바이오인

핵심내용

체세포복제줄기세포주 성공률 획기적으로 높였다!
- 체세포복제줄기세포를 통한 치료 연구 본격화 기대 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희, 이하 미래부)는 미래부 바이오·의료기술개발사업의 지원을 통한 줄기세포 연구성과가 바이오 분야 세계 최고 권위지 셀(Cell) 지(誌)의 자매지인 셀스템셀(Cell Stem Cells,  IF=22.268) 지(誌)에 게재되었다고 밝혔다.

□ 차의과학대학교 줄기세포연구소의 이동율 교수(공동교신저자)와 정영기 교수(제1저자) 연구팀이 미국 하버드(Harvard) 대학 Yi Zhang 교수팀과 공동 수행한 이번 연구를 통해, 인간 체세포복제줄기세포의 생성을 저해하는 후성유전학적 요인(epigenetic barrier)을 최초로 발굴하였고, 이를 극복하는 인자의 도입으로 체세포복제배아줄기세포주의 성공률을 획기적으로 증진시키는 기술을 확립하는데 성공했다.

  o 지금까지 체세포복제줄기세포는 극소수의 우수한 질을 가진 공여난자를 사용했을 때만 성공했다. 따라서 성공확률이 극히 낮아 많은 환자를 위한 세포치료제로서 적용에 많은 제한점이 있었다.

  o 이번 연구를 통해서 과거 체세포복제에 실패한 공여자들의 난자들에서도 성공적인 체세포복제배아발생과 세포주 수립이 가능해졌고, 또한 수립효율이 개선되어 향후 다양한 질환을 가진 환자를 위한 세포치료제로서의 광범위한 적용이 가능할 것으로 기대된다.

□ 공동연구팀은 체세포복제과정에서 공여 핵의 리프로그래밍(reprogramming)을 방해하는 인자를 발굴하기 위해 일반배아와 체세포복제배아를 이용한 유전자발현 분석(RNAseq)을 시행하였다.

  o 분석 결과, 체세포복제배아에서 상당수의 배아발생관련 유전자의 발현이 억제되어 있음을 확인하였고, 체세포복제배아에서의 많은 유전자의 발현억제가 특정 히스톤메틸효소＊ (H3K9me3)의 활성이 높게 유지되었기 때문인 것을 밝혀냈다.
  
＊히스톤메틸효소(Histone metyltransferase) : 히스톤 단백질의 lysine (K) 또는 arginine (R) 잔기에 methyl기를 부착하여 유전자의 발현을 억제하거나 촉진시키는 효소임. 일반적으로 histone H3의 lysine잔기에 three methyl군을 부착시키는 H3K9me3는 유전자의 발현을 억제함.

□ 연구진은 체세포복제배아의 발생률을 올리기 위해 히스톤메틸효소의 기능을 감소시키는 디메틸효소 (KDM4A)의 mRNA를 체세포복제배아에 주입하였고,  

  o 이를 통해 체세포복제배아에서 리프로그래밍을 저해하는 히스톤메틸효소의 활성이 감소하고, 배아발생관련 유전자의 발현이 재개되어 성공적인 포배기배아로의 발생과 줄기세포주 수립효율이 획기적으로 증진됨을 확인하였다.
 
  o 구체적으로, KDM4A mRNA가 주입된 56개의 체세포복제란으로부터 15개의 포배기배아를 생산했고 (26.8%), 4개의 정상적인 체세포복제배아줄기세포주를 수립하여 (7.1%) 2014년 연구결과에 비해 3배 이상의 효율증진을 얻었다.
 

□ 이동율 교수팀은 과거 여러 연구팀에 의해 제기된, “체세포복제배아줄기세포주의 수립은 오직 우수한 질을 가진 난자에 의해서만 가능하다”는 기술적인 제약을 ”리프로그래밍 저해인자 (reprogramming registance regions)"의 발굴을 통해서 극복할 수 있는 해결점을 찾았고, 체세포복제배아줄기세포를 이용한 세포치료제의 실용성을 획기적으로 높였다는 점에서 이번 연구 성과의 의미를 강조했다.
  

□ 특히 이번 연구에서 확보된 체세포복제배아 줄기세포주는 망막질환 환자에게서 공여된 체세포로 제작된 환자맞춤형 체세포복제배아 줄기세포로서, 이동율 교수팀은 이번 연구결과를 토대로 망막상피세포로의 분화연구를 수행해 나갈 계획이며, 나아가 망막질환 환자를 대상으로 체세포복제줄기세포주를 이용한 임상연구를 진행할 계획이다. 

상세내용

연 구 결 과 개 요

Histone Demethylase Expression Enhances Human Somatic Cell Nuclear Transfer Efficiency and Promotes Derivation of Pluripotent Stem Cells
Young Gie Chung*, Shogo Matoba*, Yuting Liu, Jin Hee Eum, Falong Lu, Wei Jiang, Jeoung Eun Lee, Vicken Sepilian, Kwang Yul Cha, Dong Ryul Lee** and Yi Zhang**  (Cell Stem Cells )

* co-first author
** co-corresponding authors

1. 한글제목 : 히스톤 디메틸효소의 발현증진을 통한 인간 체세포복제효율과 줄기세포주 수립효율의 증진  
 
2. 연구 배경
  환자 맞춤형 전분화능 줄기세포주의 확보는 난치성 질환 환자에게 면역거부반응을 피하면서 질병의 원인을 치료할 세포치료제의 생산에 필수적인 부분이다. 2013년 오리건 대학의 연구팀은 우수한 질의 공여 난자와 태아 유래 체세포를 이용하여 최초로 체세포복제배아줄기세포의 확립에 성공하였고, 2014년 본 연구진은 최초로 살아있는 성인의 체세포를 이용하여 체세포복제배아줄기세포주의 수립을 통해 줄기세포치료제로서의 개발 가능성을 확인 한 바 있다.  하지만 현재까지도 체세포복제배아의 발생율은 극히 저조하며, 그 나마도 성공적인 리프로그래밍이 소수의 우수한 난자에서만 가능한 것으로 알려져 있고 극소수 연구팀에서만 가능한 기술로 여겨지고 있어 줄기세포 치료제로서의 효용성에 제한점으로 작용하고 있었다. 따라서 많은 난치성 환자의 질병치료에 체세포복제배아줄기세포를 이용하기위해서는 저조한 복제배아의 발생률을 극복하고, 난자의 질에 크게 영향 받지 않는 기술의 개발이 시급하다. 본 연구진은 인간 체세포복제배아의 리프로그래밍 저해인자를 밝혀내고, 이를 극복하는 기술을 개발하고자 배아의 유전자발현을 조절하는 후성유전학의 대가인 Harvard대학의 Yi Zhang 교수팀과 국제공동연구를  수행하였다.

3. 연구 내용

인간배아는 8-세포기부터 배아의 유전체에서 유전자가 발현되어(embryonic genome activation, EGA) 발생과정을 조절하게 된다. 연구진은 체세포복제배아의 저조한 발생이 배아발생관련 유전자의 비정상적인 발현에서 유래할 것으로 예상하고, 이를 조절하는 후성유전체 조절기작을 분석하였다. 연구진은 일반 8-세포기 배아와 체세포복제-유래 8-세포기 배아의 유전자발현을 RNAseq 방법으로 비교하였고, 체세포복제-유래 8-세포기 배아에서 배아발생관련 유전자의 발현이 저조한 유전자군 (Reprogramming resistance region, RRR)을 찾았다. 유전자발현을 억제하는 특정 히스톤 메틸효소 (H3K9me3)가 체세포복제배아의 RRR 지역에서 비정상적으로 높게 남아있다는 점을 확인하고, 이를 없애기 위해 히스톤 디메틸 효소인 KDM4A mRNA를 복제란에 주입하였다.
본 연구를 위해서 체세포를 노인성 망막질환환자 (Age-related Macular degeneration, AMD)로부터 기증받았고, 난자는 선행연구에서 포배기배아를 생성하지 못한 공여자로부터 기증받았다.

KDM4A mRNA가 주입된 체세포복제배아의 포배기배아로의 발생율은 약 26% (15/56)로 주입되지 않은 복제배아 (4.2%(2/48))에 비해 월등히 높았다. 또한 15개의 포배기배아로부터 4개의 체세포복제배아줄기세포주가 수립되었다. 수립된 모든 줄기세포주는 염색체 검사와 유전자 마커 분석을 통해 성인체세포에서 유래된 정상 체세포복제배아줄기세포주 임이 확인되었다.

이상의 결과를 통해서 인간의 체세포복제배아의 발생과정에서 비정상적으로 높게 남아있는 H3K9me3 activity가 리프로그래밍을 저해하는 후성유전학적 저해요인 (epigenetic barrier) 임을 밝혔고, H3K9me3 activity를 감소시키는 KDM4A mRNA를 도입하여 체세포복제배아의 저조한 발생률을 극복할 수 있었다.

4. 기대효과

선행연구에서 최초로 성인체세포유래 체세포복제배아줄기세포주의 수립에 성공한 연구진은 환자맞춤형 줄기세포치료제로의 이용에 가장 큰 장애물인 저조한 발생률의 원인인 후성유전학적 요인 (epigenetic barrier)을 발굴하고, 이를 극복하는 기법을 개발하였다. 이러한 연구결과는 체세포복제배아줄기세포주 수립의 기술적인 제약을 극복하는 해결점을 찾았다는데 큰 의의가 있으며, 향후 체세포복제배아줄기세포를 이용한 본격적인 세포치료제 개발을 가속화 할 것이라는 점에서 큰 의미를 갖는다. 또한 연구진은 망막질환을 가진 환자에게서 체세포복제배아줄기세포주를 확보하였고, 이 줄기세포주는 질병의 원인을 규명하는데 유용할 뿐 아니라 실제치료에도 적용가능할 것으로 여겨진다.  

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구진이 2014년 최초로 성인체세포에서 유래된 체세포복제배아줄기세포주 수립성공을 발표한 이후 동물복제배아의 후성유전조절의 세계적인 대가인 Harvard 대학의 Yi Zhang 교수팀이 공동연구를 제안해와 공동연구를 시작하게 됨.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

동물모델에서 많은 연구 모델과 결과를 가지고 있던 Yi Zhang교수팀은 인간 체세포복제배아에서 적용가능성을 보고자 하였음. 차의과학대학교 연구팀은 체세포복제배아줄기세포의 기술적인 제약을 극복하고자 다양한 후성유전체 조절기작을 도입하여 연구를 진행함.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

생쥐모델과 달리 인간의 유전체는 개체 간에 아주 큰 차이가 있어 선명한 연구결과를 얻기에 어려운 점이 많음. 더욱이 연구재료의 확보에 애로사항이 많아 연구 외적인 제한 점이 많음. 공동연구팀과의 많은 논의와 협력을 통해 이를 극복하였음. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

과거의 연구는 많은 난자 공여자 중 우수한 질을 가진 소수의 공여자에서 기증된 난자에서만 체세포복제배아줄기세포주가 수립될 수 있으므로 세포치료제로서의 범용적 사용에 제한이 있었음. 금번 연구결과를 통해 이러한 제한점을 극복할 수 있는 시발점을 확보했다는데서 큰 의미성이 있음

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

체세포복제배아줄기세포 기법을 이용하여 전국민에게 도움이 될 수 있는 전분화능 줄기세포은행을 확립하여 국민 건강증진과 국제경쟁력 확보에 기여하고 싶은 바람이 있음.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

연구에 이용한 체세포를 공여받기위해 많은 망막질환 환자를 인터뷰하면서 그들의 아픔과 애로사항을 절절히 느낄 수 있었음. 연구를 보다 열심히 진행해서 그들에게 기쁨을 줄 수 있는 날을 당겼으면 함. 

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