- 고등 동물의 세포 리프로그래밍과 하등 동물의 조직 재생에 공통으로 관여하는 ʻDspʼ 단백질 발굴
- 조직 재생 기전이 포유류에게도 존재할 가능성 최초 제시…유도만능줄기세포 기술을 대체하거나 새로운 재생의학적 기술개발에 이바지 기대

국내 연구진이 사람의 세포 리프로그래밍과 도마뱀의 조직 재생에 공통으로 관여하는 인자를 발견하였다.

한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 김장환・이정수 박사 공동연구팀은 포항공과대학교 김종경 교수팀과 함께 세포의 리프로그래밍에 작용하는 데스모플라킨(Dsp) 단백질이 하등 동물의 조직 재생에도 관여한다는 사실을 최초로 규명하였다고 밝혔다.

하등 동물의 뛰어난 재생능력이 포유류에서 나타나지 않는 것이 재생의학의 가장 큰 의문이었으나 진화적으로 포유류에게도 공통기전이 존재할 가능성을 제시한 것으로, 새로운 재생의학적 기술개발에 이바지할 것으로 기대되고 있다.

양서류와 물고기와 같은 하등 동물은 신체 일부가 절단되더라도 해당 조직을 그대로 재생할 수 있는 조직 재생능력을 갖고 있지만, 인간을 포함한 고등 동물은 이런 능력이 없다.
다양한 연구를 통해 동물의 조직 재생에 관여하는 인자들이 연구되고 있지만, 포유류에서는 조직 재생에 관여하는 아체(芽體) 세포(blastema cell)가 발견되지 않고 있어 재생의학은 치료 세포를 이식하는 방향으로 발전되어 왔다.

인간의 몸은 태어나서 20대까지 성장하다가 그 이후부터는 손상되어 간다. 재생의학은 이 손상의 속도를 늦추거나 손상된 신체나 기능을 재생, 회복, 대체하는 것으로, 알츠하이머, 척추손상, 당뇨 등 적절한 치료방법이 없는 난치성 질환의 근본적 치료 대안으로 주목받고 있다.

재생의학의 가장 핵심은 환자맞춤형 치료 세포를 만드는 ‘리프로그래밍’ 기술이다. 리프로그래밍이란 분화가 끝나 이미 특정 조직이 된 세포의 운명을 바꾸는 것을 말한다.

대표적인 방법이 환자의 체세포로부터 만들어진 유도만능 줄기세포(induced Pluripotent Stem cells, iPS cell)를 필요한 세포로 분화시키는 기술이다. 하지만 이 기술은 유도만능 줄기세포가 무한대로 자라나는 특성으로 기형종을 만들어낼 위험이 있다. 

이러한 단점을 극복한 것이 직접교차분화 기술이다. 이 기술은 이미 분화를 끝낸 세포에 유전자 또는 화합물과 같은 만능성 인자를 첨가하여 목적으로 하는 세포로 전환하는 기술로 유도만능 줄기세포 단계를 거치지 않아 기형종 발생 위험을 최소화할 수 있다.

연구팀은 직접교차분화 기술의 기전을 분석한 결과, 세포의 리프로그래밍에 관련이 있는 단백질이 하등 동물의 아체 세포 생성에도 공통으로 영향을 미친다는 사실을 규명하였다.

직접교차분화의 세포 리프로그래밍 과정에서 일시적으로 ‘중간단계세포’를 거치게 되는데, 이때 발현되는 데스모플라킨(desmoplakin, Dsp)이라는 단백질이 아체 세포의 형성에도 관여하여 조직 재생에도 중요한 역할을 한다는 것이다.
연구팀은 직접교차분화 과정에서 데스모플라킨 단백질의 발현을 억제하자 중간단계세포의 형성이 현저히 감소했으며, 제브라피시를 이용한 동물실험에서도 단백질 발현을 억제하자 지느러미 재생이 원활하지 않았을 뿐만 아니라 아체 세포의 형성 또한 저해됨을 확인하였다.

한편, 이번 연구결과를 통해 발견된 중간단계세포는 새로운 개념의 재생의학적 원천기술 개발을 이끌 것으로 기대되어 과기정통부 ‘2022 혁신도전프로젝트’* 연구테마로 선정되었으며,
    * 혁신적 성과 창출을 위해서 문제 정의에서 출발한 임무완결형 및 고난도 연구 목표를 설정하고, 해당 목표를 달성하기 위한 가장 효율적인 방법을 활용할 수 있는 연구친화적 국가R&D 제도를 구축하고자 과기정통부 주관으로 매년 5개 내외의 국가 R&D 사업을 기획하고, 각 사업은 개별 부처 예산에 반영하여 추진하는 사업

만능성 인자를 이용한 직접교차분화기술은 생명연 개방형 창업 기업인 ㈜리제너스로 기술이전 되어 파킨슨병 세포치료제 개발을 위한 후속 연구가 진행 중이다.

연구책임자인 생명연 김장환 박사는 “도마뱀의 뛰어난 재생능력이 포유류에서 나타나지 않는 이유가 오랫동안 궁금했는데, 이번 연구를 통해 공통된 기전이 포유류에 있을 수 있음을 최초로 제시했다”라며, 

“유도만능 줄기세포 기술의 안전성과 생산성 우려를 극복하고 나아가 새로운 재생의학적 원천기술 개발의 가능성을 탐색할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 종합과학 분야의 세계적인 권위지인 Science Advances (IF 14.980) 10월 28일자 온라인 판에 게재되었으며,
    (논문명 : Intermediate cells of in vitro cellular reprogramming and in vivo tissue regeneration require desmoplakin/ 교신저자 : 생명연 김장환·이정수 박사, 포스텍 김종경 교수 / 제1저자 : 생명연 하정민 박사, DGIST 김범석 박사과정생)

생명연 주요사업, 과기정통부 선도연구센터지원사업(주관기관 : 자성기반라이프케어연구센터)과 중견연구자지원사업, 삼성전자미래기술육성센터의 지원으로 수행되었다.
 

연   구   결   과   개   요

연구배경

 ○ 2006년 Yamanaka Shinya 박사가 4개의 리프로그래밍 인자(Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)의 과발현을 통해 피부세포로부터 배아줄기세포와 유사한 상태인 유도만능 줄기세포(iPS cells)를 제작하는 기술을 발표했다. 유도만능 줄기세포는 이론상 우리 몸을 구성하는 모든 종류의 세포로 분화할 수 있기 때문에 연구자들은 유도만능 줄기세포를 이용해 다양한 질병을 모델링하여 신약 개발에 활용하였으며, 더 나아가 유도만능 줄기세포로부터 분화된 세포 자체를 치료제로 활용하고자 하였다. 하지만 유도만능 줄기세포 자체가 갖는 종양원성 때문에 유도만능 줄기세포로부터 분화된 세포 활용 시 미분화된 유도만능 줄기세포의 잔존으로 인한 종양 형성의 위험성이 세포치료제 개발에 큰 걸림돌로 작용하고 있다.

 ○ 2010년 Sheng Ding 박사는 필요한 생체를 구성하는 세포를 직접 유도해내는 ‘만능성 인자를 이용한 직접교차분화’ 기술(PDR 기술)을 발표했다. PDR 기술은 유도만능 줄기세포를 거치지 않고 목적하는 세포로의 직접 전환을 꾀하기 때문에 빠르고 보다 안전하다고 볼 수 있다. 하지만 PDR 기술은 유도만능 줄기세포 리프로그래밍 인자를 동일하게 활용하기 때문에 유도만능 줄기세포가 일시적으로 유도될 수도 있다는 우려가 존재했으며, 만약 유도만능 줄기세포 상태를 거치지 않는다면 어떻게 우리 몸을 구성하는 다양한 세포가 유도될 수 있는지에 대한 정확한 기전 이해가 부족하여 해당 기술은 큰 장점이 있음에도 많이 활용되지 못했다. 

 ○ 2010년 Izpisua Belmonte 박사는 세포 리프로그래밍 기술과 조직의 재생 과정이 유사한 기전을 공유할 가능성을 제안한 바 있다. 하등 동물의 조직 재생 과정에서 일시적으로 유도되는 아체 세포가 배아줄기세포와는 다른 특성을 가진다는 것을 확인하였으며, 아체 세포가 유도되는 초기 과정 동안 리프로그래밍 인자의 일시적 발현을 관찰하였다. 특히 Oct4의 경우 그 발현을 저해하였을 때 조직 재생이 지연됨을 확인함으로써 조직 재생 과정이 세포 리프로그래밍 과정과 공통의 기전을 가질 수 있음을 제안하였지만, 그 직접적인 근거를 제시하지는 못했다.

 ○ 이처럼 직접교차분화 기전 및 세포 리프로그래밍과 조직 재생의 연관성은 오랫동안 풀리지 않은 숙제로 남아있었다.

연구내용

 ○ 본 연구진은 유도만능 줄기세포 리프로그래밍과 만능성 인자를 활용하는 직접교차분화(PDR) 과정을 비교 분석하여 리프로그래밍 인자의 일시적 발현으로 유도만능 줄기세포와 다른 ‘중간단계세포’가 유도됨을 규명하였다.

 ○ ‘중간단계세포’는 유도만능 줄기세포 특이적 마커의 발현이 극히 낮았으며 데스모플라킨(Dsp)의 발현 및 Akt signaling의 활성화를 필요로 한다는 차이점을 가지고 있다.

 ○ 특히, Dsp의 발현 저해는 ‘중간단계세포’ 형성을 유의미하게 감소시켰을 뿐 만 아니라 리프로그래밍 효율 역시 현저히 감소함을 통해 ‘중간단계세포’ 형성이 세포 리프로그래밍에서 중요한 과정임을 확인하였다.

 ○ 또한 제브라피시에서 Dsp의 발현을 저해하였을 때 지느러미 재생이 지연되었을 뿐 아니라 아체 세포의 형성이 저해됨을 확인함으로써 Dsp의 발현이 아체 세포 형성을 통한 조직 재생 과정에서 중요한 역할을 수행함을 확인하였다.

연구성과의 의미

 ○ 세포 리프로그래밍과 조직 재생의 주요 공통 인자 발굴 : 포유류에서 퇴화한 조직 재생에 관한 연구에 활용

  - 조직 재생의 경우 도롱뇽, 물고기 등에서는 남아있지만 포유류에서는 퇴화된 기능이다. 본 연구진은 이번 연구를 통해 포유류의 세포 리프로그래밍 과정 동안 일시적으로 유도되는 세포가 조직 재생에 필수적인 아체 세포와 주요 조절 인자를 공유함을 규명하였으며, 이러한 결과는 향후 포유류에서의 조직 재생연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 ○ 직접교차분화 기전 분석 : 보다 안전하고 유용한 세포치료제 개발을 위한 직접교차분화 기술 활용성 증진

  - 현재 개발 중인 세포치료제의 대부분은 성체줄기세포 혹은 유도만능줄기세포 유래 세포이며 각각은 제한된 활용도 및 종양원성이라는 한계를 가지고 있다. 직접교차분화 기술은 유도만능 줄기세포를 거치지 않고 목적하는 세포를 직접 유도해낼 수 있다는 점에서 시간적 효용성 및 안전성, 활용도가 매우 높다고 할 수 있다. 본 연구를 통해 직접교차분화 과정 동안 중간단계세포의 존재와 유도만능 줄기세포가 유도되지 않음을 단일 세포 수준 전사체 분석을 통해 확인하였으며, 이러한 결과는 환자 맞춤형 재생의학적 세포치료제 개발에 있어 만능성 인자 기반의 직접교차분화 기술의 활용 가치를 높이는 근거가 된다.

 ○ ‘중간단계세포’ 발굴 : 차세대 세포치료제 개발 연구에 활용

  - 본 연구에서 확인한 직접교차분화과정의 ‘중간단계세포’는 동물의 재생에서 중추적 역할을 하는 아체 세포(blastema cell)과 가장 유사한 유전자 발현을 보이는 특징이 있다. 따라서 ‘중간단계세포’는 아체 세포처럼 생체를 구성하는 다양한 종류의 세포를 만들 가능성이 있다. 이러한 특성은 유도만능 줄기세포를 대체할 수 있는 새로운 재생의학적 소재의 가능성이 있으므로, 후속연구를 통해 이를 증명할 예정이다.
 

연 구 결 과  문 답

이번 성과 뭐가 다른가

1. 최초로 세포 리프로그래밍과 조직 재생의 주요 공통 인자를 발굴
2. 직접교차분화 과정 동안 유도만능 줄기세포가 유도되지 않음을 단일 세포 수준 전사체 분석을 통해 규명

어디에 쓸 수 있나

1. 포유류의 조직 재생능 연구
2. 직접교차분화를 통해 제작된 환자맞춤형 세포치료제 개발 
3. 중간단계세포 연구를 통한 차세대 재생의학적 치료제 개발

실용화까지 필요한 시간은

만능성 인자를 활용한 직접교차분화기술로 세포치료제 개발이 진행되고 있으며, 본 연구를 바탕으로 공정의 개선이 기대됨. 
‘중간단계세포’를 활용한 새로운 개념의 재생의학적 원천기술은 상당한 기간이 소요될 것으로 예상되나, 혁신도전프로젝트를 통해서 기간을 단축시키고자 함. 

실용화를 위한 과제는

현재 중간단계세포의 존재 가능성을 확인한 결과로 이들의 특성을 연구하여 재생의학적 소재로의 가능성을 확인하기 위한 기전 연구와 동물연구 및 질병에 적용가능성 확인이 필요함. 

연구를 시작한 계기는

2006년 일본의 야마나카 신야 교수가 유도만능 줄기세포를 개발하였고, 2012년 노벨상을 받았음. 2011년 유도만능 줄기세포 단계를 거치지 않으면서, 특정 세포로 운명을 전환할 수 있는 직접교차분화 기술이 개발되었음. 직접교차분화과정은 기존의 리프로그래밍과는 개념적으로 다른 방식이어서 이를 이해하는 것이 리프로그래밍의 기전을 이해하는 것과 동시에 새로운 재생의학적 원천기술의 가능성이 있을 것으로 보고 10여년 넘게 연구를 추진하였음. 

에피소드가 있다면

본 연구를 통해 최초로 발견된 ‘중간단계세포’는 얼핏보면 죽은 세포와 유사하게 생겼음. 그래서 2006년에 리프로그래밍 기술이 발표되고 16년에 가까운 시간이 지나는 동안 아무도 그 존재에 주목하지 않았음. 본 연구진도 처음에는 해당 세포가 죽은 세포일 것이라 예상했지만, 지속적인 관찰 및 연구를 통해 해당 세포가 살아있을 뿐만 아니라 새로운 특성의 세포군임을 확인할 수 있었음

꼭 이루고 싶은 목표는

추가적인 연구를 통해 ‘중간단계세포’를 차세대 세포치료제 소재로 개발하는 것과 도마뱀의 재생과 같은 새로운 개념의 재생의학적 기술을 개발하고자 함. 

신진연구자를 위한 한마디

처음 이 연구를 시작할 때만 하더라도 이렇게 좋은 저널을 목표로 하지 않았습니다. 본인이 하는 연구에 애착을 가지고 열심히 하다 보면 성과는 따라온다는 것을 기억하시면 좋겠습니다.

 

그림 1. 세포 리프로그래밍과 조직 재생의 주요 공통 인자(Dsp)의 작용에 관한 모식도
(위) 리프로그래밍 과정 중에 Dsp를 발현하는 중간단계세포(dIC)가 형성되며, 이후 과립형의 중간단계세포(gIC)가 형성됨. gIC는 유도만능줄기세포가 되거나 유도신경줄기세포로 직접교차분화될 수 있음.
(아래) 제브라피시의 지느러미 재생과정에서 dsp 발현을 억제시키면 아체(blastema)의 형성과 지느러미의 재생이 억제됨을 확인함.  
 

그림 2. 세포 리프로그래밍 과정 중 일시적으로 형성되는 중간단계세포에 데스모솜 단백질을 염색한 후 공초점 현미경으로 관찰한 사진 (scale bar = 50 um)
세포 리프로그래밍 과정 중에 두 종류의 중간단계세포가 형성됨을 확인한 것으로 Dsp를 발현하는 중간단계세포(dIC, 검은 별표)와 Dsp를 발현하지 않는 과립형 중간단계세포(gIC, 하얀 별표)를 확인할 수 있음. 
 

그림 3. 중간단계세포 형성에 필수적인 Dsp 유전자 발현 억제 시 제브라피시 조직 재생 지연 관찰
Dsp 제어량에 따른 제브라피시 조직 재생률(왼쪽)과 실제 제브라피시 지느러미 조직 재생 차이 확인(오른쪽)