외래유전자 삽입 유도만능줄기세포 되돌림 현상 밝혀내
외래유전자 삽입 없는 유도만능줄기세포의 필요성 증명

건국대 연구팀이 외래 유전자가 삽입된 유도만능줄기세포를 신경줄기세포로 분화시킨 후에도 그 상태를 유지하지 못하고 다시 유도만능줄기세포로 되돌아가는 현상을 처음으로 규명했다. 이번 연구는 외래 유전자가 삽입된 유도만능줄기세포의 위험성을 실험적으로 증명하고 그 메카니즘을 처음으로 밝힌 것으로 줄기세포 연구에서 외래 유전자 삽입 없이 유도만능줄기세포를 만드는 기술이 필요하다는 점을 증명한 것으로 평가된다.

건국대 동물생명공학과 도정태 교수(사진) 연구팀은 외래 유전자가 삽입된 유도만능줄기세포가 분화된 후에도 다시 유도만능줄기세포로 되돌아 올수 있음을 체외 시스템에서 세계 최초로 증명했다고 11일 밝혔다. 도 교수팀의 ‘유도만능 줄기세포(iPS cells)에서 분화된 신경줄기세포의 자발적 만능성 회복 (Neural stem cells differentiated from iPS cells spontaneously regain pluripotency) 연구'는 한국연구재단과 농촌진흥청 차세대 바이오그린21사업의 지원으로 이뤄졌으며 줄기세포 분야 저명 국제 학술지인 스템 셀(Stem Cells)지(인용지수 7.701) 6월 4일 온라인판에 게재됐다.

유도만능줄기세포는 분화된 체세포에서 역분화 유전자의 과발현으로 만능성을 획득한 세포이다. 이 유도만능줄기세포는 신체를 이루는 모든 조직세포로 분화가 가능한 배아줄기세포와 유사한 특성을 가진 세포이다. 또한, 환자 맞춤형 세포치료에 이용하기에 적합한 기술로 2012년 노벨생리의학상을 받은 세계적으로 각광받는 기술이다. 초기에 개발된 바이러스를 이용한 역분화 기술은 외래 유전자가 세포핵에 삽입되어 안전하지 않으므로, 외래 유전자 삽입이 없이 유도만능줄기세포를 만드는 기술이 속속 개발되고 있다.

이번 연구는 외래 유전자 삽입된 유도만능줄기세포의 위험성을 실험적으로 증명하고 그 메카니즘을 처음으로 밝힌 것이다.

도 교수 연구팀은 바이러스를 이용하여 만들어진 유도만능줄기세포에 삽입되어 있는 외래 유전자 발현의 변화를 관찰했다. 삽입되어 있는 외래 유전자들은 유도만능줄기세포로 역분화되는 과정에서 발현이 억제된다. 이는 만능줄기세포 상태에서 많이 발현하는 DNA 메틸화효소에 의해 삽입되어 있는 외래 유전자가 메틸화 되어 발현이 억제되기 때문으로 알려져 있다. 유도만능줄기세포가 신경줄기세포로 분화되어 DNA 메틸화효소가 감소되면, 메틸화되어 억제되었던 외래 유전자가 다시 발현했다.

이렇게 외래 유전자(역분화인자)가 다시 발현되면서, 분화된 신경줄기세포가 그 상태를 유지하지 못하고 다시 유도만능줄기세포로 되돌아가는 것을 관찰했다. 따라서, 분화된 세포 상태에서도 다시 유도만능줄기세포로 되돌아 갈 수 있다는 것을 증명했다. 만약, 이러한 현상이 체내에서 일어난다면, 이식된 세포에서 종양이 발생할 수 있다는 것을 의미한다. 이는 외래 유전자 삽입 없는 방법으로 유도만능줄기세포를 만들어야 한다는 것을 실험적으로 증명한 첫 연구 보고 이다. 현재, 도 교수 연구팀은 바이러스를 이용하지 않고 외래 유전자 삽입이 없는 안전한 유도만능줄기세포 수립 기술과 메카니즘 연구를 진행 중이다.

그림. 유도만능줄기세포 형성과 분화에 따른 외래 유전자와 DNA 메틸화효소(Dnmt)의 발현 변화.

용어설명:
[유도만능줄기세포 (역분화 만능줄기세포)]: 분화된 체세포에서 역분화되어 만능성(pluripotency)을 획득한 줄기세포로 배아줄기세포와 유사한 특성을 지니고 있다. 신체를 이루고 있는 모든 세포로 분화가 가능하며, 무한 증식이 가능한 세포이다. 2006년 일본 교토대학 야마나까 교수에 의해 처음 개발되었으며, 2012년 노벨 생리의학상을 받은 기술로 세계적으로 각광을 받고 있다.

[신경줄기세포]: 신경계를 이루는 신경세포(neuron)과 신경교세포(glia)로 분화가 가능한 성체줄기세포. 매우 균질한 상태로 배양이 가능한 성체줄기세포로 Sox2등 역분화 인자를 발현하고 있어, 쉽게 역분화되는 세포 타입으로 알려져 있다.

[DNA 메틸화]: DNA를 구성하는 네 개의 염기, 아데틴(A), 시토신(C), 티민(T), 구아닌(G) 중 시토신은 메틸화된 형태의 메틸-시토신 형태로도 존재하는데, 메틸-시토신으로 있는 경우는 그 주위의 유전자는 발현이 억제된다. DNA 메틸화효소 (DNA methyltransferase)에 의해 메틸-시토신으로 변하며, 탈메틸화가 되어 다시 시토신으로 전환 될 수 있다.

교신저자: 도정태 건국대학교 동물생명공학과 교수 (dojt@konkuk.ac.kr)
줄기세포 발생학 연구실 홈페이지: http://www.stemism.com