새로운 가능성을 열었다. 

     * 유도만능줄기세포(iPS, induced Pluripotent Stem cell) : 사람 성체세포에 역분화 유도 인자를 도입하여 제작한 배아줄기세포와 비슷한 특성(우수한 분화능 및 증식력)의 줄기세포로 ‘역분화 줄기세포’라고도 하며, 수정란이나 난자를 사용하지 않아 윤리 문제에서 비교적 자유로움

    ** 역분화(Reprogramming) 기술 : Oct4, Sox2, Klf4, 그리고 c-Myc 전사인자 등 역분화 인자를 복합적으로 체세포에 도입시켜 배아줄기세포와 거의 유사한 특성을 가진 유도만능줄기세포를 제조하는 방법

 ○ 이번에 개발된 저분자 화합물 RSC133은 환자의 신경세포, 심근세포 등 조직별로 역분화 기술을 최적화하는데 이용될 수 있으며, 조직 재생에 효능을 보일 가능성이 높아 향후 분자표적 검증 및 치료기술로의 응용 가능성을 규명하기 위한 연구를 지속할 예정이다.

□ 올해 노벨생리의학상 수상자인 야마나카 신야 교수(일본 교토대)에 의해 2006년 세계 최초로 개발된 ‘역분화 기술’은 배아를 이용하지 않고도 환자로부터 채취한 체세포에서 인간배아줄기세포와 유사한 전분화능* 특성을 가진 유도만능줄기세포를 확보하는 것을 가능하게 하였다.

     * 전분화능(Pluripotency) : 완전한 개체를 형성할 수는 없지만 세개의 배엽층(germ layer)인 내-, 외-, 중배엽 중 어느 것으로나 분화 가능한 세포의 잠재 능력

 ○ 그러나 기본적으로 발암유전자를 포함하는 역분화 인자(c-Myc 등 4개)를 체세포에 도입해 유도만능줄기세포를 확립하기 때문에(바이러스 시스템 이용) 암 유발 및 세포기능 변화 가능성 내재 등 임상적용을 위한 안전성이 확보되지 않은 상태이다.

 ○ 또한 최근 바이러스 시스템 대안으로 저분자 화합물, 단백질, 알앤에이, 비바이러스성 비삽입성 벡터(에피솜 벡터) 등을 이용한 역분화 기술이 개발되고 있으나, 바이러스 이용 기법에 비해 현저히 낮은 역분화 효율 및 재현성 확보 문제가 지속적으로 제시되고 있다.

□ 역분화 기술을 통해 확보된 환자-유래 유도만능줄기세포는 환자-맞춤형 세포치료제 및 신약 개발 등 다양한 분야에서 기술적·경제적 효용가치가 높게 평가되고 있다.

 ○ 향후 다양한 시장수요에 맞는 품질의 유도만능줄기세포를 제작하고, 상용화시기를 앞당기기 위해서는 우선적으로 임상적으로 안전하면서 효율이 높은 역분화 기술을 개발하는 것이 필수적으로 선행되어야 한다.

□ 조이숙 박사 연구팀은 낮은 역분화 유도 효율을 효과적으로 증진시킬 수 있는 임상적으로 안전한 신규 저분자 화합물 RSC133을 발굴하는데 성공하였고, 역분화 과정에서 작용하는 RSC133의 기능적 역할을 규명하였다.(사진설명 그림1, 그림2 참조)  

 ○ 신규 저분자 화합물 RSC133은 역분화 과정 동안 세포 성장을 증진시키고, 전분화능 마커 유전자*와 세포 주기 억제 인자 등의 발현을 촉진하며, 후성 유전적 조절** 기전에 관여함으로써 역분화 유도에 유리한 세포내 환경을 제공함을 규명하였다.

      * 전분화능 마커  유전자 : 미분화 상태의 전분화능 줄기세포에서 특이적으로 발현되는 유전자
     ** 후성 유전적 조절 : DNA 염기서열의 변화 없이 DNA 메틸화 및 히스톤 변형 등에 의해 이루어지는 유전자 발현의 조절

 ○ 또한 신규 저분자 화합물 RSC133은 인간배아줄기세포 및 유도만능줄기세포를 포함하는 전분화능 줄기세포의 배양 배지에 첨가할 경우 자연 분화를 억제하고, 미분화 상태 줄기세포의 유지 배양에 효과가 있음을 확인함으로써 전분화능 줄기세포의 대량 배양 방법을 개발하는데 이용될 수 있음을 확인하였다.(사진설명 그림2 참조) 

□ 조이숙 박사는 “이번 연구는 현 역분화 기술의 문제점을 효과적으로 개선할 수 있는 가능성을 연 의미 있는 연구 성과로, 역분화 기술을 기반으로 환자-맞춤형 세포치료제 개발과, 상용화 시기를 앞당기는데 기여할 것이다.”라고 연구의의를 밝혔다. 

□ 한국생명공학연구원 조이숙 박사와 이정운 박사(제1저자)가 주도하고 △동국대학교 이경 박사, △한국과학기술원 김동섭 박사가 참여하는 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호), 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 바이오·의료기술개발사업과 기초기술연구회(이사장 김건)가 추진하는 NAP 협동연구사업의 지원으로 수행되었고, 관련 성과는 화학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Angewandte Chemie International Edition’지에 온라인(11.4일자 early view 버전)으로 게재되었으며, PCT 출원 중이다.

상세내용

연 구 결 과 개요

A Novel Small Molecule Facilitates the Reprogramming of
Human Somatic Cells into a Pluripotent State and Supports
 the Maintenance of an Undifferentiated State of
 Human Pluripotent Stem Cells

Jungwoon Lee, Yan Xia, Mi-Young Son, Guanghai Jin, Binna Seol, Min-Jeong Kim, Myung Jin Son, Misol Do, Minho Lee, Dongsup Kim, Kyeong Lee, and Yee Sook Cho
(Angewandte Chemie International Edition 발표)

1. 서론

냉동 배아의 내부세포괴(inner cell mass)로부터 유래한 배아줄기세포는 인간 배아 파괴라는 관점에서 윤리적, 종교적 논란의 대상이 되고 있으며, 각 개체간 면역 적합성 부재로 인하여 세포 치료제로 개발 시 이식 거부반응을 피할 수 없다. 2006년 일본 교토대 야마나카 신야 그룹은 Oct4, Sox2, Klf4, 및 c-Myc의 역분화 인자를 이용하여 성체세포로부터 배아줄기세포와 거의 유사한 전분화능 줄기세포의 특성을 가진 유도만능줄기세포를 최초로 제작하는데 성공하였다. 이에 따라 전분화능 줄기세포를 이용한 줄기세포 상용화 기술 개발에 대한 기대가 높아지고 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 유도만능줄기세포는 제작과정에 배아가 필요하지 않으며, 환자 자신에게서 추출한 세포를 이용하는 경우 면역거부에 대한 문제가 없어 기술적인 활용가치가 매우 높다. 그러나 현 기술을 상용화하기 위해서는, 낮은 역분화 유도 효율을 개선하고 임상적용의 안전성을 확보하기 위한 후속기술개발이 중요하다. 

본 연구는 인간 체세포로부터 유도만능줄기세포를 제조하는 역분화 기술을 안정적으로 개선할 수 있는 신규 저분자 화합물을 발굴하여, 기존의 낮은 역분화 유도 효율을 극복하고, 역분화 과정에서의 그 기능적 역할을 규명하였다.  

2. 본론

 한국생명공학연구원 조이숙 박사 연구팀은 동국대 이경 박사팀이 합성하여 제공한 인돌계 저분자 화합물 라이브러리를 검색함으로써, 인간 체세포의 역분화 과정을 촉진하고 전분화능 줄기세포의 미분화 상태 유지에 우수한 효능을 가진 새로운 저분자 화합물 RSC133 (Reprogramming Stimulating Compound 133)을 발굴하였다. RSC133은 역분화 과정에서 세포 성장을 증진시키고, 미분화 마커 유전자와 세포 주기 억제 인자 등의 발현을 조절함이 관찰되었다. DNA 메틸화 및 히스톤 변형에 의한 후성유전적 조절은 역분화 과정 중 전반적인 전사 조절 기전에 중요하게 관여한다고 알려져 있다. 흥미롭게도 RSC133은 후성유전적 조절인자인 DNA methyltransferase (Dnmt) 1과분자적으로 결합 가능성을 보임이 KAIST 김동섭 박사팀과의 공동연구를 통해 확인되었다. 이와 연관되게 역분화 과정 동안 RSC133에 의해 Dnmt1의 효소 활성이 저해됨을 확인되었고, 이와 더불어 히스톤 (H3K9) 아세틸레이션 레벨이 증가되고, histone deacetylase (HDAC)  단백질 발현 및 효소 활성이 억제됨을 확인하였다. 이는 RSC133이 역분화 과정 동안 전분화능 획득에 유리한 후성유전적 조절 기전을 활성화 시키고 있음을 제시하고 있다. 또한, RSC133을 인간 전분화능 줄기세포 배양액에 첨가할 경우 자연 분화 유도가 저해됨을 관찰하였다. 이와 같은 결과는, RSC133이 인간 체세포의 역분화 배양 조건을 개선하는데 뿐만 아니라 미분화 인간 전분화능 줄기세포의 유지 배양에도 우수한 효과가 있는 화합물임을 제시하고 있다. (사진설명 그림 1 및 2 참조)
  
3. 결론

이번 연구에서는 안전성과 효율성이 우수한 저분자 화합물을 발굴함으로써 기존의 역분화 기술의 문제점 및 성능을 효과적으로 개선하였다는 점에 큰 의미가 있다. 더불어 발굴된 저분자 화합물은 유도만능줄기세포 및 인간배아줄기세포의 유지, 대량 배양에도 이용될 수 있어, 유도만능줄기세포의 제작뿐만 아니라 연관 기술 개발 및 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 

 
용   어   설   명

1. Angewandte Chemie International Edition : 독일의 Wiley가 주관하는 화학 분야의 권위 있는 저널로서 2011년 기준 impact factor는 13.455를 기록하였다. 

2. 역분화 (Reprogramming) : 전분화능이 없거나, 낮은 체세포에 전분화능을 재획득시켜 발생 가능한 모든 종류의 세포타입으로 분화 가능한 능력을 가진 세포의 상태로 돌리는 과정. 2006년 Yamanaka 그룹에 의해 체세포로부터 Oct4, Sox2, Klf4, 그리고 c-Myc 전사인자를 도입시켜 유도만능줄기세포로 유도하는 방법이 최초로 밝혀졌다.

3. 전분화능 (Pluripotency) : 완전한 개체를 형성할 수는 없지만, 세 개의 배엽층(germ layer)인 내-, 외-, 중배엽 중 어느 것으로나 분화 가능한 세포의 잠재 능력. 전분화능 줄기세포(Puripotent stem cell)는 적절한 자극이 주어졌을 때 특정한 종류의 세포로 분화 가능하다. 대표적으로, 배아줄기세포와 유도만능줄기세포가 이에 속한다.

4. 후성유전적 조절 (Epigenetic remodeling) : DNA 염기서열의 변화 없이 DNA 메틸화 및 히스톤 변형 등과 같은 화학적 가역반응에 의해 조절되는 크로마틴의 구조적 변화. 후성유전적 유전자 발현 조절은 세포 분화 및 역분화에 중요한 기제로 알려져 있다.

사   진   설   명

그림 1. 역분화 과정에서의 RSC133의 작용 모드 및 효과

(설명) 역분화 유도 배양 배지에 RSC133을 첨가하면 역분화 효율과 속도가 증진되어 온전하게 역분화 유도된 인간 유도만능줄기세포(hiPS)의 수가 증가하고, 역분화에 요구되는 시간이 효율적으로 단축됨을 확인하였다 (초록색 화살표). 이는 미분화 마커 유전자인 Oct4와 Nanog의 발현 시기, 그리고 히스톤 (H3K9) 아세틸레이션의 활성화 시기 (주황색 막대), 그리고 후성유전적 조절인자인 Dnmt1의 발현 조절 시기 (파란색 막대)가 RSC133을 첨가하고 역분화 유도한 세포 그룹에서 상대적으로 앞당겨짐을 확인함으로써 검증되었다.

그림 2. 전분화능 획득 및 유지에서의 RSC133 양성 효과

(설명) RSC133은 낮은 역분화 효율의 원인인 역분화 장벽 요인을 효율적으로 개선할 뿐만 아니라, 미분화 상태 전분화능 줄기세포의 유지, 증식에도 양성효과가 있다.