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[바이오리포트] 3차원 인간세포지도

김정애 / 한국생명공학연구원 유전체맞춤의료연구단

 생명체를 이루고 있는 가장 기본적인 단위는 세포다. 인간의 몸은 하나의 세포인 수정란이 분열을 거듭하여 만들어진다. 건강한 인간의 몸은 뇌, 심장, 간, 폐 등의 서로 다른 장기가 유기적으로 연결되어 기능하는데 인체의 장기가 그 모양과 기능이 다른 것은 각 장기를 구성하고 있는 세포의 종류와 활성이 다르기 때문이다. 하나의 세포에서 시작하였으나 분열을 거치면서 각기 고유한 성격의 세포로 분화하게 된 것이다. 인간의 몸을 이루고 있는 모든 세포의 개수는 약 35조에서 37조로 추정된다.

2003년, 인간 DNA의 전체 서열 정보 분석인 ‘인간유전체프로젝트’가 성공적으로 마무리되었을 때 대중은 인체의 신비에 대한 중요한 블랙박스가 열리고 인간의 건강한 삶을 위한 바이오 의약의 시대가 본격적으로 시작된다는 소식을 접했다. 그러나 건강한 인체의 생리적인 활동과 많은 질병에 대한 이해는 DNA라는 분자 수준의 설명만으로는 충분하지 않다. 인간의 뇌세포는 동일한 DNA 염기서열을 가지고 있는 심장세포나 간세포와는 서로 너무 다르다. 알츠하이머나 파킨슨 환자를 도와줄 수 있는 바이오 의약 기술은 환자의 DNA 뿐 아니라 뇌세포 자체에 대한 보다 많은 정보와 분석이 필요하다. 그러나 아직 우리는 정확하게 몇 종류의 세포가 뇌 안의 어떤 위치에서 제 활동을 하고 있고 알츠하이머 환자의 뇌에서는 이 중 몇 종류의 세포가 건강한 사람과 차이가 있는지에 대해 확실하게 모른다.

인체 내 모든 세포의 종류와 위치에 대한 정보 확인이 필요하다는 요구는 2016년부터 ‘인간세포지도’라는 프로젝트를 시작하는 강력한 추진력이 되었다. ‘인간세포지도’는 마치 전세계 지형과 지물을 담은 구글 지도처럼 인체 내 모든 세포의 종류와 상태, 위치, 기능, 족보에 대한 종합적인 정보를 담아 세포 수준의 인체지도를 만드는 프로젝트이다. 과학자들은 건강한 사람의 ‘인간세포지도’라는 표준지표가 갖추어지면 다양한 질환에 특이적인 세포를 찾아내거나 질환의 발생과 진행을 야기하는 세포 간 상호관계 규명이 보다 정교하고 수월해질 것으로 기대한다. 질환을 극복할 수 있는 기술개발도 가속화될 수 있다. 서로 다른 환경에 있는 다인종의 세포를 분석하여 인종, 국가간의 차이에서 오는 다름이 반영된 표준지표를 만들고자 하는 이 프로젝트는 전세계 과학자들의 협업을 통해 진행되고 있다.

인간세포지도의 핵심은 단일세포 수준에서 DNA, RNA, 단백질 등의 분자 특성을 밝히는 일이다. 세포 종류 및 위치 분석에 사용되던 고전적인 기술은 이미 알려진 소수의 단백질이나 핵산 분자를 표지로 이용하여 특정 세포를 분리해내거나 조직내 특정 세포의 유무를 염색을 통해 확인하는 방법이다. 반면 인간세포지도에 사용되는 세포 분석 기술은 서로 다른 수백, 수천개의 세포를 동시에 구별하기 위해 한두 분자가 아닌 DNA, RNA, 혹은 단백질 분자 전체를 대용량으로 일괄 분석해야 한다. 이를 통해 이미 알려진 세포 확인을 넘어 밝혀진 적이 없던 새로운 세포의 종류를 찾아내고 서로 다른 세포들이 주고 받는 영향을 밝힐 수 있다. 세포 간의 상호작용에 대한 분석은 세포의 상태와 변이를 일으키는 원인과 방법의 이해를 도울 수 있다.

인간세포지도를 위한 첫번째 요소 기술은 단일세포 포집을 위한 ‘세포미세유체역학’이다. 작은 기름 방울에 하나의 세포를 포집하고 이 세포로부터 추출한 분자 전체에 특이적인 표지를 하여 해당 분자가 유래한 세포를 구별할 수 있게 한다. 두번째 요소 기술은 서로 다른 세포 표지가 된 방대한 양의 분자를 빠르고 효율적으로 구별하고 해독하는 기술이다. DNA, RNA와 같은 핵산 분자는 차세대유전자서열분석을, 단백질 분자의 분석은 질량분석을 이용한다. 세번째 요소 기술은 특정 장기나 조직 내의 모든 세포를 종류별로 동시에 이미징으로 추적하는 것이다. 이를 통해서 단일세포 수준의 위치 정보를 확보할 수 있다. 네번째 요소 기술은 이 모든 정보를 통합하여 3차원 수준으로 실제 장기 내 세포 정보를 재구성하고 시각화하는 기술이다. 이를 통해 구글맵과 같이 장기 내 특정 위치에 있는 개별 세포의 정보를 확인할 수 있게 된다. 세포 정보의 3차원 시각화를 위해서는 기계학습과 같은 고도의 빅데이터 분석 기술 활용이 요구된다.

인간세포지도 프로젝트는 짧은 기간임에도 빠른 속도로 성과물을 생산하고 있다. 2019년 영국 베임브리지대 웰컴생어연구소와 네덜란드 그로닝겐대 의료센터, 독일 뮌헨 폐질환 연구센터 등이 ‘폐세포지도’를 발표하고, 2018년과 2019년에 캐나다 토론토대학과 독일 막스플랑크연구소에서 각각 ‘간세포지도’를 발표하였다. 또한, ‘태아신장세포지도’와 ‘태아간세포지도’도 영국 연구진을 주축으로 2019년 발표되었다. 지금까지 발표된 인간세포지도는 각 장기 내 세포 종류를 보다 분명히 하고 이전까지 알지 못 했던 새로운 세포의 종류를 찾는 성과가 있었다. 인간세포지도와 함께 바이오 의약 연구의 주요 실험모델 동물을 대상으로 한 세포지도의 생산도 함께 진행이 되고 있다. 특히 쥐의 뇌와 골수를 구성하는 세포 종류와 위치를 분석하여 이를 3차원으로 시각화 시킨 결과가 2018년과 2019년에 각각 스위스와 독일 연구진에 의해 발표되어 수년 내에 인간의 세포지도가 3차원으로 확보될 수 있는 가능성을 보여줬다.

인간세포지도는 신약 개발과 검증 연구의 속도를 한층 높일 수 있을 것으로 기대된다. 질병에 특이적인 소수의 세포를 정밀하게 확인하여 보다 정확한 진단이 가능하게 할 수도 있다. 또한, 생체모사나 인공장기 개발에 필수적으로 요구되는 실제 인체와의 유사도 확인 비교 지표로 활용 될 수 있을 것이다. 이는 재생의학의 발전을 촉진할 수 있다. 가까운 미래의 우리는 3차원 인간세포지도를 앞에 두고 환자의 상태에 대해 보다 정확하게 검토하고 가장 정밀한 치료법을 결정하는 한 단계 진보된 수준의 바이오 의약 시대를 경험하게 되기를 기대한다.

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