초간편 역분화 줄기세포 개발…학계 “놀랍다” 들썩
일본 이화학연구소 30살 여자과학자 주도, 일·미 공동연구
약산성 용액에 담갔더니 체세포가 초기상태 줄기세포 전환
안전성과 인간세포 적용 가능여부 등 후속연구서 검증돼야
+ 전문가 일문일답(김동욱, 김영준, 김정범, 박인현 교수)
» 스트레스 자극에 의해 다분화능을 획득한 세포가 주입된 실험용 쥐의 배아. 출처/ RIKEN, Nature
“이렇게 간단한 방법이 있었다니….” “쉽게 믿기 힘들다. 놀랍다….”
일본 이화학연구소(RIKEN, 리켄) 연구자들이 주도한 일본·미국 공동 연구팀이 설 연휴 기간인 지난 30일 핵 이식이나 유전자 조작 없이 간단한 자극만으로 쥐의 체세포를 역분화해 줄기세포로 바꾸는 연구성과를 발표하자, 국내외 생명과학계는 ‘놀랍다’는 반응을 쏟아내고 있다. 후속 연구들이 앞으로 어떻게 전개될지에도 큰 관심을 나타냈다. 이 성과를 발표한 이화학연구소는 “세포 분화와 동물 발생에 관한 상식을 뒤집는 것”이라고 전했다.
발표 직후의 반응은 이번 연구성과를 '2014년 올해의 최대 뉴스' 후보로 벌써 예약해 둘 만한 분위기다. “놀라운” 만큼 앞으로 이번 연구성과가 얼마나 쉽게 재현될 수 있는지 살피는 재현 검증 실험은 물론이고 이를 바탕으로 한 다양한 응용 연구들이 폭넓게 파생할 것이라는 전망도 나온다.
이화학연구소는 지난 30일 보도자료를 내어 “동물의 체세포 분화의 기억을 지우고 만능세포(다분화능 세포, pluripotent cell)로 초기화 하는 원리를 새로 발견하고 그것을 바탕으로 핵 이식이나 유전자 도입 같은 종래의 초기화 방법과 다른 ‘세포 외부 자극의 스트레스’에 의해 단기간에 효율적으로 만능세포를 시험관 내에서 만드는 방법을 개발했다”고 밝혔다. 이 연구에는 이화학연구소 발생·재생과학종합연구센터 연구단위가 중심이 되고 미국 하버드대학 찰스 바칸티 교수 연구팀 등이 참여했다. 연구성과는 과학저널 <네이처>에 두 편 논문으로 발표됐다.
여러 기능의 말단세포로 분화할 수 있는 능력(분화능)을 지닌 줄기세포로는 그동안 가장 오래된 방식인 성체 줄기세포가 주로 연구돼 왔으며, 이와 더불어 1990년대 말 이후엔 분화능력이 훨씬 뛰어난 배아 줄기세포 또는 복제배아 줄기세포 연구가 크게 주목받았으나 난자를 파괴하는 윤리 문제로 논란을 빚었으며, 이어 2006년 일본의 야마나카 교수 연구팀이 난자를 쓰지 않고 체세포에 특정 유전자를 집어넣어 세포를 역분화해 줄기세포를 만드는 방식(iPS)을 개발해 그동안 줄기세포 연구분야에서 관심의 초점이 돼 왔다. 그러나 야마나카의 역분화 줄기세포에는 발암성 유전자가 사용돼 안전성 논란이 뒤따랐으며 이런 한계를 보완하는 여러 연구들이 이어져 왔다.
☞ pluripotent cell: 이번에 만들어진 역분화 세포는 pluripotent cell로 불리는데, 이는 여러 기능의 말단 세포로 분화할 수 있는 능력을 지닌 세포를 뜻한다. 이보다는 훨씬 적은 가짓수로 분화하는 능력을 지닌 multipotent cell과 구분해서 "만능세포"로 번역되기도 하며 "다분화능 세포"로 번역되기도 한다. 이와 비교해 어떤 말단세포로도 분화할 수 있는 능력을 갖춘 세포는 전분화능 세포(totipotent cell)라고 불린다. 이 글에서 pluripotent cell은 대체로 '다분화능 세포'로 번역됐으나 간혹 '만능 줄기세포'도 같은 의미로 쓰였다.
이번에 이화학연구소의 오보카타 하루코(小保方晴子.30) 연구주임이 주도한 연구는 종래에 쓰던 핵 치환이나 유전자 도입 없이도 체세포를 약산성의 용액에 담그는 스트레스 자극을 적절히 가하는 것만으로도 체세포가 리프로그래밍(역분화)을 거쳐 분화 이전의 초기 세포, 즉 줄기세포로 전환할 수 있음을 보여주는 것이다. 일부 줄기세포 연구자들은 “야마나카의 역분화 줄기세포 방식조차 무력화하는 놀라운 발견”이라는 평가를 내놓고 있다.
이화학연구소의 보도자료와 논문 초록을 보면, 연구팀은 ‘특별한 외부 환경에 처할 때에는 동물의 분화된 체세포도 스스로 초기화해 줄기세포 성질을 지닐 수 있다’는 가설을 검증하기 위해 줄기세포 성질을 보여주는 특정 유전자(Oct4)가 발현될 때 형광을 내는 실험용 쥐를 만들었다. 연구팀은 이 유전자 변형 마우스의 림프구 세포를 사용해 실험했다. 림프구 세포를 약산성(pH 5.7)의 용액에서 배양한 다음에 다시 성장인자가 담긴 배양액에서 배양하니, “7일째에 살아남은 세포는 약 5분의 1로 줄었지만 생존 세포 중에서 3분의 1 내지 2분의 1에서 Oct4 양성 반응이 나타났다.”
» "체세포에서 다분화능 세포(STAP 세포)로. 외부 자극에 의한 세포의 초기화"를 보여주는 개념도. 출처/ http://www.riken.jp/pr/press/2014/20140130_1/
연구팀은 이처럼 핵 치환이나 유전자 도입 없이 외부 자극에 의해서 세포의 초기 상태로 역분화해 다분화능을 갖추는 현상을 ‘자극에 의해 야기된 다분화능 획득(Stimulus-Triggered Acquisition of Pluripotency; STAP)’이라 명명했으며, 이런 과정을 거쳐 생겨난 역분화 세포를 ‘STAP 세포’라고 명명했다.
연구팀은 STAP 세포가 실제로 체세포 자체가 세포의 초기 상태로 되돌아가 다분화능을 획득한 것인지 확인하기 위해 여러 가지 방식의 검증을 거쳐 애초 림프구 세포가 역분화한 것임을 입증했다. 또한 STAP 세포는 태반 조직으로도 분화할 수 있는 능력을 갖춘 것으로 나타나, 이 세포가 태반 조직보다 훨씬 더 초기 상태를 유지하고 있는 것으로 풀이되고 있다. 이와 함께 이렇게 만들어진 STAP 세포를 실험용 쥐의 생체와 배아에 주입해 이 세포들이 신경세포, 근육세포 등으로 분화하는 다분화능을 갖추고 있음을 논문에서 보여주었다. 김동욱 연세대 교수는 “이번 논문이 지난해 3월에 접수되고 12월에야 게재 승인을 받은 것으로 보아 그동안 상당한 검증 절차를 거친 것으로 보인다”고 말했다.
복잡다단한 방법을 써서 체세포를 줄기세포로 전환하는 기존의 방식을 뛰어넘어 ‘약산성 용액 처리’라는 매우 간단한 방식으로 역분화 줄기세포를 구현할 수 있다는 발표가 나오자, 국내외 학계에선 놀랍다는 반응이 잇따르고 있다.
김동욱 연세대 교수는 “체세포가 이렇게 쉽게 만능 줄기세포로 변할 수 있다는 것에 놀라움을 금치 못하고 있다”고 말했으며, 김정범 울산과기대 교수(한스쉘러줄기세포연구센터장)는 “논문은 대단히 흥미롭고 한편으론 이게 가능하나 싶을 정도로 놀라웠다”고 말했다. 생물학연구정보센터(BRIC)의 자유게시판인 소리마당에서는 ‘놀랍다’는 반응과 더불어, 줄기세포 연구현장에서 악전고투 하는 연구자들 사이에선 ‘이토록 간단하다니, 오히려 좌절감이 몰려온다’는 식의 허탈하다는 반응마저 나오고 있다.
한편에선 이번 연구를 주도한 30세의 일본 여자 과학자의 아이디어와 열정, 그리고 이런 엉뚱한 발상을 뒷받침해준 일본 과학 지원 정책을 본받아야 한다는 목소리도 이어지고 있다. STAP 세포 개발의 주역인 오보카타 하루코 연구주임은 2011년 박사학위를 받은 신진 과학자였으며 기존 세포생물학에서 보고되지 않은 새로운 현상을 연구하면서 쉽지 않은 과정을 겪었으나 이화학연구소의 한 연구단위(Unit)에서 연구 책임을 맡아 이번 연구를 지속해왔다. 그는 쉽게 믿기지 않는 이번 연구성과를 입증하기 위해 방대한 데이터를 모으며 보완해 왔다고 일본 언론들은 보도했다. 이와 관련해 브릭 게시판에선 "한국에선 반짝이는 아이디어를 연구책임자들에게 말하기 힘든 환경. 말해도 무시 당하는 환경. 자기 아랫사람 말은 무시하는 풍토가 안 고쳐지 않는 이상.. 노벨상은 ㅈㅈ" 같은 반응도 뒤따랐다.
하지만 STAP 세포의 정체성에 관한 후속 검증연구, 그리고 이렇게 만들어진 세포의 안전성은 어떤지, 인간 세포에도 확장 가능성이 있는지와 관련해선 앞으로 더 많은 연구가 이어져야 한다는 견해가 많다.
김정범 교수와 김동욱 교수는 “아직 인간 세포에서 성공하지 못했다는 점은 앞으로 풀어야 할 과제” “과연 인간의 체세포로도 이렇게 쉽게 만능 줄기세포로 변하게 할 수 있을지, 그리고 이렇게 외부 자극에 의해 쉽게 변하는 기작은 무엇인지 등이 밝혀져야 할 것”이라고 지적했다. 박인현 예일대 교수는 “세포에 가해진 스트레스로 게놈 손상, 그리고 쉽게 드러나지 않는 돌연변이가 생길 가능성이 있을 것 같다”며 “인간 세포에도 적용 가능하다면 임상에 이용하기 위해서 게놈 염기서열을 살펴 돌연변이 발생 여부를 살피는 것도 중요하다”고 말했다.
이번 논문 발표와 관련해 한겨레 과학웹진 사이언스온이 국내외 전문가들한테 반응을 여쭙는 메일을 보냈다. 줄기세포와 후성유전학 전문가로서 메일에 답해주신 김정범 울산과기대 교수, 김동욱 연세대 교수, 김영준 연세대 교수, 박인현 미국 예일대 교수의 답변을 약간 다듬어 아래에 실었다.
■ 전문가 반응 ■
한겨레 사이언스온의 물음
1.이런 일이 어떻게 가능한 것인지, 기존에도 이런 연구의 흐름이 있었는지(화학자극을 통한 역분화 연구도 있었다고 들었습니다만),
2.안전성의 문제(약산성 스트레스 자극에 의한 게놈 손상, 무작위 돌연변이 가능성, 산성자극에 의한 암세포 유발 메커니즘과 유사 가능성 등)는 없을지
3. 전문가인 교수님이 보시기에 어떤 성과, 의의와 한계, 과제가 있을지요.
(* 후성유전학 연구자께/ 특히 논문 초록을 보면, 후성유전학(epigentics)이 이번 현상을 설명하는 주요한 틀이 되는 것 같습니다. 초록 본문을 보면, "우리는 분화된 체세포가 선별 방식(selection)이 아니라 리프로그래밍에 의해 STAP 세포를 만들어냄을 발견했다. STAP 세포에서는 다분화능을 보여주는 마커 유전자의 조절 영역들에서 디엔에이 메틸레이션이 실질적으로 감소하는 게 나타났다." "그러므로 우리의 이번 발견은 강력한 환경 요인(environmental cues)에 의해서 상황-의존적인(context-dependent) 방식으로 포유류 세포에 대한 후성유전학적 운명 결정이 눈에 띄게 전환될 수 있음을 보여준다.”라고 합니다. 이와 관련해, 분화 세포의 운명을 결정했던 후성유전 물질이 디엔에이에서 제거되면서 세포가 초기화하는 것으로 해석할 수도 있는 것인지요? 후성유전학의 관점에서 이번 발견은 어떤 의미인지 궁금합니다.)
답변
김정범 울산과기대 교수(한스쉘러줄기세포연구센터장)
“바이러스 없이 iPS를 만드는 것도 놀라운 사실이지만 화합물도 아니고 간단한 pH 변화만으로 유도가 되었다는 논문은 대단히 흥미롭고 한편으론 이게 가능하나 싶을 정도로 놀라웠습니다. iPS를 제작하기 위한 특정 유전자의 발현을 유도한 것도 아니라서 단지 배양 조건에 pH의 변화만으로 만들어진다는 점에서 과연 전분화능에 관련된 유전자가 어떻게 유도될 수 있는지 궁금합니다. 물론 논문은 저도 읽었습니다.
지금 화합물로 iPS를 제작하는 방법을 세계적으로 많이 연구를 하고 있고 아직 재현성 면에서 완벽하지 않습니다.
이 연구가 사실이라면 기존의 iPS 제작 방법보다 훨씬 수월하다는 점, 비용, 기술 등에서 앞으로 노벨상 후보라고도 감히 말씀 드릴 수 있을 것 같습니다. 야마나카의 모든 기술을 무용화시키는 정도의 발견입니다. 그리고 아직 인간에서는 성공을 못했다는 점은 해결되어야 할 문제구요.
그리고 이 STAP 세포는 pluripotent cell보다도 태반을 만드는 tropectoderm cell로도 분화되는 걸로 봐서 totipotent 세포와 pluripotent 세포 사이 정도의 분화 능력을 지닌 세포입니다.”
김동욱 연세대 교수(줄기세포 기반 신약개발 연구단장)
“기존에 식물이라든지 도룡농 같은 하등 동물에서 외부의 큰 자극이나 환경 변화에 대하여 세포 성질이 변하는 것들이 보고되곤 하였습니다. 저자들도 이 논문에서 언급하지만, 가령 당근 같은 식물에 급격한 환경 변화를 주면 리프로그래밍 되어, 더 원시적이고 재생이 가능한 세포로 변하고, 거기서 줄기와 뿌리가 다시 나곤 합니다. 그리고 도룡농의 경우도 다능성 세포를 산성 배지에 노출시키면 신경세포로 세포 운명이 변하곤 했습니다. 이런 데에서 힌트를 얻어 동물 세포에 치사적인 외부 자극을 주고, 위 처럼 세포가 원시적 줄기세포로 변하는지 테스트를 한 것입니다."
2. 안전성은?
“이것은 더 연구를 해 봐야지요. 현재로서는 이러한 치사적인(sublethal) 외부 조건에서 많은 세포가 죽지만, 일부 살아 남은 세포가 이런 줄기세포 성질(Oct4-양성)을 띠는 것으로 보입니다.”3. 성과와 과제는?
“일단, 체세포가 이렇게 쉽게 만능 줄기세포로 변할 수 있다는 것에 놀라움을 금치 못하고 있습니다. 기존의 지식에 비추어 보건대 말이죠. 이 논문이 네이처에 처음 제출된 게 3월이고 12월에 게재 판정을 받은 것을 보면 상당 기간 충분히 검증을 거친 것 같기는 합니다. 전세계 많은 연구실서 재현성 실험을 시작하리라고 봅니다.
의의는 역시 체세포에서 만능 줄기세포를 안전하고도 쉽게 만들 수 있다는 가능성을 제시했다는 데 있습니다.
한계와 과제는, 과연 인간의 체세포를 가지고도 이렇게 쉽게 만능 줄기세포로 변하게 할 수 있을지, 그리고 이렇게 외부 자극에 의해 쉽게 변하는 기작은 무엇인지 그런 것들을 밝히는 일이 과제로 대두되고 있는 상황입니다.”
김영준 연세대 교수(후성유전학)
줄기세포 유도를 전사인자로 하건 아니면 다른 요인에 의해 유도하건 줄기세포 성질(stemness)에 필요한 후성유전학적 변화를 유도해내는 개념이므로, 후성유전학적 변화를 유도할 수 있는 새로운 방법을 찾았다는 것은 놀라울 것은 없을 것 같습니다. 다만 역분화와 같은 특정한 방향으로 변화를 유도하는 방법이 아먀나카처럼 매우 많은 조합의 전사인자 군을 조사하여 찾아낸 특별한 조건이 아닌 단순한 스트레스에 의해서도 유도될 수 있다는 사실이 흥미로운 일인 것 같습니다. 물론 스트레스는 세포가 원초적으로 해결해야 하는 자극이므로 줄기세포화 하는 것이 세포의 입장에서는 당연한 반응인지 모르겠지만요.
앞으로 중요한 부분은 다양한 자극 중 어떤 조건의 자극이 이런 현상을 불러오고, 이런 자극이 어떤 방법에 의해 후성유전체를 변화시키는가가 주요한 연구 대상이 되겠지요
게놈의 손상이 유발되는지도 앞으로 밝혀야 할 부분이고 암 발생도 이와 유사한 방법으로 일어날 수도 있겠으니 그 빈도 등도 조사해 봐야 선생님께서 질문하신 내용의 답을 알 수 있을 것 같습니다.
그리고 무엇보다도 이런 현상이 아주 인위적인 조건에서만 나타나는 현상인지 생체 내에서도 일어날 수 있는 자극 조건인지를 확인하는 것도 중요할 것 같습니다. 전자라면 새로운 기술의 활용 가능성에 모두의 관심이 가겠지만 생체 내에서 일어날 수 있는 조건이라면 이런 조건이 어떻게 조절되는지가 더 중요한 이슈가 될 것 같습니다.”
박인현 미국 예일대 교수(역분화 줄기세포 연구)
“한국은 지금 가장 큰 명절이지만, 이곳은 거의 명절 분위기가 없네요. 아직까지 pH만을 낮추어 역분화를 유도하는 것에 관해 연구는 없었습니다. 비타민C를 이용해서 역분화 효율을 증가시키고 또한 역분화 세포의 후생유전적 성질(quality)를 증가시켰다는 보고가 있었습니다(관련 논문 링크). 특별히, pH와 비타민C가 직접 관련이 있는지는 아직까지 알려지지 않았습니다. 지금 보고된 네이처 논문은 낮은 pH에 의해 가해지는 세포의 스트레스에 의해 역분화가 된다고 디스커션(Discussion)을 하려고 하고 있습니다만, 그것도 약산성의 한 가지 면이지 모든 것을 설명하지는 않는 것 같습니다."
2. 안정성은?
“말씀하신 대로 세포에 가해진 스트레스로 게놈 손상과, 쉽게 드러나지 않는 돌연변이 가능성이 있을 것 같습니다.”
3. 성과와 과제는?
“인간 세포에서도 가능한지 신속히 테스트 해보는 것이 우선이겠구요. 인간 세포에서도 가능하다면, 임상에 직접 이용하기 위하여, 전체 게놈의 염기서열을 해독(sequencing) 하거나 [단백질 합성 정보를 지닌] 엑솜 부분의 염기서열을 해독(exome sequencing) 해서 돌연변이가 발생하는지 여부를 알아보는 것이 중요하겠습니다. 돌연변이가 생기면 아무리 손쉽게 pH만 바뀌어 배아 줄기세포 같은 세포를 만들어도 아무런 응용성이 없겠지요. 또한, 약산성에 의하여 어떻게 해서 세포의 상태가 바뀌는지 분자적 수준에서 연구하는 것이 중요할 것 같습니다. 차후 줄기세포를 임상에 응용할 때, 배아 줄기세포뿐 아니라, 성체 줄기세포를 이용할 때, pH를 변화시키거나 혹은 그 하부에서 발생하는 신호 전달체계를 조절하면 원하는 조직 세포로 분화하거나, 변화시키는 데 큰 기여를 할 수 있을 것이라 생각합니다.”
■ 논문 초록
체세포에서 다분화능 세포로, 자극 촉발에 의한 세포 운명의 전환
(Stimulus-triggered fate conversion of somatic cells into pluripotency)
“이 논문에서 우리는 ‘자극촉발에 의한 다분화능의 획득(STAP)’이라는 독특한 세포 리프로그래밍 현상을 보고한다. 이런 리프로그래밍에는 핵치환도 필요없고 전사인자의 도입도 필요없다. STAP에서는, 일시적인 약산성(low-pH) 스트레스 같은 강한 외부 자극이 포유류 체세포를 리프로그래밍 했으며, 그 결과로 다분화능 세포의 생성이 나타났다. 정제된 림프구에서 유래한 STAP 세포의 실시간 영상을 통해서, 그리고 유전자 재배열 분석을 통해서, 우리는 분화된 체세포가 선별 방식(selection)이 아니라 리프로그래밍에 의해 STAP 세포를 만들어냄을 발견했다. STAP 세포에서는 다분화능을 보여주는 마커 유전자의 조절 영역들에서 디엔에이 메틸레이션이 실질적으로 감소하는 게 나타났다. 배반포 주입에서는 STAP 세포가 키메라 배아를 생성하는 데, 그리고 생식선 전이를 거친 후손세포(offspring via germline transmission) 생성에 효과적으로 기여함을 보여주었다. 우리는 또한 STAP 세포에서 건강하게 확장할 수 있는 다분화능 세포주가 만들어짐을 입증했다. 그러므로 우리의 이번 발견은 강력한 환경 요인(environmental cues)에 의해서 상황-의존적인(context-dependent) 방식으로 포유류 세포에 대한 후성유전학적 운명 결정이 눈에 띄게 전환될 수 있음을 보여준다.”
획득된 다분화능을 갖춘 리프로그래밍 세포에 나타나는 양방향의 발달 잠재력
(Bidirectional developmental potential in reprogrammed cells with acquired pluripotency)
“우리는 최근에 체세포가 치사량에 가까운(sublethal) 자극에 노출될 때 다분화능 세포로 리프로그래밍 되는 예기치 못한 현상을 발견했다. 우리는 이를 ‘자극 촉발에 의한 다분화능 획득(STAP)’이라고 부른다. 이런 리프로그래밍에는 핵치환이나 유전자 조작이 필요없다. 이 논문에서 우리는 우리는 리프로그래밍 된 STAP 세포들이 배아줄기세포와는 달리 배아는 물론 태반 조직에도 기여할 수 있음을 보고한다. 이는 배반포 주입 방식(blastocyst injection assay)에서 나타난다. 마우스의 STAP 세포는, 부신겉질자극호르몬(ACTH)과 백혈병억제인자(LIF)로 처리해서 배아줄기세포와 유사한 줄기세포로 전환할 때에는 영양막 마커 발현뿐 아니라 태반에 기여하는 능력을 상실한다. 그러나 이와 대조적으로 Fgf4(섬유아세포 성장인자4)로 배양할 때, STAP 세포는 영양막 특성이 강화된 증식성 줄기세포를 생산한다. 주목해야 하는 점은, 전통적인 영양막 줄기세포와는 달리, STAP 세포에서 Fgf4로 유도된 줄기세포는 생체 환경에서(in vivo) 배아와 태반 조직 모두에 기여하며, LIF가 담긴 환경에서 배양될 때에는 배아줄기세포와 유사한 세포로 변형한다는 것이다. 이를 종합하면, STAP 세포의 발달 잠재력은 키메라 형성과 시험관 환경(in vitro)의 세포 전환에서 볼 수 있듯이 이 세포들이 독특한 다분화능 지위를 지니고 있음을 보여주는 것이다.”
오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr
@한겨레 과학웹진 사이언스온
관련글
![[알림] 사이언스온이 미래&과학으로 바뀝니다](files/media_thumbnails/592/567/thumbnail_190x130.crop.jpg)
