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대사물질이 줄기세포 분화 초기단계 결정 기전 규명
Bio통신원(미래창조과학부)
- 등록2016.08.10
- 조회5152
미래창조과학부는 생체 대사물질 중 하나인 알파-케토글루타르산(α-ketoglutarate)이 줄기세포 분화 초기단계 타이밍을 결정할 수 있다는 사실을 규명하였다고 밝혔다.
현재까지 생체 대사물질들이 어떻게 세포 운명을 결정하는 후성유전학적 역동성을 조절하는지에 대한 연구결과는 전무한 상태이다. 또한 분화 초기 단계의 타이밍이 어떻게 조절되고 있는지도 아직 정확하게 밝혀지지 않았다.
현재까지 생체 대사물질들이 어떻게 세포 운명을 결정하는 후성유전학적 역동성을 조절하는지에 대한 연구결과는 전무한 상태이다. 또한 분화 초기 단계의 타이밍이 어떻게 조절되고 있는지도 아직 정확하게 밝혀지지 않았다.
윤홍덕 교수(서울대학교) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계 3대 저널 셀(Cell)의 자매지인 셀 메타볼리즘(Cell Metabolism) 7월 28일자에 온라인으로 게재되었다.
논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명 : 셀 메타볼리즘(Cell Metabolism)
- 저자 정보 : 윤홍덕 교수 (교신저자, 서울대학교 의과대학), 황인영 박사과정생 (제1저자, 서울대학교 의과대학)
- 논문 원제목: Psat1-dependent fluctuations in α-ketoglutarate affect the timing of ESC(embryonic stem cell) differentiation
- 논문명 : 셀 메타볼리즘(Cell Metabolism)
- 저자 정보 : 윤홍덕 교수 (교신저자, 서울대학교 의과대학), 황인영 박사과정생 (제1저자, 서울대학교 의과대학)
- 논문 원제목: Psat1-dependent fluctuations in α-ketoglutarate affect the timing of ESC(embryonic stem cell) differentiation
논문의 주요 내용은 다음과 같다.
1. 연구의 필요성
◌ 우리 몸을 구성하는 모든 체세포로 분화할 수 있는 ‘미분화세포’ 즉 줄기세포는 어떻게 다른 세포로 분화할 수 있을까? 그 답은 후성유전체학*(後性遺傳體學, Epigenomics)에 있다. 줄기세포의 분화 과정에서 체세포 자신만의 특이적 후성유전체적 성질을 가지게 되며 이것이 세포 특이성을 부여한다고 알려져 있다.
* 후성유전체학 : DNA 염기서열의 변화 없이 염색질의 변화에 의해서 이루어지는 유전자 발현 조절 기전에 관해 연구하는 학문.
◌ 알파-케토글루타르산*을 비롯한 후성유전체를 조절하는 많은 효소들의 중요한 대사물질 기질로 사용된다. 하지만 이런 대사물질들이 어떻게 세포 운명을 결정하는 후성유전학적 역동성을 조절하는지에 대한 연구결과는 전무한 상태이다. 또한 분화 시작점, 즉 분화 초기 단계의 타이밍이 어떻게 조절되고 있는지도 아직 정확하게 밝혀지지 않았다.
* 알파-케토글루타르산 : 대사 물질의 하나로 세포 내 글루탐산 대사 과정에서 탄소 기반이 유래되고 아미노산 생합성 과정에 transamination(아미노기 전이) 반응의 중간 산물로 생성됨
◌ 이에 연구진은 후성유전체를 조절하는 많은 효소들이 대사물질 ‘알파-케토글루타르산’을 기질로 사용한다는 점에 초점을 맞추어 연구를 진행하게 되었다.
2. 연구 내용
◌ 핵심 전사인자 OSN*이 줄기세포의 특이적 후성유전체적 성질을 조절하고 있음은 이미 알려져 있다. 생물정보학 관련 데이터 분석을 토대로 OSN이 효소 Psat1(Phosphoserine aminotransferase-1)**을 조절한다는 것 역시 확인되었다.
* 전사인자 OSN : Oct4, Sox2, Nanog 단백질들의 통칭, 줄기세포 특성을 유지하게 하는 전사인자
* 효소 Psat1 : 아미노산 생합성 과정 효소 중 하나로 transamination 반응을 수행하여 알파-케토글루타르산을 생성
◌ 연구진은 이번 연구를 통해 Psat1은 알파-케토글루타르산 생산을 책임지며 줄기세포의 특이적 후성유전체를 유지하는 기능을 수행한다는 것을 확인하였다.
◌ Psat1을 인위적으로 감소시키면, 세포 내 알파-케토글루타르산 감소와 줄기세포의 전분화능*과 자가 복제에 심각한 손상이 일어나는 것을 관찰하였다. 이는 Psat1 감소에 의한 알파-케토글루타르산 감소가 분화세포에서 관찰되는 특이적 후성유전학적 특성**을 유도한 것이다.
* 전분화능 : 우리 몸을 구성하는 모든 세포로 분화 할 수 있는 능력
* 특이적 후성유전학적 특성 : 줄기세포와 분화세포는 서로 다른 후성 유전학적 특성을 가지며 이로 인하여 두 세포 간에 발현 유전자들이 상이하게 됨
◌ 알파-케토글루타르산의 양은 분화초기에 감소함을 관찰하였다. 이 때 알파-케토글루타르산을 처리하여 세포 내 알파-케토글루타르산의 양을 증가시키면 분화가 지연됨을 알 수 있었다. 이러한 알파-케토글루타르산과 분화시기와의 관계는 초기에만 효과가 있었다.
◌ 이에 연구진은 알파-케토글루타르산의 양적 변화가 줄기세포 운명을 결정하는 핵심 물질로 작용함을 규명하였다. 또한 Psat1을 통한 알파-케토글루타르산의 조절은 줄기세포의 전분화능 유지뿐만 아니라 삼배엽*으로의 분화에도 필수적임을 확인하였다.
* 삼배엽 (Three germ layers) : 줄기세포는 분화 과정 중 외배엽, 중배엽, 내배엽으로 분화하는데 이 배엽들은 거듭된 분열을 통하여 우리 몸을 구성하는 세포와 기관을 형성
◌ 결론적으로 줄기세포 분화 초기 단계의 알파-케토글루타르산 생성 감소는 알파-케토글루타르산 농도에 의존적인 후성유전학 효소들의 활성을 억제시켜 세포 내 염색체 상태 변화를 유도한다.
3. 연구 성과
◌ 현재까지 대사물질 연구는 생명체 에너지 상태를 유지시켜 주는 영양학적인 측면에 초점을 맞추어 연구되어 왔다. 하지만, 이번 연구는 생체 중요 대사물질 중의 하나인 알파-케토글루타르산이 줄기세포 초기 분화단계 타이밍을 결정하는 핵심 원동력이 된다는 새로운 사실을 세계 최초로 규명하였다.
◌ 또한 줄기세포는 분화과정에서 대사물질 증감을 조절하여 후성유전체 변화를 유도함으로서 동일한 유전정보를 가지고도 피부세포, 신경세포, 노화세포, 암세포 등의 세포의 위계 상태를 결정할 수 있다는 점을 규명하였다. 이는 줄기세포가 Psat1 효소를 통해 알파-케토글루타르산을 많이 생성하여, 줄기세포 특이적인 후성유전학적 상태, 즉 염색체(染色體, chromatin) 상태를 유지시켜주는 원동력이 됨을 규명하였다.
◌ 대사조절 물질을 통하여 줄기세포 후성유전체 변화를 유도하여, 신경세포 노화세포 등의 세포 위계를 조절하여 얻어진 세포를 이용하여 퇴행성 질환의 치료제, 암 등의 치료제의 개발의 새로운 해법을 제시하였다.
◌ 우리 몸을 구성하는 모든 체세포로 분화할 수 있는 ‘미분화세포’ 즉 줄기세포는 어떻게 다른 세포로 분화할 수 있을까? 그 답은 후성유전체학*(後性遺傳體學, Epigenomics)에 있다. 줄기세포의 분화 과정에서 체세포 자신만의 특이적 후성유전체적 성질을 가지게 되며 이것이 세포 특이성을 부여한다고 알려져 있다.
* 후성유전체학 : DNA 염기서열의 변화 없이 염색질의 변화에 의해서 이루어지는 유전자 발현 조절 기전에 관해 연구하는 학문.
◌ 알파-케토글루타르산*을 비롯한 후성유전체를 조절하는 많은 효소들의 중요한 대사물질 기질로 사용된다. 하지만 이런 대사물질들이 어떻게 세포 운명을 결정하는 후성유전학적 역동성을 조절하는지에 대한 연구결과는 전무한 상태이다. 또한 분화 시작점, 즉 분화 초기 단계의 타이밍이 어떻게 조절되고 있는지도 아직 정확하게 밝혀지지 않았다.
* 알파-케토글루타르산 : 대사 물질의 하나로 세포 내 글루탐산 대사 과정에서 탄소 기반이 유래되고 아미노산 생합성 과정에 transamination(아미노기 전이) 반응의 중간 산물로 생성됨
◌ 이에 연구진은 후성유전체를 조절하는 많은 효소들이 대사물질 ‘알파-케토글루타르산’을 기질로 사용한다는 점에 초점을 맞추어 연구를 진행하게 되었다.
2. 연구 내용
◌ 핵심 전사인자 OSN*이 줄기세포의 특이적 후성유전체적 성질을 조절하고 있음은 이미 알려져 있다. 생물정보학 관련 데이터 분석을 토대로 OSN이 효소 Psat1(Phosphoserine aminotransferase-1)**을 조절한다는 것 역시 확인되었다.
* 전사인자 OSN : Oct4, Sox2, Nanog 단백질들의 통칭, 줄기세포 특성을 유지하게 하는 전사인자
* 효소 Psat1 : 아미노산 생합성 과정 효소 중 하나로 transamination 반응을 수행하여 알파-케토글루타르산을 생성
◌ 연구진은 이번 연구를 통해 Psat1은 알파-케토글루타르산 생산을 책임지며 줄기세포의 특이적 후성유전체를 유지하는 기능을 수행한다는 것을 확인하였다.
◌ Psat1을 인위적으로 감소시키면, 세포 내 알파-케토글루타르산 감소와 줄기세포의 전분화능*과 자가 복제에 심각한 손상이 일어나는 것을 관찰하였다. 이는 Psat1 감소에 의한 알파-케토글루타르산 감소가 분화세포에서 관찰되는 특이적 후성유전학적 특성**을 유도한 것이다.
* 전분화능 : 우리 몸을 구성하는 모든 세포로 분화 할 수 있는 능력
* 특이적 후성유전학적 특성 : 줄기세포와 분화세포는 서로 다른 후성 유전학적 특성을 가지며 이로 인하여 두 세포 간에 발현 유전자들이 상이하게 됨
◌ 알파-케토글루타르산의 양은 분화초기에 감소함을 관찰하였다. 이 때 알파-케토글루타르산을 처리하여 세포 내 알파-케토글루타르산의 양을 증가시키면 분화가 지연됨을 알 수 있었다. 이러한 알파-케토글루타르산과 분화시기와의 관계는 초기에만 효과가 있었다.
◌ 이에 연구진은 알파-케토글루타르산의 양적 변화가 줄기세포 운명을 결정하는 핵심 물질로 작용함을 규명하였다. 또한 Psat1을 통한 알파-케토글루타르산의 조절은 줄기세포의 전분화능 유지뿐만 아니라 삼배엽*으로의 분화에도 필수적임을 확인하였다.
* 삼배엽 (Three germ layers) : 줄기세포는 분화 과정 중 외배엽, 중배엽, 내배엽으로 분화하는데 이 배엽들은 거듭된 분열을 통하여 우리 몸을 구성하는 세포와 기관을 형성
◌ 결론적으로 줄기세포 분화 초기 단계의 알파-케토글루타르산 생성 감소는 알파-케토글루타르산 농도에 의존적인 후성유전학 효소들의 활성을 억제시켜 세포 내 염색체 상태 변화를 유도한다.
3. 연구 성과
◌ 현재까지 대사물질 연구는 생명체 에너지 상태를 유지시켜 주는 영양학적인 측면에 초점을 맞추어 연구되어 왔다. 하지만, 이번 연구는 생체 중요 대사물질 중의 하나인 알파-케토글루타르산이 줄기세포 초기 분화단계 타이밍을 결정하는 핵심 원동력이 된다는 새로운 사실을 세계 최초로 규명하였다.
◌ 또한 줄기세포는 분화과정에서 대사물질 증감을 조절하여 후성유전체 변화를 유도함으로서 동일한 유전정보를 가지고도 피부세포, 신경세포, 노화세포, 암세포 등의 세포의 위계 상태를 결정할 수 있다는 점을 규명하였다. 이는 줄기세포가 Psat1 효소를 통해 알파-케토글루타르산을 많이 생성하여, 줄기세포 특이적인 후성유전학적 상태, 즉 염색체(染色體, chromatin) 상태를 유지시켜주는 원동력이 됨을 규명하였다.
◌ 대사조절 물질을 통하여 줄기세포 후성유전체 변화를 유도하여, 신경세포 노화세포 등의 세포 위계를 조절하여 얻어진 세포를 이용하여 퇴행성 질환의 치료제, 암 등의 치료제의 개발의 새로운 해법을 제시하였다.
□ 윤홍덕 교수는“알파-케토글루타르산(α-ketoglutarate)이라는 대사물질의 증감(增減)이 줄기세포의 운명을 결정하고 줄기세포와 체세포 간의 위계상태를 결정한다는 새로운 사실을 규명했다는 점에서 이번 연구의 가치가 있다”라고 밝혔다. 또한“앞으로 대사물질 조절이 암을 비롯한 퇴행성 질환 등 난치병 치료제 개발의 새로운 해법을 제시할 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
○ 줄기세포는 다양한 종류의 기관과 조직으로 분화할 수 있는 모든 세포들의 기원이 되는 세포이며, 이러한 배아줄기세포의 능력을 전분화능이라 말한다. 철저히 통제된 환경에서 배양되는 배아줄기세포는 전분화능을 유지하며 무한히 자가 복제 할 수 있다. 줄기세포가 어떻게 전분화능을 유지하고 다양한 조직으로의 분화할 수 있는지 연구하는 것은 매우 중요하다.
○ 줄기세포는 분화하여 다양한 형태의 세포와 기관을 형성하지만, 이때 모든 세포의 유전자는 동일하다. 동일한 유전자를 가진 세포들은 후성유전체학 (後性遺傳體學, Epigenomics)의 변화를 통하여 DNA 염기서열의 변화 없이 유전자의 발현을 조절한다.
○ 실제로 배아줄기세포의 분화 유도 시 매우 역동적인 후성유전체적 변화 (DNA 메틸화, 히스톤 메틸화, 히스톤 아세틸화 등)가 일어나며, 배아줄기세포와 분화가 끝난 성체세포의 후성유전체적 상태는 매우 상이하다. 줄기세포의 후성유전체적인 변화를 인위적으로 막거나 이를 조절하는 효소들을 억제하는 것은 배아줄기세포의 전분화능과 자가복제능을 잃게 되는 것이 보고되어 그 연구의 중요성이 대두되고 있으나 아직 이에 대한 연구는 미비한 상태이다.
○ 본 연구단은 후성유전체를 조절하는 많은 효소들이 대사물질 알파-케토글루타르산 (α-ketoglutarate)을 기질로 사용한다는 점에 초점을 맞추어 줄기세포 특이적인 알파-케토글루타르산 조절 기전이 존재 할 것이라 생각하고 연구를 진행 하게 되었다.
2. 연구내용
○ 전분화능을 유지하고 있는 줄기세포는 핵심 전사 인자들에 의해 줄기세포 특이적인 발현 조절이 이루어진다고 알려져 있다. 따라서 핵심 전사 인자들에 의해 조절되어지는 알파-케토글루타르산 합성 효소 발굴을 위해 RNA 시퀀싱 (RNA-sequencing)* 데이터를 이용, 줄기세포 내 높은 발현양을 보이며 OSN과 유사 발현 패턴을 가진 유전자를 클러스터링**하였고, 칩 시퀀싱 (ChIP-sequencing)*** 데이터를 이용, 핵심 전사인자들에 의해 조절되어지는 프로모터****를 가진 효소들을 발굴하였다. 줄기세포 핵심 전사 인자들이 Psat1의 발현을 조절하는 것을 확인 할 수 있었다.
* RNA-sequencing: 시퀀싱 기술을 이용하여 세포 내 존재하는 모든 RNA의 존재여부와 발현 정도를 총체적으로 확인 할 수 있는 생물정보학적 신기술
** 클러스터링: 같은 기능을 가진 유전자들을 함께 모으는 생물정보학적 방법
*** ChIP-sequencing: 시퀀싱 기술을 이용하여 세포 내 특정 단백질의 유전체상 결합부위를 총체적으로 확인 할 수 있는 생물정보학적 신기술
**** 프로모터 : 유전체 상에서 특정 유전자의 전사가 시작되는 부분으로 전사에 관여하는 여러 효소들이 결합하여 유전자의 발현을 조절한다.
○ Psat1은 아미노산 세린 생합성 과정에서 알파-케토글루타르산을 생산하며 아미노산의 아미노기를 전이하는 효소 중 하나로 Psat1에 의해 줄기세포 내 알파-케토글루타르산 조절이 이루어지는지 확인고자 하였다. Psat1을 인위적으로 감소시켰을 경우, 세포 내 알파-케토글루타르산 감소를 초래하였고, 줄기세포의 전분화능과 자가복제에 심각한 손상이 일어나는 것을 관찰하였다.
○ Psat1 변화와 수반되는 알파-케토글루타르산 변화는 어떠한 후성유전학적인 변화를 일으키는 지 확인해 보고자 하였다. Psat1의 감소는 DNA 히드록시 메틸화(hydroxy-methylation)* 감소와 히스톤 메틸화(histone methylation)** 중에서도 특이적으로 3번 히스톤의 9번째 라이신의 메틸화와 36번째 라이신 메틸화 증가를 일으켰다. Psat1의 증가, 또는 세포 내 알파-케토글루타르산 증가는 DNA 히드록시 메틸화의 증가와 3번 히스톤의 9번째 라이신 메틸화와 36번째 라이신 메틸화의 감소를 일으켰다.
* DNA 히드록시 메틸화: DNA 염기서열에 존재하는 메틸기에 수산기를 달아 디메틸화를 유도하여 일반적으로 유전자의 발현을 증가시키는 효과가 있다. 대표적인 후성 유전체적 변화중의 하나이다.
* 히스톤 메틸화: 히스톤 단백질에 메틸기를 치환하는 것으로 그 위치에 따라 유전자의 발현을 증가 또는 감소시키는 후성 유전체적 변화 중의 하나이다.
○ Psat1과 알파-케토글루타르산 변화에 의한 후성유전학적 변화가 줄기세포 분화에는 어떠한 영향을 끼치는지 알아보고자 하였다. 알파-케토글루타르산의 양은 분화가 진행됨에 따라 감소함을 확인 할 수가 있었는데 이때 알파-케토글루타르산 변화를 교란 시켜 주면 분화가 지연됨을 알 수 있었다. 줄기세포 분화 전 Psat1에 의한 알파-케토글루타르산의 변화가 궁극적으로 줄기세포의 분화능에 어떠한 영향을 끼치는 지 알아보고자 삼배엽으로의 분화를 확인해 보았다. 세포 내 알파-케토글루타르산 감소가 일어났던 Psat1 감소 세포는 삼배엽으로 분화가 제대로 이루어지지 않음을 확인 할 수 있었다. 이를 통하여 Psat1을 통한 알파-케토글루타르산의 조절은 줄기세포의 전분화능 유지뿐 만 아니라, 삼배엽으로의 분화에도 필수적임을 확인 할 수 있었다
○ 전분화능을 유지하고 있는 줄기세포는 핵심 전사 인자들에 의해 줄기세포 특이적인 발현 조절이 이루어진다고 알려져 있다. 따라서 핵심 전사 인자들에 의해 조절되어지는 알파-케토글루타르산 합성 효소 발굴을 위해 RNA 시퀀싱 (RNA-sequencing)* 데이터를 이용, 줄기세포 내 높은 발현양을 보이며 OSN과 유사 발현 패턴을 가진 유전자를 클러스터링**하였고, 칩 시퀀싱 (ChIP-sequencing)*** 데이터를 이용, 핵심 전사인자들에 의해 조절되어지는 프로모터****를 가진 효소들을 발굴하였다. 줄기세포 핵심 전사 인자들이 Psat1의 발현을 조절하는 것을 확인 할 수 있었다.
* RNA-sequencing: 시퀀싱 기술을 이용하여 세포 내 존재하는 모든 RNA의 존재여부와 발현 정도를 총체적으로 확인 할 수 있는 생물정보학적 신기술
** 클러스터링: 같은 기능을 가진 유전자들을 함께 모으는 생물정보학적 방법
*** ChIP-sequencing: 시퀀싱 기술을 이용하여 세포 내 특정 단백질의 유전체상 결합부위를 총체적으로 확인 할 수 있는 생물정보학적 신기술
**** 프로모터 : 유전체 상에서 특정 유전자의 전사가 시작되는 부분으로 전사에 관여하는 여러 효소들이 결합하여 유전자의 발현을 조절한다.
○ Psat1은 아미노산 세린 생합성 과정에서 알파-케토글루타르산을 생산하며 아미노산의 아미노기를 전이하는 효소 중 하나로 Psat1에 의해 줄기세포 내 알파-케토글루타르산 조절이 이루어지는지 확인고자 하였다. Psat1을 인위적으로 감소시켰을 경우, 세포 내 알파-케토글루타르산 감소를 초래하였고, 줄기세포의 전분화능과 자가복제에 심각한 손상이 일어나는 것을 관찰하였다.
○ Psat1 변화와 수반되는 알파-케토글루타르산 변화는 어떠한 후성유전학적인 변화를 일으키는 지 확인해 보고자 하였다. Psat1의 감소는 DNA 히드록시 메틸화(hydroxy-methylation)* 감소와 히스톤 메틸화(histone methylation)** 중에서도 특이적으로 3번 히스톤의 9번째 라이신의 메틸화와 36번째 라이신 메틸화 증가를 일으켰다. Psat1의 증가, 또는 세포 내 알파-케토글루타르산 증가는 DNA 히드록시 메틸화의 증가와 3번 히스톤의 9번째 라이신 메틸화와 36번째 라이신 메틸화의 감소를 일으켰다.
* DNA 히드록시 메틸화: DNA 염기서열에 존재하는 메틸기에 수산기를 달아 디메틸화를 유도하여 일반적으로 유전자의 발현을 증가시키는 효과가 있다. 대표적인 후성 유전체적 변화중의 하나이다.
* 히스톤 메틸화: 히스톤 단백질에 메틸기를 치환하는 것으로 그 위치에 따라 유전자의 발현을 증가 또는 감소시키는 후성 유전체적 변화 중의 하나이다.
○ Psat1과 알파-케토글루타르산 변화에 의한 후성유전학적 변화가 줄기세포 분화에는 어떠한 영향을 끼치는지 알아보고자 하였다. 알파-케토글루타르산의 양은 분화가 진행됨에 따라 감소함을 확인 할 수가 있었는데 이때 알파-케토글루타르산 변화를 교란 시켜 주면 분화가 지연됨을 알 수 있었다. 줄기세포 분화 전 Psat1에 의한 알파-케토글루타르산의 변화가 궁극적으로 줄기세포의 분화능에 어떠한 영향을 끼치는 지 알아보고자 삼배엽으로의 분화를 확인해 보았다. 세포 내 알파-케토글루타르산 감소가 일어났던 Psat1 감소 세포는 삼배엽으로 분화가 제대로 이루어지지 않음을 확인 할 수 있었다. 이를 통하여 Psat1을 통한 알파-케토글루타르산의 조절은 줄기세포의 전분화능 유지뿐 만 아니라, 삼배엽으로의 분화에도 필수적임을 확인 할 수 있었다
3. 기대효과
○ 본 연구팀에서는 아미노산 세린 생합성 과정 효소인 Psat1이 대사물질알파-케토글루타르산을 조절하여 후성유전학적인 변화를 일으키는 기전을 밝힘으로써 대사 물질의 변화가 어떻게 줄기세포 분화에 영향을 끼치는지에 대한 기전을 밝힌 연구라 할 수 있다.
○ 본 연구는 줄기세포가 분화함에 있어 핵심 전사인자들이 대사 효소 조절을 통하여 전분화능을 유지하고 분화 과정에서 후성유전학적 변화를 일으킬 수 있다는 것을 밝혔다. “어떻게 줄기세포의 운명이 결정되는가”하는 기전에서 대사물질의 중요성을 밝힘으로써 줄기세포 분화에 있어 대사 조절의 중요성을 강조함과 동시에 차후 구체적인 기전 연구는 줄기세포를 이용한 난치병의 치료제 개발의 초석이 될 것이라 사료된다.
○ 본 연구팀에서는 아미노산 세린 생합성 과정 효소인 Psat1이 대사물질알파-케토글루타르산을 조절하여 후성유전학적인 변화를 일으키는 기전을 밝힘으로써 대사 물질의 변화가 어떻게 줄기세포 분화에 영향을 끼치는지에 대한 기전을 밝힌 연구라 할 수 있다.
○ 본 연구는 줄기세포가 분화함에 있어 핵심 전사인자들이 대사 효소 조절을 통하여 전분화능을 유지하고 분화 과정에서 후성유전학적 변화를 일으킬 수 있다는 것을 밝혔다. “어떻게 줄기세포의 운명이 결정되는가”하는 기전에서 대사물질의 중요성을 밝힘으로써 줄기세포 분화에 있어 대사 조절의 중요성을 강조함과 동시에 차후 구체적인 기전 연구는 줄기세포를 이용한 난치병의 치료제 개발의 초석이 될 것이라 사료된다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
본 연구실은 “에피지놈 리프로그래밍 네트워크 창의 연구단 (National Creative Research Center for Epigenome Reprogramming Network)”으로 같은 유전체 배경을 가지고 있는 줄기세포, 체세포, 노화세포, 종양세포들이 어떻게 다양한 세포 위계 (hierarchy)에 놓이는 지를 후성유전체적인 변화를 통하여 설명하고자 한다. 하지만 이러한 후성유전학적 변환을 조절하는 기전은 최근 가장 각광받는 연구 분야이지만 아직 연구 진행 정도는 전세계적으로 아직 미흡한 상태이다. 현재까지 가장 대표적인 후성유전체적 변화로 DNA와 histone methylation가 알려져 있는데 이에 관여하는 효소들이 대사물질인 알파-케토글루타르산을 기질로 사용한다는 사실에 착안하여, 줄기세포 내에서의 대사물질의 생성과 전분화능의 상관관계 그리고 더 나아가 세포위계에 따라 대사물질과 후성유전체적 네트워크가 어떻게 연동되어 있는지를 연구하고자 하였다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
줄기세포 핵심 전사 인자 OSN에 이 조절하는 알파-케토글루타르산 생성효소를 찾기 위해 초반에는 생물정보학 분석법을 토대로 연구를 시작하였다. 이 후 Psat1에 의한 알파-케토글루타르산 양의 변화는 LC-MS 로 확인하였다. 서울대 약학대학 박성혁 교수님이 LC-MS 실험에 일부 도움을 주셨다. Psat1이 감소 된 세포의 기형종 형성 실험은 서울대 병원 이상언 교수님이 도움을 주셨고, 기형종 조직 분석은 서울대 병원 정두현 교수님과 전윤경 교수님께서 도움을 주셨다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
요즘 연구는 다양한 연구 분야들이 융합되어 결과물이 도출되기 때문에 이런 것들을 유기적으로 연결하고 진행하는 것이 연구과정에서 가장 어려웠던 점이다. 본 연구에는 전통적인 생화학/분자생물학적 연구 방법론뿐만 아니라 생물정보학적 연구방법론, 분석화학적 연구방법론, 동물실험, 병리학적 분석 등이 이용되었다. 이런 것들은 주변의 많은 전문가들의 도움을 얻을 수 있었다. 무엇보다 문제해결에 있어 가장 큰 힘이 되었던 것은 본 연구실 대학원생들이 스스로 새로운 연구 방법론을 익히고 실전에 응용하였다는데 있다고 생각한다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
대사물질은 영양학적인 측면에서 에너지 상태를 유지시켜주는 기능으로만 알려져 있다. 본 연구를 통해 대사물질 중의 하나인 알파-케토글루타르산이 줄기세포 초기 분화단계의 원동력이 될 수 있다는 새로운 사실을 세계 최초로 규명하였다. 또한 그 동안 성체 세포에서는 미토콘드리아에서 생성되는 알파-케토글루타르산에 초점이 맞추어져 있었다. 반면 본 연구진은 줄기세포에서는 세린 생합성 과정에서의 알파-케토글루타르산 생성이 줄기세포 전분화능 및 분화단계에서 후성유전학적 변환을 유도한다는 사실을 밝힘으로써, 현재까지 간과되어 왔던 해당과정 (glycolysis) 에서 생성되는 대사물질의 중요성을 알린 것이라 할 수 있다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
본 연구는 “역동적인 대사물질의 변화가 세포 위계 상태를 결정한다”는 점을 세계 최초로 규명한데 있다. 하지만 아직 알파-케토글루타르산에 의한 선별적 조절 기전에 대한 연구는 아직 미비하다. 이점을 앞으로 규명하고자 하는 목표를 가지고 있다. 또한 본 연구는 주로 배아줄기세포에서 주로 시행하였지만, 이런 현상은 종양줄기세포(Cancer stem cell)에서도 유사하게 진행됨을 알게 되었다(미발표 결과). 이점은 Psat1이 굉장히 훌륭한 항암제 개발의 표적점이 될 수 있다는 것을 시사한다. 따라서 이 후속 연구를 통하여 Psat1 활성을 억제하는 신물질을 개발하는 것을 차후 연구 목표로 삼고 있다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
본 연구는 황인영 학생 및 본 연구실 학생들의 헌신적인 연구가 없었다면 이루어지지 않았을 것이다. 주말에도 묵묵히 본 연구에 매진해준 학생들에게 정말 고마움을 표시하고 싶다.
특히 연구가 상당 수준 진행하고 있는 도중에, 알파-케토글루타르산이 줄기세포 전분화능을 향상 시킨다는 내용의 논문이 미국 연구진에 의해 Nature에 먼저 발표되었다.
그럼에도 좌절하지 않고 실험실원 모두가 협동 단결하여 그 논문을 뛰어넘는 연구결과 – 대사물질에 의한 분화 타이밍 조절 기전 –를 도출해, 결국 이번 Cell Metabolism 논문을 출간할 수 있게 되어 기쁨이 배가되었다. 하지만, 워낙 경쟁이 심한 연구 분야이기 때문에 새로운 아이디어 창출, 신속하고 체계적인 연구를 통해 무한 경쟁에서 앞서 나갈 수 있도록 노력을 게을리 하지 말아야겠다고 다짐한다.
특히 연구가 상당 수준 진행하고 있는 도중에, 알파-케토글루타르산이 줄기세포 전분화능을 향상 시킨다는 내용의 논문이 미국 연구진에 의해 Nature에 먼저 발표되었다.
그럼에도 좌절하지 않고 실험실원 모두가 협동 단결하여 그 논문을 뛰어넘는 연구결과 – 대사물질에 의한 분화 타이밍 조절 기전 –를 도출해, 결국 이번 Cell Metabolism 논문을 출간할 수 있게 되어 기쁨이 배가되었다. 하지만, 워낙 경쟁이 심한 연구 분야이기 때문에 새로운 아이디어 창출, 신속하고 체계적인 연구를 통해 무한 경쟁에서 앞서 나갈 수 있도록 노력을 게을리 하지 말아야겠다고 다짐한다.
그림 1. 줄기세포 전분화능 유지에 Psat1의 중요성 규명
정상 줄기세포는 콜로니 형태를 유지하며 AP 염색이 잘 되었으나 Psat1 단백질을 인위적으로 감소 시켰을 경우, 정상적인 콜로니 모양이 깨지고 AP 염색이 잘 되지 않음. 이는 Psat1을 인위적으로 유지시켰을 경우에는 일어나지 않음. Alkaline Phosphatase (AP) 염색: 전분화능을 유지하고 있는 세포 특이적으로 발현하는 효소로 붉은 색으로 염색 되어 전분화능 대표 염색법으로 쓰인다.
정상 줄기세포는 콜로니 형태를 유지하며 AP 염색이 잘 되었으나 Psat1 단백질을 인위적으로 감소 시켰을 경우, 정상적인 콜로니 모양이 깨지고 AP 염색이 잘 되지 않음. 이는 Psat1을 인위적으로 유지시켰을 경우에는 일어나지 않음. Alkaline Phosphatase (AP) 염색: 전분화능을 유지하고 있는 세포 특이적으로 발현하는 효소로 붉은 색으로 염색 되어 전분화능 대표 염색법으로 쓰인다.
그림 2. Psat1의 삼배엽으로 분화에 중요함을 규명
Psat1이 감소된 줄기세포는 미성숙한 기형종이 형성되며 삼배엽으로 분화 또한 제대로 일어나지 않음
Psat1이 감소된 줄기세포는 미성숙한 기형종이 형성되며 삼배엽으로 분화 또한 제대로 일어나지 않음
그림 3. Psat1에 의한 알파-케토글루타르산 조절과 분화 타이밍 조절 기전 규명
전분화능을 유지하고 있는 줄기세포에서 대사물질 알파-케토글루타르산은 Psat1에 의해 생성되고 이는 궁극적으로 후성유전체 변화를 일으켜 분화 타이밍을 조절하는 원동력이 된다.
전분화능을 유지하고 있는 줄기세포에서 대사물질 알파-케토글루타르산은 Psat1에 의해 생성되고 이는 궁극적으로 후성유전체 변화를 일으켜 분화 타이밍을 조절하는 원동력이 된다.
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