바이오인

핵심내용

-Cell 자매지 발표, “부작용 없는 효과적인 환자맞춤형 줄기세포 치료제 개발 초석 마련”-

 □ 줄기세포의 전분화능(全分化能)과 유도만능줄기세포*의 효율을 조절하는 핵심 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀져, 향후 부작용 없고 효과적인 환자맞춤형 줄기세포 치료제 개발에 새로운 가능성을 열었다.

    ※ 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell) : 전분화능이 없는 분화된 세포들이 인위적인 역분화과정을 거쳐 전분화능을 갖도록 유도된 세포로, 수정란이나 난자를 사용하지 않아 윤리적인 문제에서 자유로우면서도 분화능력은 배아줄기세포와 유사해 세포치료에 다양하게 활용될 것으로 기대됨

 ○ 서울대 윤홍덕 교수(48세)가 주도하고 장현철 박사와 김태완 박사과정생이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약/핵심연구)과 WCU(세계수준의 연구중심대학) 육성사업 및 학문후속세대양성사업의 지원으로 수행되었고, 세계 최고 권위의 생명과학전문지 ‘셀(Cell)’의 자매지인 ‘세포줄기세포지(Cell Stem Cell)'에 온라인(5월 18일자)으로 게재되었다.

 (논문명: O-GlcNAc Regulates Pluripotency and Reprogramming by Directly Acting on Core Components of the Pluripotency Network)

□ 줄기세포는 전분화능을 가지고 있어 원하는 종류의 세포로 분화되기 때문에 뇌질환, 당뇨병 및 심장병 등 수많은 난치병을 치료할 수 있는 대안으로 각광 받고 있다.

 ○ 특히 유도만능줄기세포는 환자의 피부세포에서 줄기세포를 만들 수 있기 때문에 부작용 없는 환자 맞춤형 치료제를 개발할 수 있는 장점이 있어 전 세계 연구자들이 주목하고 있다.

 ○ 그러나 줄기세포의 전분화능과 유도만능줄기세포 형성과정 등에 대해 아직도 풀리지 않은 숙제들이 많아 실제 치료에 활용되기 위해서는 많은 시간이 필요하다.

□ 윤홍덕 교수 연구팀은 피부세포가 유도만능줄기세포로 역분화하는 과정에서 세포의 영양상태에 따라 역분화 효율을 크게 좌우하고, 당화(오글루넥糖化)가 줄기세포의 전분화능과 자기재생능력을 조절한다는 사실을 규명하였다.

 ○ 당화는 단백질과 아세틸글루코사민을 결합시켜 단백질의 기능을 조절하여 세포의 영양상태를 반영하는 신호전달체계로서, 부적절한 당화는 당뇨, 신경질환, 심혈관질환 및 암 등 현대인의 만성질환을 일으키는 원인으로 알려져 있다. 그러나 지금까지 줄기세포에서 당화가 어떤 역할을 하는지는 거의 밝혀지지 않았다.

 ○ 윤 교수팀은 줄기세포에서 포도당의 농도를 낮추거나 유전자 조작으로 당화를 인위적으로 감소시키면 줄기세포의 자기재생능력이 떨어지고, 피부세포를 유도만능줄기세포로 역분화시키는 과정에서 당화를 증가시키면 역분화 효율도 증가된다는 사실을 발견하였다.

 ○ 특히 연구팀은 이 현상을 분자수준에서 확인한 결과, 줄기세포를 제대로 유지하는데 핵심적인 역할을 하는 Oct4 단백질이 당화에 의해 조절된다는 사실을 규명하였다. 

 ○ 또한 당화되지 못한 Oct4 단백질은 줄기세포를 유지하지 못할 뿐만 아니라 유도만능줄기세포를 형성하지 못한다는 것도 밝혀냈다.

□ 윤홍덕 교수는 “이번 연구성과는 영양상태가 Oct4 단백질에 영향을 주어 줄기세포의 전분화능과 유도만능줄기세포의 형성에 직접 관여한다는 사실을 밝힌 것으로, 향후 부작용이 없는 환자 맞춤형 유도만능줄기세포의 제작과 세포치료제 개발에 새로운 지평을 열었다고 평가받고 있다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

줄기세포는 전분화능을 가지고 있어 원하는 종류의 세포로 분화시켜 세포치료에이용할 수 있다는 점으로 인해 뇌질환에서 당뇨병, 심장병에 이르기까지 많은 질병을 치료할 수 있는 대안으로 각광을 받고 있다. 특히 유도만능줄기세포는 환자의 피부세포에서 줄기세포를 만들 수 있기 때문에 면역이식 거부 반응이 없는 환자 맞춤형 세포 치료 및 그 줄기세포로부터 환자맞춤형 약을 개발할 수 있다는 점 등으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 실질적으로 줄기세포 치료를 환자에 적용하기에는 아직 많은 시일이 걸릴 것으로 예상된다. 가장 큰 이유는 줄기세포의 전분화능과 유도만능줄기세포가 형성되는 과정 등에 대한 분자수준의 이해가 부족하여 줄기세포 치료의 안전성을 담보할 수 없기 때문이다.

줄기세포를 유지 혹은 분화시키는 과정에서 영양상태가 일정부분 영향을 준다는 몇몇 보고들이 있었지만, 구체적인 메커니즘에 대한 연구는 없었다. 오글루넥당화 (O-GlcNAcylation)는 최근 많은 연구가 이루어지고 있는 단백질 변형을 통한 신호전달체계의 하나로, 가장 큰 특징은 세포내 영양 상태를 반영하여 단백질의 기능을 조절한다는 것이다. 본 연구진은 줄기세포 유지/분화 과정에서 영양상태가 오글루넥당화라는 신호전달체계를 통해 세포기능 조절과 연결될 것이라는 가설을 세웠다. 또한 이 가설이 올바르다면 피부세포를 유도만능줄기세포로 역분화시키는 과정에서도 오글루넥당화가 중요하게 작용할 것이라고 생각했다. 연구 결과 오글루넥당화를 낮추면 줄기세포의 자기재생 (self-renewal) 능력이 낮아지고, 피부세포의 역분화 효율이 현저히 감소함을 확인하였다. 반대로 오글루넥당화를 높이면 줄기세포 분화가 정상적으로 이루어지지 않고, 피부세포의 역분화 효율이 증가하였다. 분자수준에서 이 현상을 이해하기 위해, 유도만능줄기세포를 만드는데 필요한 3개의 전사인자 (Oct4, Sox2, Klf4)에 초점을 맞춰 연구하였고, 그 결과 Oct4, Sox2 전사인자가 오글루넥당화가 됨을 밝혔다. 특히 Oct4 단백질의 오글루넥당화가 Oct4의 전사활성에 큰 영향을 주어, 오글루넥당화가 되지 못하는 Oct4 단백질은 줄기세포를 유지하지 못할 뿐만 아니라 유도만능줄기세포 형성도 못한다는 것을 알 수 있었다.

따라는 본 연구는 줄기세포에서 오글루넥당화의 역할 및 작용 메커니즘을 세계최초로 규명했을 뿐만 아니라 유도만능줄기세포 제작 효율을 후성유전학적 방법으로 증가시켰다는 점에서 큰 의의가 있다.

용   어   설   명

1. 줄기세포
○ 줄기세포는 모든 다세포생물에서 발견되는 세포로, 나무줄기에서 가지가 뻗어나가듯 줄기세포에서 다른 다양한 종류의 세포들이 생성된다. 줄기세포에는 크게 배아줄기세포와 성체줄기세포가 있는데, 배아줄기세포는 태아나 성체의 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 전분화능을 가지고 있어 만능줄기세포로도 불린다.
 
2. 유도만능줄기세포
○ 일반 체세포를 만능줄기세포로 변화시켜 만든 세포를 유도만능줄기세포라고 한다. 줄기세포가 분화를 통해 다양한 체세포를 형성하는 것이 일반적인 현상이지만, 분화가 끝난 체세포에 특정 역분화 전사인자들을 발현시키면 줄기세포로 되돌리는 것이 가능하다. 유도만능줄기세포는 배아가 필요 없고, 환자의 세포에서 줄기세포를 직접 만들 수 있기 때문에 환자맞춤형 줄기세포 치료를 가능하게 할 것으로 기대되고 있다.

3. 전분화능 (Pluripotency)
○ 만능줄기세포가 가지는 특징 중 하나로 태아나 성체의 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력을 말한다.

4. 자기재생 (self-renewal)
○ 줄기세포가 가지는 특징 중 하나로 자신과 동일한 세포를 계속해서 복제해 낼 수 있는 능력을 말한다. 줄기세포가 아닌 세포는 분열하여 증식하는 과정에서 점점 노화되게 되는데, 줄기세포는 분열/증식 과정에서 노화 없이 자신과 동일한 세포를 계속 생산할 수 있다.

5. 당화
○ 단백질에 포도당 유도체들이 결합하는 것을 당화 (glycosylation)라고 한다. 본문에서는 여러 당화 중 아세틸글루코사민이라는 당이 단백질의 산소분자에 결합하는 오글루넥당화 (O-GlcNAcylation)를 편의상 당화로 명기하였다. 오글루넥당화는 진핵세포에서 핵과 세포질 단백질에 붙어 단백질의 세포내 위치, 안정도, 활성 등에 영향을 미쳐 그 단백질의 기능을 조절한다. 세포내 영양 상태에 따라 단백질 오글루넥 변형 정도가 크게 달라지기 때문에, 오글루넥당화는 흔히 영양 상태를 인지하여 세포의 기능을 조절하는 신호전달체계로 이해되고 있다.

6. 후성유전학 (에피제네틱스, epigenetics)
 ○ DNA 염기서열의 변화가 생기지 않으면서 유전자의 조절에 변화가 일어나는 것. 예를 들어, 만능줄기세포가 분화해서 근육세포로 변하는 과정에서 DNA 염기서열은 그대로 유지되지만, 유전암호와는 무관한 후성유전학적 변화에 의해 두 세포에서 발현되는 유전자의 종류와 양, 그리고 그로 인한 표현형에는 큰 차이가 생긴다. 잘 알려진 후성유전학적 변화에는 DNA의 화학적 변형(메틸화), 관련 유전자 부위의 염색질 리모델링 (chromatin remodeling)이 있다.

사   진   설   명

1. 당화 증감에 따른 유도만능줄기세포 형성 효율

그림 A는 생쥐배아피부세포를 역분화시켜 만능줄기세포로 바꾸는 과정을 보여주고 있다. 만능줄기세포 생성을 쉽게 확인하기 위해 유전자 조작된 생쥐를 이용해서 피부세포일 때는 녹색형광이 나오지 않고 유도만능줄기세포가 되면 녹색형광이 나오도록 하였다.

그림 B는 포도당 농도를 높이면 당화가 증가하는 것을 보여주고 있다.

그림 C는 유도만능줄기세포를 만들 때, 포도당 농도를 높여주면 유도만능줄기세포 형성 효율이 증가하는 것을 보여주고 있다.

2. 당화된 Oct4의 줄기세포 내 위치 및 당화된 Oct4에 의해  조절되는 유전자의 예

그림 A는 당화된 Oct4의 줄기세포 내 위치를 공초점 레이저 형광 현미경을 통해 3D로 관찰하였다. 녹색형광: Oct4 단백질을 표시, 적색형광: 당화 효소를 표시, 노란형광: 당화된 Oct4 단백질을 표시

그림 B는 당화된 Oct4 가 조절하는 타깃 유전자를 칩-시퀀싱 (ChIP-seqencing)을 통해 확인한 예이다.

3. Oct4 당화 여부가 줄기세포 유지 및 유도만능줄기세포 생성에 미치는 영향

그림 A는 줄기세포에서 정상 Oct4를 당화가 되지 못하는 Oct4로 치환한 경우, 줄기세포만 특이적으로 붉게 하는 염색이 현저히 감소함을 보여주고 있다. 즉, 당화가 되지 못하는 Oct4를 발현하면 줄기세포의 특징을 유지하지 못한다.

그림 B는 유도만능줄기세포 생성과정에서 정상 Oct4 대신 당화가 되지 못하는 Oct4를 사용하면 줄기세포가 거의 생성되지 않음을 보여주고 있다.

4. 본 연구결과에 대한 모델 설명

본 모델은 Oct4 단백질의 후성유전학적 조절 메커니즘 모식도이다. 줄기세포에서 Oct4 단백질은 228번째 아미노산이 당화에 의해 변형되며, 이는 유도만능줄기세포 형성 및 줄기세포 자기복제를 하는데 있어 중요한 역할을 하게 된다.

[사진설명] 윤홍덕 교수(가운데)가 제1저자 장현철 박사(오른쪽)와 공동 제1저자 김태완 박사과정생과 함께 줄기세포 Oct4 단백질 변형 젤 사진을 살펴보고 있다.