유도 만능 줄기 세포(iPS Cell) 2탄, 새로운 가능성을 열다.
신규 저분자 화합물을 이용한 고효율 줄기세포 역분화기술 개발

지난 11월, 국내 연구진이 인간 체세포로부터 배아줄기세포 유사 유도만능줄기세포*의 제작을 효과적으로 개선할 수 있는 신규 저분자 화합물(RSC133)을 개발했다는 소식이 들려왔습니다. 무엇보다 이번 개발은 유도만능줄기세포의 단점을 개선할 수 있으며, 역분화** 연관 기술의 상용화 및 임상적용의 새로운 가능성을 열었다는 점에서 의미있는 결과입니다.

한국생명공학연구원 조이숙 박사

* 유도만능줄기세포(iPS, induced Pluripotent Stem cell) : 사람 성체세포에 역분화 유도 인자를 도입하여 제작한 배아줄기세포와 비슷한 특성(우수한 분화능 및 증식력)의 줄기세포로 ‘역분화 줄기세포’라고도 하며, 수정란이나 난자를 사용하지 않아 윤리 문제에서 비교적 자유로움
** 역분화(Reprogramming) 기술 : Oct4, Sox2, Klf4, 그리고 c-Myc 전사인자 등 역분화 인자를 복합적으로 체세포에 도입시켜 배아줄기세포와 거의 유사한 특성을 가진 유도만능줄기세포를 제조하는 방법

유도만능줄기세포와 문제점
작년 노벨생리의학상 수상자인 야마나카 신야 교수(일본 교토대)에 의해 2006년 세계 최초로 개발된 ‘역분화 기술’은 배아를 이용하지 않고도 환자로부터 채취한 체세포에서 인간배아줄기세포와 유사한 전분화능* 특성을 가진 유도만능줄기세포를 확보할 수 있게 하였습니다.

* 전분화능(Pluripotency) : 완전한 개체를 형성할 수는 없지만 세개의 배엽층(germ layer)인 내-, 외-, 중배엽 중 어느 것으로나 분화 가능한 세포의 잠재 능력

그러나 기본적으로 발암유전자를 포함하는 역분화 인자(c-Myc 등 4개)를 체세포에 도입해 유도만능줄기세포를 확립하기 때문에(바이러스 시스템 이용) 암 유발 및 세포기능 변화 가능성 내재 등 임상적용을 위한 안전성이 확보되지 않은 상태였습니다.

또한 최근 바이러스 시스템 대안으로 저분자 화합물, 단백질, 알앤에이, 비바이러스성 비삽입성 벡터(에피솜 벡터) 등을 이용한 역분화 기술이 개발되고 있으나, 바이러스 이용 기법에 비해 현저히 낮은 역분화 효율 및 재현성 확보 문제가 지속적으로 제시되고 있었습니다.

신규 저분자 화합물 RSC133
조이숙 박사 연구팀은 문제점으로 지적된 낮은 역분화 유도 효율을 효과적으로 증진시킬 수 있는 임상적으로 안전한 신규 저분자 화합물 RSC133을 발굴하는데 성공하였고, 역분화 과정에서 작용하는 RSC133의 기능적 역할을 규명하였습니다. 


 역분화 과정에서의 RSC133의 작용 모드 및 효과. (▲그림1)
역분화 유도 배양 배지에 RSC133을 첨가하면 역분화 효율과 속도가 증진되어 온전하게 역분화 유도된 인간 유도만능줄기세포(hiPS)의 수가 증가하고, 역분화에 요구되는 시간이 효율적으로 단축됨을 확인하였다 (초록색 화살표). 이는 미분화 마커 유전자인 Oct4와 Nanog의 발현 시기, 그리고 히스톤 (H3K9) 아세틸레이션의 활성화 시기 (주황색 막대), 그리고 후성유전적 조절인자인 Dnmt1의 발현 조절 시기 (파란색 막대)가 RSC133을 첨가하고 역분화 유도한 세포 그룹에서 상대적으로 앞당겨짐을 확인함으로써 검증되었다.


이번 연구를 통해 신규 저분자 화합물 RSC133이 역분화 과정 동안 세포 성장을 증진시키고, 전분화능 마커 유전자*와 세포 주기 억제 인자 등의 발현을 촉진하며, 후성 유전적 조절** 기전에 관여함으로써 역분화 유도에 유리한 세포내 환경을 제공하는 것을 알 수 있었는데요, 이밖에도 인간배아줄기세포 및 유도만능줄기세포를 포함하는 전분화능 줄기세포의 배양 배지에 첨가할 경우 자연 분화를 억제하고, 미분화 상태 줄기세포의 유지 배양에 효과가 있음을 확인함으로써 전분화능 줄기세포의 대량 배양 방법을 개발하는데 이용될 수 있음을 확인하였습니다.

 * 전분화능 마커 유전자 : 미분화 상태의 전분화능 줄기세포에서 특이적으로 발현되는 유전자
** 후성 유전적 조절 : DNA 염기서열의 변화 없이 DNA 메틸화 및 히스톤 변형 등에 의해 이루어지는 유전자 발현의 조절

 전분화능 획득 및 유지에서의 RSC133 양성 효과. (▲그림2)
RSC133은 낮은 역분화 효율의 원인인 역분화 장벽 요인을 효율적으로 개선할 뿐만 아니라, 미분화 상태 전분화능 줄기세포의 유지, 증식에도 양성효과가 있다.

조이숙 박사는 “이번 연구는 현 역분화 기술의 문제점을 효과적으로 개선할 수 있는 가능성을 연 의미 있는 연구 성과로, 역분화 기술을 기반으로 환자-맞춤형 세포치료제 개발과, 상용화 시기를 앞당기는데 기여할 것이다.”라고 연구의의를 밝혔다.

한편, 이번에 개발된 저분자 화합물 RSC133은 환자의 신경세포, 심근세포 등 조직별로 역분화 기술을 최적화하는데 이용될 수 있으며, 조직 재생에 효능을 보일 가능성이 높아 향후 분자표적 검증 및 치료기술로의 응용 가능성을 규명하기 위한 연구를 지속할 예정입니다.

역분화 기술을 통해 확보된 환자-유래 유도만능줄기세포는 환자-맞춤형 세포치료제 및 신약 개발 등 다양한 분야에서 기술적·경제적 효용가치가 높게 평가되고 있습니다. 그렇기에 향후 다양한 시장수요에 맞는 품질의 유도만능줄기세포를 제작하고, 상용화시기를 앞당기기 위해서는 우선적으로 임상적으로 안전하면서 효율이 높은 역분화 기술을 개발하는 것이 필수적으로 선행되어야 할 것입니다.

자료 : 교육과학기술부 보도자료

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