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핵심내용

 -체세포에서 종양 등 부작용 없는 유도신경줄기세포로 직접 리프로그래밍기술 개발 -

□ 체세포에 신경줄기세포의 특이적인 유전자를 이용해 ‘유도신경줄기세포’ 생산하여 기존의 배아줄기세포와 유도만능줄기세포를 대체할 세포치료의 한계가 국내 연구진의 주도로 극복되었다.

 ○ 건국대 한동욱 교수(36세) 연구팀과 독일 막스플랑크연구소가 공동 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(우수신진연구)과 원천기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 ‘셀(Cell)’의 자매지인 ‘세포줄기세포지(Cell Stem Cell)' 주요 논문으로 온라인 판(3월 22일)에 게재되었다.

(논문명: Direct reprogramming of fibroblasts into neural stem cells by defined factors)

□ 체내의 모든 세포로 분화될 수 있는 배아줄기세포는 치매 등 난치성 질환을 치료할 수 있는 무한한 잠재력이 있다. 그러나 면역거부반응과 난자를 이용해야 하는 윤리적인 문제로 인해 그 사용이 제한되었다.

 ○ 이러한 문제점을 해결하고자 환자로부터 얻은 체세포를 배아줄기세포와 유사한 상태로 유도하는 연구(체세포 역분화)가 활성화되고 있다. 

 ○ 특히 지난 2006년에는 일본의 연구팀(쿄토대 야마나카 교수)이 체세포 역분화 유전자를 삽입하여 배아줄기세포와 매우 흡사한 유도만능줄기세포 생산에 성공하였다.

 ○ 그러나 유도만능줄기세포는 분화과정에서 소량의 미분화세포가 잔류하여 세포를 이식하는 과정에서 종양(암)이 생성될 수 있는 문제점이 있다. 따라서 최근에는 역분화과정을 거쳐 유도만능줄기세포로 만들지 않고, 직접적인 세포치료를 위한 체세포로의 직접전환(리프로그래밍)을 유도하기 위한 기술개발이 활발히 진행되고 있다.

 ○ 하지만 이 기술도 세포들이 이미 최종단계까지 분화되어 자기재생능력이 없는 세포들로서, 시험관에서 일정기간 이상 배양이 어려워 세포치료에 필요한 충분한 양의 세포를 확보하는 것이 불가능하였다.

□ 한동욱 교수 연구팀은 기존의 문제점을 개선한 ‘유도신경줄기세포’를 개발하고, 치매 등 퇴행성 뇌질환 치료에 새로운 가능성을 열었다.

 ○ 한 교수팀은 생쥐의 체세포에 신경줄기세포의 특이적인 유전자를 삽입하여 뇌 조직으로부터 나온 신경줄기세포와 유사한 세포를 생산해냈는데, 이를 ‘유도신경줄기세포’라고 이름을 붙였다.

 ○ 한 교수팀이 개발한 유도신경줄기세포는 시험관에서 1년 이상 장기 배양이 가능하여 자기재생능력이 증명되었고, 분자생물학적 측면에서도 뇌 조직으로부터 나온 신경줄기세포와 일치하였다.

 ○ 또한 생쥐의 뇌 조직에 주입하자, 어떠한 종양도 형성되지 않고 다양한 신경세포로 분화되어 정상적인 분화능력도 확인되었다.

□ 분화 및 자기재생 능력을 겸비한 성체줄기세포 중에서도 신경줄기세포로의 직접 리프로그래밍 기술개발은 줄기세포 분야 블루칩으로 각광 받는 기술이다. 

 ○ 한동욱 교수는 “이번 연구는 체세포를 성체줄기세포로 직접 역분화를 유도한 첫 번째 사례로서, 기존의 유도만능줄기세포를 이용한 치료의 가장 큰 문제점인 종양 형성의 문제점을 극복한 획기적인 방법으로, 향후 유도신경줄기세포를 통해 치매 등 뇌질환과 척수손상 등의 치료에 핵심기술로 활용될 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

  연 구 결 과 개 요

최근  Embryonic stem cells (ESCs) 특이적인 전사인자를 이용하여 체세포를 ESCs과 동일한 상태 즉 유도만능줄기세포 (induced pluripotent stem cells, iPSCs)로  reprogramming이 가능하게 되었다. 그러나 특정 체세포에서 특이적으로 발현하는 전사인자들을 도입, 전혀 다른 형질을 가진 adult stem cells로의 직접 리프로그래밍 여부는 아직 알려진 바 없다.

최근 분화된 체세포에 reprogramming 유전자 (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc) 또는 세포 특이적인 전사유전자들을 적용하여 신경세포, 심근세포, 혈액전구세포, 간세포, 외배엽줄기세포로의 직접 리프로그래밍의 유도가 성공적으로 이루어졌다. 기존의 연구에 따르면, 신경세포 특이적인 전사유전자 및 microRNA를 적절히 조합하여 생쥐와 인간의 fibroblast를 다양한 신경세포로 직접 리프로그래밍이 가능함이 밝혀졌다.

이러한 유도신경세포 (induced neurons, iN cells)는 신경세포와 유사한 유전자 발현 양상은 물론 활동전위를 발생시킬 수 있었으며 이 결과는 체외에서 직접 리프로그래밍을 통해 생산된 유도신경세포가 체내 유래 신경세포와 기능적으로도 매우 유사하다는 것을 보여준다. 그러나 자기재생능 (self-renewal) 없는 유도신경세포는 체외에서 일정기간 이상 배양이 어렵고 따라서 충분한 양의 세포를 확보할 수 없기 때문에 직접 리프로그래밍에 관여하는 분자 세포학적 기전을 이해하기 어렵고 나아가 세포치료에 필요한 충분한 양의 세포를 얻어내는 것이 현실적으로 불가능하다. 현재까지 가장 잘 알려진 성체줄기세포인 신경줄기세포 (Neural stem cells; NSCs)는 자기재생능은 물론 신경세포 (neurons), 성상세포 (astrocytes), 희돌기교세포 (oligodendrocytes) 로의 분화능력을 갖추고 있다. 따라서 섬유아세포의 신경줄기세포로의 직접 리프로그래밍은 궁극적으로 신경세포뿐만 아니라 신경 관련 세포들을 대량 확보할 수 있는 기술로 적용 가능하다.

본 연구진은 신경줄기세포 특이적인 전사유전자와 줄기세포 특이적 전사유전자를 적절히 조합하여 fibroblast를 기능성을 구비한 유도신경줄기세포 (induced neural stem cells, iNSCs)로 직접 리프로그래밍에 성공하였다.

iNSCs는 뇌 조직에서 유래된 신경줄기세포와 형태학적 특성, 자기재생능, 후생학적 상태, 체내와 체외 분화능에서 매우 유사하였다. 또한 본 연구진은 fibroblast에서 iNSCs로의 직접 리프로그래밍이 체세포 특이적인 유전자의 발현이 시간이 지남에 따라 비활성화되는 점진적 방식 (gradual process)으로 이루어짐을 발견하였다. 따라서 이 연구결과는 체세포를 실질적으로 자기재생능과 정상적인 기능성을 겸비한 성체줄기세포로의 직접 리프로그래밍을 유도한 첫 번째 연구사례로 사료된다.

용   어   설   명

1. 세포줄기세포(Cell Stem Cell)지
○ Cell지의 자매지인 Cell Stem Cell지는 줄기세포분야 최고 권위(인용지수 impact factor 26.967)지로서 주로 다양한 줄기세포에 대한 연구내용을 다룬다.

2. 배아줄기세포(Embryonic stem cells, ESCs)
○ 수정란에서 유래 가능한 줄기세포로서, 전분화능 (pluripotency, 전능성)을 가지고 있어서 우리 몸을 구성하는 모든 종류의 세포로 분화 가능한 세포이다.

3. 유도만능줄기세포(Induced pluripotent stem cells, iPSCs)
○ 체세포에 4가지 전사 유전자 (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)를 도입하여 만든 세포로서 전분화능을 비롯한 다양한 측면에서 배아줄기세포와 유사한 세포이다. 2006년 일본 쿄토대학의 신야 야마나카 연구진이 개발하였다.

4. 리프로그래밍(Reprogramming)
○ 일반적으로 분화가 이루어진 체세포를 여러 가지 실험적 방법을 이용 다시 배아줄기세포화 시키는 방법이다. 최근 체세포를 전혀 다른 형태의 체세포로 바꾸어 주는 과정 역시 직접 리프로그래밍(Direct reprogramming, Direct conversion, Transdifferentiation)이라고 부른다.

5. 신경줄기세포 (neural stem cells, NSCs)
○ 뇌조직이나 척수에서 유래 가능한 성체줄기세포로서 자기재생능을 가지며 신경, 성상세포, 희돌기교세포로 분화가 가능한 다능성을 가진다.

사   진   설   명

그림1. 직접 리프로그래밍 기법으로 생산된 유도신경줄기세포.
체외에서 장기간 배양이 가능하여 자기재생능을 획득했음이 증명되었으며, 형태학적으로 뇌조직 유래 신경줄기세포와 매우 유사함.

그림 2. 유도신경줄기세포의 체외 분화능.
직적 리프로그래밍을 통해 생산된 유도신경줄기세포가 신경세포, 성상세포, 희돌기교세포로 분화가 이루어져 정상적임 분화능을 가지고 있음이 증명됨.

그림 3. 유도신경줄기세포로의 직접 리프로그래밍 기법 모식도.

체세포에 신경줄기세포 특이적인 유전자를 도입, 체외와 체내에서 정상적인 분화능을 가진 유도신경줄기세포의 생산이 이루어짐.

(사진설명) 한동욱 교수(왼쪽)가 학생에게 유전자 클로닝 과정을 설명하고 있다.

(사진설명) 한동욱 교수(왼쪽 세 번째) 연구팀