바이오인

핵심내용

피부세포를 신경전구세포로, 고효율 직접분화 성공
- 초음파 이용, 자가줄기세포의 임상적용 가능성 높여 -

□ 피부세포를 줄기세포로 되돌리지 않고 직접 신경세포로 분화시키는 기술이 보고되었다. 김순학 교수(가톨릭관동대학교) 연구팀이 초음파에 의해 유도된 엑소좀*을 이용하는 고효율 직접분화 기술*을 세계 최초로 개발했다고 한국연구재단(이사장 조무제)은 밝혔다.
   * 엑소좀(exosome) : 세포 간 정보교환을 위해 mRNA, 마이크로 RNA, 단백질 등을 세포 밖으로 분비되는 50～200nm의 물질  
   * 직접분화 기술(direct conversion) : 직접교차분화 기술이라고도 함. 체세포를 유도만능줄기세포 단계를 거치지 않고 바로 목적하는 세포로 전환되도록 유도하는 기술

□ 줄기세포를 이용해 각종 유전질환과 난치성 질환을 치료하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존 배아줄기세포는 윤리적 위험성으로 연구의 난항을 겪고 있고, 체세포를 다시 분화 전처럼 되돌려 줄기세포로 만드는 역분화 기술은 낮은 효율성과 암세포 발생 가능성 등의 기술적 한계가 있다.

□ 차세대 줄기세포 기술로서 주목받는 직접분화 기술은 세포를 분화 전의 줄기세포로 전환시키지 않아, 암세포가 될 확률이 낮다. 연구팀은 초음파로 엑소좀을 만들어 이용함으로써, 짧은 기간에 대량으로 신경전구세포를 생산할 수 있도록 기술을 고도화하였다.

 ㅇ 엑소좀이 피부세포에 유입되면 5일 내에 70% 이상이 신경전구세포*로 유도되는 것이 확인되었다. 이 세포는 생체 내 이식 후 신경세포, 성상교세포, 희소돌기아교세포로 분화되었다.
   * 신경전구세포(neural progenitor cell) : 신경계의 여러 세포로 분화될 수 있는 미성숙 세포

 ㅇ 초음파로 유도된 엑소좀에는 신경계 특이적인 다양한 리프로그래밍 mRNA, 단백질 등 유전정보가 들어있다. 연구팀은 이 엑소좀이 세포에 유입되면 세포분화 관련 신호경로가 활성화되고, 이로 인해 염색체가 탈메틸화되면서 신경전구세포로 분화한다고 설명했다.

□ 김순학 교수는 “엑소좀에 의한 신경전구세포 유도기술은 암이 발생하지 않아 안전하고 단기간에 대량 생산할 수 있어 경제적이다”라며, “치매, 파킨슨, 헌팅턴병 등 신경질환의 자가줄기세포 치료가 가능해지고 줄기세포 연구 및 재생의료산업 분야에서 국제적인 경쟁력을 확보할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

□ 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구자)의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ACS 나노(ACS Nano) 2월 20일에 게재되었다.

상세내용

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성

  ○ 환자의 체세포로부터 원하는 기능의 세포를 확립한 후 이를 이용하여  환자에게 결핍된 장기의 기능을 대체하고자 하는 연구는 의학의 주요 관심 분야 중 하나다. 윤리적으로 해결해야 할 여러 문제를 안고 있는 배아줄기세포 외에, 원하는 세포를 얻기 위한 방법으로는 크게 두 가지 부류가 있는데, 체세포를 유도만능줄기세포(induced pluripotent cells, iPSC)로 전환한 후 원하는 세포로 재분화시키는 방법과 체세포를 다른 종류의 세포로 직접 전환시키는 직접교차분화법(direct conversion) 등이다.

  ○ 유전자 및 저분자 화합물 기반 세포 리프로그래밍 기술에 의한 유도만능줄기세포는 세포 생산 효율이 매우 낮고, 기형종(teratoma) 발생의 위험이 있으며, 직접교차분화법 역시 낮은 세포 생산 효율성과 생체이물(xenobiotics)의 안전에 관한 문제에서 자유롭지 못하다. 세포 치료가 임상적으로 현실화되기에 앞서 이러한 문제들이 반드시 해결되어야 한다.

  ○ 엑소좀(exosome)은 세포 간 유전 정보 교환을 위해 세포 밖으로 분비하는 50~200 nm 크기의 이중 지질막 구조를 가진 물질로, 내부에는 mRNA, microRNA 및 단백질 등이 포함되어 있으며, 분화 및 역분화 과정에서 이웃하는 세포의 표현형을 변화시키는 기능이 있다고 알려져 있다. 만약, 특정 체세포로부터 다른 계통의 전구세포(progenitor cell)로의 역분화에 관련된 유전 정보를 함유한 엑소좀(리프로좀*)의 분비를 환자의 체세포로부터 유도할 수 있다면, 분비된 리프로좀을 이용하여 보다 효율적이고 안전하게 원하는 표현형의 세포를 확보할 수 있으며, 세포 치료의 임상 적용을 가로막는 효율성과 안전성의 문제에 대한 해결책으로 이용될 수 있을 것이다.
     * 리프로좀(reprogramming factors in exosomes, reprosomes) : 특정한 세포로의 전환을 유도하는 다양한 리프로그래밍 mRNA/microRNA, 단백질을 포함하는 엑소좀을 말함.

 2. 연구내용

  ○ 초음파는 세포막에 미세 손상을 가하여 세포 외부 환경 물질이 세포 내로 비특이적으로 유입되게 함으로써 배지의 특성에 따른 세포의 표현형 변화를 초래할 수 있으며, 또한 물리적 스트레스로서 세포의 엑소좀 분비를 활성화할 수 있다. 연구팀은 이점에 착안하여, 신경분화에 관련된 리프로좀 분비를 유도하기 위하여 인간피부섬유아세포(Human dermal fibroblast, HDF)에 초음파를 처리한 후 인간신경줄기세포(human neural stem cell, hNSC) 배지에 하루 동안 배양하였다.

  ○ 초음파와 배지 처리 후 HDF로부터 분비된 리프로좀은 대조군에 비하여 분비량이 많았을 뿐만 아니라, mRNA, microRNA 및 단백질의 함유량이 월등히 높았으며 이들 중에는 신경전구세포(neural progenitor cell, NPC)에 특이적인 Sox1, Sox2, Pax6, Nestin 및 신경계 특이적 microRNA 등 신경계 분화에 관련된 바이오 마커들이 다수 포함되어 있었다. 형광표지자를 이용한 추적 검사 결과를 통하여, 리프로좀은 세포 내에서 생성되어 외부로 분비된 후 이웃하는 세포로 전달된다는 것을 확인함으로써 신경 계통으로의 분화에 관련된 유전 물질이 리프로좀을 통하여 확산될 수 있음을 증명하였다.   

  ○ 또한 리프로좀은 히스톤 변형 및 MAPK(mitogen-activated protein kinase)* 신호 전달 체계에 관련된 유전 물질을 포함하고 있으며, 세포의 MAPK 신호 전달 체계를 활성화함으로써 크로마틴 재편성(chromatin remodeling)*을 촉진시키는 MSK1의 발현을 유도하는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 신경 분화와 관련된 유전자의 메틸화(methylation)의 감소 및 전사를 활성화 시키는 방향의 히스톤 변형 등을 관찰함으로써 MAPK 신호 전달 체계에 의한 후생적 조절(epigenetic regulation)이 HDF에서 NPC로의 효율적인 역분화에 중요한 역할을 담당한다는 것을 확인하였다.
     * MAPK(mitogen-activated protein kinase) : 유사분열 활성화 단백질 인산화효소. 다양한 세포 외 성장신호에 반응하여, 세포분화, 증식, 생존, 세포자살 등에 영향을 미침.
     * 크로마틴 재편성(chromatin remodeling) : 진핵세포의 염색질은 DNA가 히스톤을 감싸서 응축된 상태인데, 이 염색질 구조가 풀리면서 DNA가 전사가 될 수 있는 상태.

  ○ 약 20 x 1011 개의 리프로좀을 100,000개의 HDF함께 hNSC 배지에서 배양하자 5 일 만에 NPC와 유사한 표현형을 갖는 세포(reprosome-mediated direct conversion of HDF into NPC, rNPC) 군집이 1,500 개 정도 형성되었다. rNPC는 이후 수 주 동안 전구 세포로서 중요한 특성인 자기 재생 능력(self-renewal)과 분열능을 보여 주었고, in vitro와 in vivo 실험 모두에서 성상세포(astrocyte), 신경세포(neuron) 및 희돌기세포(oligodendrocyte) 등으로 분화되었다.

 3. 연구성과/기대효과

  ○ 이번 연구를 통해 유전자 및 저분자 화합물을 사용하지 않고 물리적 자극인 초음파와 배지의 조합만으로 체세포로부터 신경전구세포 분화유도와 관련된 바이어마커를 포함하는 리프로좀을 생성하고 이를 이용하여 인간체세포에 신경전구세포 직접분화유도 관련 유전 물질을 전달함으로써 5 일 만에 체세포로부터 대량의 신경전구세포를 유도하는 원천기술을 세계최초로 개발하였다. 

  ○ 엑소좀에 의해 유도된 신경전구세포는 암이 발생하지 않아 안전하고 짧은 시간 내에 대량의 신경전구세포를 생산할 수 있어 자가줄기세포 생산이 가능하다. 이를 통해 기존의 타가줄기세포에 의해 발생한 생체 내 면역거부반응 등의 문제점을 해소할 수 있다.

  ○ 특히 엑소좀을 이용해 직접분화유도 방법의 간편함을 이용해 자동화장비시스템을 개발함으로써 재생의료 기반 산업분야에서 국제적인 경쟁력을 확보할 수 있다.

...................(계속)

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