기술동향
역분화 만능 줄기세포
- 등록일2008-04-04
- 조회수10322
- 분류기술동향
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자료발간일
2008-03-30
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출처
한국분자세포생물학회 뉴스지
- 원문링크
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키워드
#줄기세포#역분화
- 첨부파일
304_황동연.pdf
역분화 만능 줄기세포
황동연 / 포천중문의과대학교
[서 론]
역분화 만능 줄기세포란 만능분화능 (pluripotency)을 가지고 있지 않던 분화된 세포들이 인위적인 역분화 과정을 통해 만능분화능을 가지도록 유도된 세포들을 일컫는 말로서 유도만능줄기세포 (iPS: induced Pluripotent Stem Cell) 라고도 한다. 이들 세포들은 배반포에서 유래한 배아줄기세포와 비교해 볼 때 다음과 같은 유사성을 보이고 있다.
① 세포의 모양 (둥근 모양, 큰 핵과 인, 적은 세포질) 과 자라는 속도 (배아줄기세포의 분열시간: 17 hr)가 유사함
② 유전자 발현 (gene expression) 과 염색체 변형(chromatin modification) 패턴이 유사함
③ 만능분화능을 가짐
④ 면역 결핍 생쥐에서 teratoma 를 형성할 수 있음
⑤ 생쥐의 배반포 (blastocyst)에 삽입시켰을 때 키메라 (chimera) 생쥐를 형성함
⑥ 유전자의 생식선 전이 (germ line transmission)가 가능함
이들 역분화 만능줄기세포의 등장에 많은 사람들이 열광하는 데에는 이들 세포와 제작 기술의 의료기술적, 경제적, 사회적 파급효과가 크기 때문이다. 이 세포가 가지는 독특한 장점들을 정리해 보면 다음과 같다.
① 역분화 만능줄기세포를 이용하여 환자 면역 적합 형 세포치료제를 개발할 수가 있음
② 난자나 배아를 사용하지 않고도 만능줄기세포를 만들 수 있기 때문에 그 동안 배아줄기세포 연구의 걸림돌이었던 종교적 그리고 생명 윤리적 논쟁을 잠재울 수 있음
③ 환자 자신의 피부세포로 만능줄기세포를 만든 후 세포를 얻기가 어려운 기관인 뇌 나 심장 등의 세포로 분화를 시키게 되면 이 세포들을 이용하여 환자 자신의 뇌질환이나 심장질환의 원인 규명과 치료방법에 대한 연구를 할 수 있음
④ 환자세포 유래 만능 줄기세포를 이용하여 환자 맞춤형 치료방법 개발, 신약 스크리닝이나 약물 독성 실험 들을 수행할 수 있음
하지만 역분화 만능 줄기세포 연구의 역사가 매우 짧기 때문에 이들 세포들이 진정한 배아줄기세포의 대체가 될 수 있는 지에 대한 충분한 검증은 아직 이루어지지 않은 상태이며 추후에 이에 대한 검증 결과들이 많이 쏟아져 나올 것으로 예상된다.
역분화 줄기세포 연구의 태동
원래 역분화 (dedifferentiation)는 왕성한 재생능력을 지닌 도마뱀과 같은 하등생물에서 발견 되는 현상으로서 꼬리나 사지 (limb) 그리고 심장 조직 등이 손상을 입었을 때 이미 존재하는 분화된 세포들이 초기 미분화 상태로 되돌아간 후 새로운 분화 조직을 형성하는 현상을 일컬어 왔다. 이러한 역분화 현상은 세포의 유전체의 후생학적인 변형(epigenetic changes)들이 고정되어 있는 것이 아니라 지워지고 다시 형성 될 수 있는 가역적 (reversible)인 과정이기 때문에 가능한 것으로 생각되며 이러한 일련의 후생학적인 역행과정을“리프로그래밍 (reprogramming)”이라고 부른다. 포유류에서는 생식세포 (정자 및 난자)의 유전자들이 생식선 전이 (germ line transmission) 과정 중에서 genomic imprinting 이라는 후생학적인 변형을 거듭 함으로써 후생학적 가역성이 가능함을 보여 왔었는데, 직접적으로 난자(oocyte)에 존재하고 있는 인자들에 의해서 인위적 역분화가 가능함을 처음으로 보여준 예는 1996년 스코틀랜드 에딘버러의 로슬린 연구소의 이언 윌머트 (Ian Wilmut) 박사 팀에 의해 태어난 돌리라는 복제양의 경우라 말할 수 있다 (1). 돌리의 복제는 분화 세포인 유선 (mammary gland) 세포의 핵을 핵이 제거 된 난자 속에 집어 넣음으로써 만들어 졌는데 이 사실은 난자 안에 존재하고 있던 리프로그래밍 유도인자들에 의해 유선세포의 핵 내의 유전체가 미분화 상태로 되돌려 졌음을 의미한다. 또한 2005년에 하버드대학의 Eggan 박사의 실험실에서 인간 배아줄기세포와 인간 섬유아 세포 (human fibroblast)를 융합 시켰을 때 섬유아 세포의 유전체가 배아줄기세포 내의 인자들에 의해 리프로그래밍 됨을 보고하였다 (2). 이와 더불어 같은 해에 Collas 그룹에서는 배아줄기세포나 embryonic carcinoma 세포의 추출액을 처리하여 293T세포를 리프로그래밍 시킬 수 있음을 보고 하였다 (3). 이러한 결과들은 난자뿐 만 아니라 배아줄기세포 내에도 역분화 유도 인자들이 존재하고 있다는 것을 시사해주고 있다.
생쥐 세포의 역분화
이러한 배경 하에서 일본 교토 대학의 Yamanaka 박사팀은 2006년 8월에 체세포의 인위적 리프로그래밍 유도방법에 대한 기념비적인 논문을 Cell 지에 발표 하였다 (4). 이들은 배아줄기세포의 특성을 유지하는데 관여할 만한 수백개의 유전자들 중에서 순전히 educational guess 에 의하여 24개를 선정하여 이들이 역분화 유도에 관여하는 지를 스크리닝 하였다. 이들이 사용한 리포터 세포주는 배아줄기세포에 특이적으로 발현되는 유전자인 Fbx15의 프로모터 뒤에 beta-galactosidase와 neomycin 내성 유전자의 융합단백질 유전자 카셀을 붙여 만든 knock-in 생쥐로부터 배아 섬유아세포 (mouse embryonic fibroblast, MEF) 세포를 배양하여 사용하였다. 이들 세포들에 각각 다른 조합으로 24개의 후보 유전자들을 레트로바이러스를 이용하여 전달한 뒤 G418 내성을 가진 세포 콜로니 들의 생성 여부를 조사하였다. 놀랍게도 c-Myc, Oct4, Sox2, Klf4 의 4 종류의 유전자를 넣어 준 경우에 G418 내성을 가진 콜로니가 많이 나왔고 이들 콜로니를 이루는 세포들은 역분화 만능줄기세포 (iPScell) 라고 명명되었다. 분석 결과 iPS 세포들은 여러 측면에서 배아줄기세포와 유사한 성질을 보여주고 있는데 유전자의 발현양상, 배아줄기세포의 마커들의 발현, teratoma 형성 능력 및 만능분화능 보유, 세포배양 시 embryoid body (EB) 형성 등이 그 대표적인 예 이다. 7주 령 생쥐의 꼬리 섬유아 세포 (tail-tip fibroblast)에서 iPS 세포를 생성하는 실험을 수행 했을 때에도 3개의 G418 내성을 가진 콜로니를얻을 수 있었고 분석 결과 이들 역시 배아줄기세포와 유사성이 많은 역분화 만능줄기세포임을 확인 할 수 있었다. 그렇지만 이 논문에서 Fbx15의 프로모터를 이용하여 선발(selection) 된 iPS 세포들이 germ line chimera를 형성하지는 못하는 것으로 보아 완전한 상태의 iPS 세포로 되돌아간 것 같지는 않다 (4). (하지만 이 그룹이 발표한 최근 논문에서는 Fbx15 프로모터로 선발한 섬유아 세포로부터 유래된 iPS 세포들도 germ line chimera를 형성할 수 있다는 상반된 결과를 보고하였다 (5)). 어쨌든 이 Yamanaka 팀의 놀라운 결과는 그 다음해인 2007년 여름에 발표된 세 편의 논문들에 의해 재현 되었다 (6-8). 먼저 일본의 Yamanaka 팀은 이번에는 Nanog 라는 또 다른 배아줄기세포에 특이적으로 발현되는 유전자의 프로모터를 이용하여 녹색형광유전자(GFP)와 puromycin 내성 유전자를 발현시킬 수 있도록 transgenic 생쥐를 만든 뒤 이 생쥐로부터 MEF를 분리하고 여기에 앞의 4가지 유전자를 레트로바이러스를 이용하여 전달하였다 (8). 이 후에 puromycin 항생제에 대한 내성을 가지는 콜로니 들을 선발 (selection)하여 분석한 결과 이들은 이전 논문에서 Fbx15 프로모터를 이용하여 선발한 iPS 콜로니들 보다 훨씬 더 배아줄기세포와 비슷함을 알 수 있었다(8). Nature 잡지의 같은 호에 발표된 미국 Jaenisch 박사 팀의 논문에서는“IRES-GFP:Neo”유전자 카셀을 생쥐의 Nanog 와 Oct4 유전자 뒤에 삽입한 knock-in 생쥐를 만든 후 MEF 와 TTF 세포들을 얻어 역시 c-Myc, Oct4, Sox2, 그리고 Klf4 유전자를 레트로바이러스를 이용하여 전달하였다. 흥미롭게도 Oct4 프로모터에 의해 얻어진 MEF 유래-iPS 세포의 콜로니의 수가 Nanog 프로모터에 의한 선발 방법 보다 3-10배 정도 적었지만 이들 콜로니들 중에서 만능배아줄기세포와 비슷한 콜로니의 비율은 2-3 배 정도 높은 것으로 나타났는데 이는 Oct4 프로모터가 Nanog 프로모터보다 훨씬 더 엄격한 (stringent) iPS 세포 선발 조건을 제시해 준다는 것을 시사해 주고 있다 (7). 또한 미국 하버드 의대의 Hochedlinger 팀도 이들과 매우 유사한 결과를 발표했는데, 이들 세 개의 논문들로 인하여 결국 Yamanaka 팀의 4개의 역분화 유도 유전자들에 의한 리프로그래밍 기술의 재현성이 확인되었다 (6). 이들 2007년에 발표된 세편의 논문을 종합해 보면 2006년에 Yamanaka 팀이 사용하였던 Fbx15 프로모터를 이용하여 iPS 세포를 얻는 방법보다 Oct4 나 Nanog 유전자 프로모터를 이용한 선발 (selection) 시스템이 더욱 완전한 역분화 만능세포를 얻도록 해준다는 사실을 보여준다.
역분화 만능줄기세포에 대해 그 동안 줄곧 제시되어 왔던 의문점은 역분화 만능줄기세포가 정말로 목표로 했던 세포가 유전자의 도입으로 생성된 것인지 아니면 목표로 했던 target 세포와 혼재 해 있던 소량의 미분화 세포들로부터 유래된 것인지에 관한 의문이었다. 최근 또 다른 논문에서 Yamanaka 팀은 역분화 만능줄기세포가 타겟 세포인 간세포에서 유래된 것이지 그 주위에 존재하고 있는 미분화 세포들에 의한 것이 아니라는 확실한 증거를 제시하고 있다 (5). 또한 이 논문에서는 생쥐의 간과 위 세포를 이용하여 역분화 만능줄기세포를 만드는데 성공 함으로서 어떤 장기의 세포도 역분화 될 수 있는 가능성을 제시해 주고 있다 (5).
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