체세포로만 분화하는 새로운 만능줄기세포 수립

건국대와 독일 막스플랑크연구소 연구팀이 생식세포로는 분화되지 않고 체세포로만 분화하는 새로운 형태의 만능줄기세포를 수립하는데 성공했다.

건국대학교 동물생명공학과 도정태 교수 연구팀은 ‘FGF4 배지를 이용한 준만능성 배반엽상피줄기세포 수립'(Eatablishment of a primed pluripotent epiblast stem cell in FGF4-based conditions)연구를 네이처(Nature Publishing Group)에서 발행하는 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reprots, 인용지수(if) 5.078) 최근호(12월17일자)에 발표했다.

이번 연구는 독일 막스플랑크연구소 한스쉘러(Hans Scholer) 박사(건국대 석학교수)연구팀과 공동연구(공동교신 저자)를 통한 결과로 주진영 박사(천안 혜성병원 생식의학연구실)가 제1저자로 참여했다. 이는 두 가지 이상의 서로 다른 유전형질의 세포로 이루어진 개체인 ‘키메라'를 형성할 수 있는 준만능줄기세포를 만든 것으로 배아의 체세포 조직으로는 분화하지만 생식세포로는 분화되지 않는 특이한 줄기세포를 처음으로 생산한 것으로 평가된다.

<도정태 교수와 공동 교신저자인 독일 막스플랑크연구소 한스쉘러(Hans Scholer) 교수>

다양한 조직세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 만능줄기세포는 완전만능줄기세포(naive pluripotent stem cells)와 준만능줄기세포(primed pluripotent stem cells)로 나뉜다. 완전만능줄기세포는 착상 전 마지막 단계인 배반포(blastocyst)의 내부세포덩어리(inner cell mass)가 가지고 있는 특징을 가지고 있는 만능줄기세포로 태반조직을 제외한 모든 세포로 분화가 가능해, 배반포와 집합체를 만들어 키메라를 형성할 수 있다.

반면 준만능줄기세포는 착상돼 발달 중인 배반엽상피세포(epiblast cells)의 특징을 가지고 있어 배반포와의 집합체 형성이 안되며 키메라를 형성하지 못한다. 즉, 착상 전 배반포에서 형성된 배아줄기세포가 완전만능줄기세포이고, 착상 후 배반엽상피세포에서 형성된 배반엽상피줄기세포가 준만능줄기세포다.

두 만능줄기세포는 어느 세포에서 유래됐는지의 차이뿐만 아니라 배양하는 조건도 다르다. 즉 배반엽상피줄기세포는 Activin과 FGF2가 첨가된 배지를 사용하며 배아줄기세포는 LIF가 첨가된 배지에서 만능성을 유지하며 배양된다.

<그림. 새로운 타입의 배반엽상피줄기세포의 키메라 형성능. 배반엽상피줄기세포는 만능성 마커인 Oct4-GFP를 발현하고 있으며, 배아의 체세포 조직으로의 분화능은 있지만 정소조직 내 생식세포(Oct4-GFP 발현세포)로의 분화능이 없음.>

수립된 배반엽상피줄기세포는 체외에서 내배엽, 중배엽, 외배엽의 모든 조직으로 분화가 가능하지만, 키메라 형성능이 거의 없는 것으로 알려져 있다. 하지만, 체외 배양조건 및 유전자 조작에 의해 배반엽상피줄기세포를 완전만능줄기세포로 변화시키는 것이 가능하다. 이렇게 변화된 세포는 키메라를 형성하며, 모든 체세포와 생식세포로 분화가 되는 능력을 획득하게 된다.

하지만, 이번 연구에서는 배반엽상피줄기세포가 완전만능성 상태로 변하지 않으면서 서로 다른 유전 형질을 가지고 있는 개체인 ‘키메라' 형성 확률을 높은 상태로 유지될 수 있음을 밝혔다.

이전 배반엽상피줄기세포가 Activin와 FGF2가 첨가된 배지를 사용했지만, 새로운 배반엽상피줄기세포는 FGF4가 첨가된 배지를 이용했다. 건국대 연구팀은 이렇게 수립된 배반엽상피줄기세포는 키메라 형성이 가능해 모든 체세포 조직으로 분화가 가능하다는 점을 확인했다.

도정태 교수는 "특이한 것은 배반엽상피줄기세포가 생식세포로의 분화는 이루어지지 않는다는 것"이라며 "따라서, 생식세포로의 분화가 제한적인 체세포 분화 특이적인 배반엽상피세포 유래의 줄기세포를 최초로 생산했다" 고 말했다.

이번 연구는 농림부 차세대바이오그린21사업의 지원으로 이뤄졌다.

용어설명:
[배반엽상피세포(낭배외피세포, epiblast cells)]: 정자와 난자가 수정되어 수정란을 형성하면, 이 수정란은 분할하여 2 세포기, 4 세포기, 상실배를 거쳐 배반포를 형성한다. 배반포는 내부세포덩어리와 영양막세포로 이루어져 있다. 배만포가 자궁에 착상하면 내부세포덩어리는 우리 몸을 이루는 조직 세포로 분화하고, 영양막세포는 태반을 형성하게된다. 따라서 우리 몸을 이루는 모든 세포는 배반포의 내부세포덩어리에서 유래된 세포이다. 내부세포덩어리는 착상후 배반엽상피세포로 분화한다. 따라서, 내부세포덩어리가 자궁에 착상 후 형성된 세포들이 배반엽상피세포이다. 이 배반엽상피세포를 체외에서 배양하여 얻어진 줄기세포가 배반엽상피줄기세포이다.

[키메라]: 두 가지 이상의 서로 다른 유전형질의 세포로 이루어진 개체를 의미한다. 예를 들어, 배반포에 완전만능줄기세포인 배아줄기세포를 주입하면 배아줄기세포는 내부세포괴와 혼합되는데, 이렇게 만들어진 배반포를 착상시키면 배반포 유래의 세포와 배아줄기세포 유래의 세포의 서로 다른 유전 형질을 가지고 있는 개체가 태어나는데, 이를 키메라라고 한다.

<출처> 건국피플