1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

Single cell 분석은 그동안 연구하는 데 어려움이 있었던 여러가지 생물학 분야의 문제들을 해결할 수 있다는 가능성을 보여주어 각광을 받고 있습니다. 특히, 최근에는 인간의 몸에 있는 모든 세포종류 지도를 만들고자 전 세계의 연구자들이 참여하는 Human Cell Atlas 프로젝트가 진행되고 있기도 합니다. 저희 그룹에서 발표한 이번 연구도 처음에는 신장의 모든 세포 종류를 single cell 분석을 통해서 밝혀내고 이들의 마커 유전자를 동정하고자 하는 것이 목표였습니다. 그러나 분석을 진행하면서 single cell 분석이 아니었으면 발견하기 힘들었을 새로운 세포 종류와 세포간의 상호변환 현상, 그리고 이러한 현상이 만성신부전 진행에서 갖는 의미 등을 밝혀내었습니다. 이 연구는 single cell 분석을 이용하여 실제 생물학적인 문제를 해결한 좋은 예라고 생각합니다.

(1) 연구 배경 및 계기
신장은 여러 가지 기능성 미세조직과 세포종류들이 협업하여 다양한 기능을 수행하는 복잡한 장기입니다. 저희 Susztak 연구실에서 지금까지 1,600개 이상의 신장조직을 모아 이에 대한 다양한 오믹스 연구를 진행하면서 겪었던 어려움도 바로 신장의 복잡성에서 기인한 것이었습니다. 특히나 신장은 근위세뇨관이라고하는 미세조직의 상피세포가 대다수를 이루고 있기 때문에 신질환에서 나타나는 변화들 중 비교적 적은 수의 세포종류에서 나타나는 중요한 변화들을 놓치고 있다고 생각하였습니다. 또한 신질환에서 나타나는 유전자 발현 수준의 변화들이 특정 세포 종류에서 나타나는지 혹은 세포의 구성성분이 바뀌는 것인지, 그리고 지금까지 밝혀진 신질환 관련 유전자들이 어떠한 세포 종류에서 발현되고 역할을 할지 등에 대한 궁금증도 있었습니다.

(2) 신장세포 종류 및 마커 유전자 동정
마우스 신장 조직으로부터 약 6만개 개별 세포에 대한 전사체 데이터를 생성하였습니다. 이로부터 21개의 신장 세포 그룹을 찾아내었고 이에 대한 마커 유전자를 동정하였습니다. 이 신장 세포 그룹을 알려진 세포 종류 별 마커 유전자 및 현미해부를 통해 미세조직 별 bulk 전사체 분석 (single cell 분석이 아닌 기존의 전사체 분석 방법)을 한 데이터와의 비교를 통해 알려진 신장 세포에 하나씩 매칭을 시킬 수 있었습니다. Single cell 전사체 데이터 및 unbiased clustering 분석만으로 찾은 세포 종류가 오랫동안 연구자들이 다양한 방법으로 구분해 온 세포 종류와 상당히 일치한다는 결과였습니다. 앞으로는 관심 있는 유전자가 인체내 어디에서 발현하는지를 알기 위해 현미경을 들여다보는 대신 엑셀 파일에서도 간단히 확인할 수도 있을 거라고 생각합니다. 이 전사체 데이터와 마커 유전자 리스트가 국내 신장 연구자분들께도 좋은 리소스가 될 수 있기를 바라겠습니다.

(3) 유전질환 관련 유전자들이 어느 세포에서 발현하는가?
이 데이터를 이용하여 첫 번째로 궁금했던 점은 신장과 관련된 유전질환들이 어느 세포 종류에서 발현하는가 하는 것이었습니다. 이를 위해 알려진 신장관련 유전질환 관련 유전자들을 정리하고 이들의 마우스 상동유전자들을 찾아 single cell 데이터에 매핑을 하였습니다. 재밌는 것은 유전질환을 일으킨다고 알려진 유전자들이 여러 세포종류에서 한꺼번에 발현하는 것이 아니라 주로 한 세포종류에서 발현한다는 점이었습니다. 예를 들어 돌연변이가 일어날 경우 신증후군 (nephrotic syndrome)을 유발한다고 알려진 유전자들은 주로 신장의 족세포 (podocyte)에서 발현을 하고 요세관성 산증 (renal tubular acidosis) 관련 유전자들은 집합관의 사이세포 (collecting duct intercalated cell)에서 발현하고 있었습니다.

이 결과는 세 가지 중요한 점을 내포합니다. 첫째, 유전질환 관련 유전자들은 주로 한 종류의 세포의 기능에 영향을 미쳐 질환을 유발한다. 둘째, single cell 데이터를 이용하여 유전질환 관련 유전자들의 기능을 유추할 수 있다. 셋째, 유전질환 관련 유전자의 발현 패턴과 표현형을 이용하여 거꾸로 특정 세포의 기능을 모르는 경우 이를 유추할 수 있다.

(4) 세포 종류 상호변환 현상의 발견
집합관은 다른 신장의 미세조직과는 달리 여러 세포 종류로 구성되어 있습니다. 주로 수분과 염을 조절하는 주요세포 (principal cell)와 pH를 조절하는 사이세포로 이루어져 있습니다. 이 세포들의 마커유전자는 비교적 잘 알려져 있습니다. 그런데 single cell 지도 상에서 이 두 세포 종류사이에 위치한 작은 세포그룹이 있었고 이 세포그룹은 두 세포 종류의 마커유전자를 모두 발현하고 있었습니다. 이 새로운 세포 종류가 두 세포의 progenitor 세포인지 혹은 매개 세포인지 (transitional cell)를 밝혀내기 위해서 single cell 데이터를 이용한 세포 궤도 분석 (cell trajectory analysis)을 하였고 이를 통해 매개 세포일 것이라고 추측할 수 있었습니다. 다음으로는 Cre GFP 마우스를 이용한 cell lineage 추적기법으로 두 세포의 마커유전자 발현 세포들의 lineage를 조사함으로써 이 두 세포종류가 상호변환이 될 수 있다는 사실을 확인하였습니다.

(5) 만성신질환에서의 세포 상호변환 현상
이러한 집합관 내 세포종류 상호변환이 어떻게 이뤄지는지를 밝혀내기 위하여 우선 single cell 데이터를 이용해 두 세포간에 연속적으로 변화하는 유전자 그룹을 찾아내었습니다. 그 중에서 흥미있었던 유전자 그룹은 Notch 신호 유전자들로, 사이세포는 Notch ligand를, 주요세포는 Notch receptor를 발현하고 있었습니다. 그렇다면 Notch 신호가 실제로 세포종류의 상호변환을 유도할 수 있는지를 확인하기 위해 유도성 Notch 과발현 마우스에서 두 세포의 개수를 비교한 결과, 주요세포가 현저하게 증가해 있는 것을 확인할 수 있었습니다. 이러한 사실은 서울대 공영윤 교수님 연구실을 통해서 이미 보고된 바 있었지만, 저희는 이미 분화가 끝난 성체 마우스 신장에서도 Notch 매개 세포 상호변환이 일어날 수있다는 사실을 증명한것입니다.

저희 그룹은 만성신질환에서 Notch 신호를 오랫동안 연구해 왔는데, 특히 만성신질환 환자나 마우스 모델에서 Notch 신호가 활성화 되어 있다고 보고한 바 있습니다. 이에 따라 다음 질문은 집합관 내 세포 상호변환 현상이 만성신질환에도 일어나는가 하는 것이었고, 마우스 모델에서 실제로 이와같은 현상을 관찰하였습니다. 또한 만성신질환 환자 91명 신장조직의 bulk 전사체 데이터에 대한 deconvolution 분석 (single cell 데이터를 이용하여 bulk 전사체 데이터에서 특정 세포 종류의 비율 변화를 측정 가능) 결과도 역시 신장내 주요세포는 증가하고 사이세포는 감소한다는 사실을 뒷받침 하였습니다. 사이세포는 pH조절을 담당하는 세포이므로 만성신질환에서 사이세포가 주요세포로 변환된다는 사실은 만성신질환 환자에서 관찰되는 요세관성 산증을 설명할 수 있는 근거가 될 수 있습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

저희 Susztak 실험실은 신장 조직 바이오뱅크를 운영하면서 이에 대한 환자정보, 조직학 분석 데이터, 유전체, 전사체, 후성유전체 최근에는 single cell 데이터까지 꾸준히 모아왔고, 이를 이용하여 다양한 연구를 진행하고 있습니다. 요즘 실험실 규모를 늘리면서 연구원들을 모집하고 있는데 관심 있는 분들은 연락을 주셔도 좋을 것 같습니다.
http://www.med.upenn.edu/susztaklab/

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

연구를 하면서 기뻤던 순간은 잠깐이고 대부분의 시간은 힘들고 여러 고민을 하면서 보냈던 것 같습니다. 그래도 좋아하는 공부를 열심히 했을 뿐인데 월급도 받고 논문도 내고 행복한 가정도 꾸리고 했으니 괜찮은 직업인 것 같습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

저마다 각자의 고민이 있을거라고 생각합니다. 비슷한 고민이나 경험을 했던 주변의 좋은 멘토나 롤모델을 찾아보면 도움이 될 수 있을 것 같습니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

Single cell 분석과 원래 제 전공분야인 후성유전학을 접목하여 연구를 계속하고 싶습니다. 아이디어들을 실현시킬 수 있는 곳에서 제 연구를 시작해볼 기회가 있다면 좋겠습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

연구를 하면서 좋은 분들을 많이 만났던 것이 큰 행운이었던 것 같습니다. 학부생시절 멘토이자 지도 교수님이셨던 최상돈 교수님, 박사학위 과정동안 과학자로 성장할 수 있도록 지도해주신 노태영 교수님, 그리고 물심양면으로 아낌없이 지원해주시는 Katalin Susztak 교수님께도 감사드립니다. 항상 응원해주는 아내와 말은 (아직) 없지만 삶의 활력소가 되어주는 1살 박연준 군이 있어 더없이 행복합니다. 함께 있기만 해도 편하고 즐거운 사람과 평생 살 수 있다는 것은 정말 기적인 것 같습니다.