목 차 

1. 서론
2. 학회 내용
  2.1. Day 1 - Human and Non-Human Primate Development using Embryos
    2.1.1. Modeling human embryo implantation in vitro (Matteo A. Mole, Stanford Univsersity)
    2.1.2. Organoid systems for understanding human placental development within the uterine environment (Margherita Y. Turco, Friedrich Miescher Institute)
    2.1.3. Exploring the evolutionary divergence of placenta induction across mammals with stem cell models (Mijo Simunovic, Columbia university)
    2.1.4. Ex-utero human embryo implantation in a functional vascular niche (Ikbal Choudhury, Caltech)
  2.2. Day 2 - Advancing Embryo Modeling
    2.2.1. Ex utero embryogenesis: from naïve pluripotent cells to bona fide synthetic embryo models (Jacob H. Hanna, Weizmann Institute of Science)
    2.2.2. Self-Patterning of Human Stem Cells into Post-Implantation Lineages (Berna Sozen, Yale University)
    2.2.3. Developing increasingly complex human embryo-like structures using stem cells (JunWu, University of Texas Southwestern Medical Center)
  2.3. Day 2 - Bioengineering Embryo Modeling
    2.3.1. Quantitative benchmarking of stem cell-derived embryo models reveals trophectoderm arrest and lineage asynchrony (Wenqi Hu, Caltech)
  2.4. Day 3 - Studying Developmental Mechanisms using Embryo Models
    2.4.1. Deciphering early mammalian development using stem cell-based models (Magdalena D. Zernicka-Goetz, Caltech)
    2.4.2. Naïve human PSCs model pre- to post-implantation development (Yasuhiro Takashima, Kyoto University CiRA)
    2.4.3. Gene-environment interactions in stem cell development (Aydan Bulut-Karslioglu, Max Planck Institute for Molecular Genetics)
  2.5. Day 3 - Synthetic Biology for Embryo Modeling     2.5.1. Optogenetic manipulation and cross-species comparison of stem cell models (Miki Ebisuya, TU Dresden)
    2.5.2. CRISPR-programming human embryogenesis (Ali Shariati, University of California, Santa Cruz)
3. 세미나 세션 외 활동 및 총평


1. 서론 

Keystone symposia는 매년 다양한 주제로 워크숍을 열어왔다. Coldspring harbor laboratory meeting이나 EMBO workshop과 마찬가지로 여러 분야를 아우르는 종합 학회가 아닌 분야 워크숍이지만, 이 두 미팅보다는 조금 더 좁고 깊은 세부분야를 다룬다는 특징이 있다. 때문에 참가 인원도 100명 미만의 소규모이고 세션장 1개에서 모든 발표가 진행되어 사람들과 더욱 긴밀하게 소통할 수 있다는 장점이 있다. 이번 학회가 진행된 Hotel Asiloma는 1975년 과학자들이 모여 recombinant DNA가 사회에 영향과 과학 윤리 등을 다루었던 ‘Asilomar conference on recombinant DNA’가 열렸던 Asilomar state beach에 있는 공간이어서 더욱 뜻깊었다.

Keystone symposia: Stem Cell Models in Embryology에서는 ▲Human and Non-Human Primate Development using Embryos ▲Advancing Embryo Modeling ▲Bioengineering Embryo Modeling ▲Studying Developmental Mechanisms using Embryo Models ▲Synthetic Biology for Embryo Modeling 등의 세션으로 진행되었다. 또한, 각 날짜 저녁에는 포스터 세션이 진행되었다.

그림 1. Keystone symposia: Stem Cell Models in Embryology가 진행된 Hotel Asilomar의 Fred Farr Forum 홀

그림 2. Hotel Asilomar 건물 앞에서 풀을 뜯고 있는 야생 사슴

2. 학회 내용 

2.1. Day 1 - Human and Non-Human Primate Development using Embryos

2.1.1. Modeling human embryo implantation in vitro (Matteo A. Mole, Stanford Univsersity)

Human embryo implantation 과정은 체내 접근성이 낮고 적절한 모델이 부족하여 배아와 모체 간의 상호작용(embryo-maternal crosstalk)을 연구하는 데 큰 한계가 존재하던 분야이다. 연구팀은 빈번하게 발생하는 착상 실패 기전을 규명하고 치료적 접근을 개발하기 위해, 환자의 생검(biopsy)에서 얻은 epithelial cell과 stromal cell을 활용하여 in vitro endometrial tissue engineering 모델을 구축했다. 실제 자궁 내막 조직과 유사한 수준(약 480 Pa)의 stiffness를 구현하기 위해 synthetic degradable hydrogel에 ECM을 도입하였으며, 이를 통해 기질(stromal compartment)과 표피 단층(surface epithelial monolayer)을 성공적으로 조성하였다.

이 모델에 호르몬(E2, E2+P4)을 처리한 결과, stromal cell의 형태 변화와 함께 IGFBP1 및 Prolactin의 분비가 유도되었다. 또한 epithelial compartment에서는 glandular-like structure로의 invagination, uterine milk 분비, 그리고 수용성(receptivity)을 나타내는 pinopodes와 ciliated cell의 발현 등 실제 착상 환경의 특징들이 충실히 재현되었다.

연구팀은 이 플랫폼을 통해 8 d.p.f. 배아의 apposition, adhesion, invasion 과정을 모델링하여 hCG 수치 증가와 형태학적 발달을 관찰해 냈다. 나아가 scRNA-seq을 수행하여 maternal cell과 embryo cell을 profiling 함으로써 복잡한 receptor-ligand interaction landscape를 성공적으로 매핑해 냈다. 향후 이 모델에 perfusable vascular system을 추가로 도입하여 혈관망이 통합된 한층 더 고도화된 생체 모사 플랫폼으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.

2.1.2. Organoid systems for understanding human placental development within the uterine environment (Margherita Y. Turco, Friedrich Miescher Institute)

성공적인 임신 유지를 위한 태반 형성(placentation) 과정에서는 자궁(Uterine), 태반(Placenta), 탈락막(Decidua) 간의 정교한 상호작용이 필수적이다. 특히 임신 중기(~2nd trimester)에 접어들며 spiral artery가 형성되고 영양막 세포의 깊은 침투(deeply invasion)가 일어난다. 이때 invasion의 균형(balancing)이 매우 중요한데, invasion이 불충분하면 유산(miscarriage)이나 자간전증(pre-eclampsia)이 발생하며, 반대로 과도하게 깊어지면 유착태반 스펙트럼(placenta accreta spectrum)으로 이어질 위험이 있다. 하지만 이 과정은 early developmental window에 발생하고 종마다 placentation 형태가 다르며 그 과정이 매우 복잡하고 역동적(complex and dynamic)이기 때문에, 기존 in vitro system만으로는 연구에 큰 한계(challenges)가 존재했다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 월경 주기(menstrual cycle) 동안 자궁이 임신을 준비하는 과정, 태반에 나타나는 specialized lineage의 종류, 그리고 uterine-placental interaction의 양상과 상호 영향력을 규명하는 것을 목표로 삼았다.

이를 위해 환자의 생검(biopsy) 조직을 바탕으로 Matrigel에서 배양한 trophoblast organoid를 1st trimester placenta의 체외 모델로 확립하였다.

이 모델을 통해 태반으로의 분화(placenta differentiation)와 extravillous trophoblast(EVT) 특유의 highly invasive dynamics를 성공적으로 재현하고 관찰할 수 있었다.

이후 trophoblast behaviour에 영향을 미치는 maternal signal을 예측하기 위해 sscRNA-seq을 수행하였고, cytokine, growth factor, hormone 등을 포함한 134개의 protein ligand candidate를 확보했다. 나아가 image-based screen을 위한 3D invasion assay를 도입하여 EVT differentiation 과정을 live cell imaging으로 정밀하게 추적하였다.

획득한 이미지 데이터를 바탕으로 organoid segmentation을 수행하고, differentiation stage에 따른 약 50,000여 개 organoid의 발생 양상을 UMAP으로 투영하여 분석했다. 최종적으로 선별된 maternal ligand들에 perturbation을 가하며 differentiation과 invasion 양상의 변화를 관찰한 결과, differentiation과 invasion 현상이 서로 독립적으로 분리(decoupling)되어 나타날 수 있음을 확인했으며, 각 ligand perturbation마다 각기 다른 고유한 phenotype이 유도된다는 사실을 밝혀냈다.

2.1.3. Exploring the evolutionary divergence of placenta induction across mammals with stem cell models (Mijo Simunovic, Columbia university)

Implantation 과정 자체는 진화적으로 conserved 되어 있지만, 그 양상은 종에 따라 Interstitial, Superficial, Eccentric의 3가지 형태로 나뉜다. 태반(placenta)의 기본 구성단위(basic building blocks)인 Chorionic villi와 Amnion chorion membrane의 형성 기전을 이해하기 위해, 연구팀은 "How can we model chorion induction?"이라는 질문을 바탕으로 체외 모델링 연구를 수행했다.

연구팀은 성공적인 모델링을 위해 두 가지 단계를 도입했다. Step 1에서는 세포를 pre-lineage state로 mimic 하였고, Step 2에서는 natural trophectoderm (TE) induction 과정을 mimic 하였다. 특히 이 과정에서 Hippo pathway inhibitor를 처리하며 TE induction이 temporal continuity를 따르며 자연스럽게 진행되는 것을 확인했다.

이후 6, 12, 18일 차의 샘플에 대해 scRNA-seq을 수행하였으며, 획득한 데이터를 rescale 하고 PCA space로 projection 한 뒤, batch correction과 UMAP projection 과정을 거쳐 정밀한 단일 세포 전사체 분석을 진행했다. 이를 통해 종별로 시간에 따라 어떤 Transcription Factor(TF)가 발현되는지 그 양상을 추적하는 stage matching을 완료했다.

최종적으로 분리해 낸 trophoblast cell을 bioreactor culture 시스템에 도입하여 Chorion organoid를 성공적으로 제작하였으며, 해당 오가노이드 내부에 mesenchymal space가 형성되는 구조적 발달 양상을 관찰해 냈다.

2.1.4. Ex-utero human embryo implantation in a functional vascular niche (Ikbal Choudhury, Caltech)

초기 배아 발달 과정에서 3D invasion 및 growth의 구조적 변화(structure), 동시다발적으로 일어나는 morphogenesis의 타이밍(timing), 그리고 배아와 모체 간의 상호작용(embryo-maternal interaction)을 통합적으로 이해하는 것은 매우 중요하다. 특히, 착상 초기 단계에서 maternal vasculature가 정확히 어떤 역할을 수행하며, 배아가 언제 어떻게 혈관망과 소통(communicate)하는지에 대한 기전은 여전히 핵심적인 질문으로 남아있었다.

연구팀은 이러한 질문에 대한 답을 구하기 위해, microfluidic system을 자체적으로 제작하여 in vitro 상에서 embryo implantation 과정을 정밀하게 모델링하였다.

이 시스템을 활용하여 배양된 모델에 대해 transcriptomic analysis와 ligand-receptor network analysis를 심층적으로 수행하였다. 그 결과, epiblast와 hypoblast의 morphogenesis 진행 과정을 성공적으로 추적할 수 있었으며, 이를 통해 배아와 모체 혈관 사이의 복잡한 분자적 상호작용 기전을 밝혀냈다.

2.2. Day 2 - Advancing Embryo Modeling

2.2.1. Ex utero embryogenesis: from naïve pluripotent cells to bona fide synthetic embryo models (Jacob H. Hanna, Weizmann Institute of Science)

Naive 상태에서 Primed 상태로의 전환을 거쳐 Stem cell derived embryo model (SEM)을 구축하는 과정은 체내(in vivo)에서 Blastocyst가 Egg-cylinder로 발달하는 기전을 이해하는 데 핵심적이다. 연구팀은 advanced natural mouse embryo, stem cell derived mouse embryo model, 그리고 stem cell derived human embryo model의 ex utero development를 체외에서 완벽하게 구현하는 것을 목표로 연구를 진행했다.

이를 위해 기존 static condition의 한계를 극복하고자 electronically controlled Ex Utero Roller culture system을 도입하여 dynamic condition을 확립했다. 이 차세대 배양 시스템을 활용하여 모체의 개입(maternal input) 없이도 organogenesis가 거의 완료되는 시점(E7.5 - E12.5)까지 배아를 배양하며 organ morphogenesis 과정을 성공적으로 재현해 냈다. 또한, LC-MS metabolomics profiling을 수행하여 배아 발달 과정 중 E10.5 시점에서 뚜렷한 metabolic transition이 일어남을 밝혀냈다.

나아가 연구팀은 Ex Utero 플랫폼 내에서 naive stem cell이 SEM으로 self-organize 할 수 있는지 검증하였다. Human에서 Gata6 enhancer의 활성화가 totipotency를 나타낸다는 점에 착안하여, mouse에서도 이를 인위적으로 켜주었을 때 totipotency를 획득할 수 있는지 확인했다. TE induction을 위한 small molecule screening을 진행한 결과, naive stem cell의 pluripotency를 증가시키면 TE와 PrE로 직접 분화가 가능하지만, 단순히 2cell like cell 상태로 유도하는 것만으로는 TE와 PrE 계통으로 나아가지 않는다는 사실을 규명했다.

2.2.2. Self-patterning of human stem cells into post-implantation lineages (Berna Sozen, Yale university)

Embryonic patterning 과정에서의 multiscale communication은 발생을 조율하기 위해 생물학적 정보가 여러 scale을 아우르며 어떻게 흐르는지(flow across scales)를 이해하는 데 필수적이다. 특히 유전자가 발생의 대본(script)을 암호화한다면, metabolism이 그 속도와 톤(tempo and tone)을 결정할 수 있다는 가설이 대두되었다. Post-implantation 단계로의 전환 시 나타나는 대표적인 보존된 특징(conserved hallmarks) 중 하나는 단연 glucose utilization의 증가이다. 연구팀은 배아가 왜 특정 시기에 glucose를 필요로 하며, 실제로 이 metabolic flux를 어떻게 활용하는지에 대한 근본적인 질문을 바탕으로 연구를 진행했다.

이를 규명하기 위해 E6.5 단계의 배아에서 glucose uptake 양상을 관찰한 결과, 전반적으로 heterogeneous 하면서도 posterior domain에서 특이적으로 높은 uptake가 나타남을 확인했다. 발생이 진행됨에 따라(Early에서 Mid, Late streak 단계로 갈수록), Epiblast에서 시작하여 posterior에서 anterior 방향으로 이동하는 두 차례의 뚜렷한 파동(wave)을 통해 glucose uptake가 급격히 증가하는 것을 관찰했다. 구체적으로 첫 번째 파동(1st wave)은 epiblast에서, 두 번째 파동(2nd wave)은 mesoderm wing에서 발생했다. 나아가 연구팀은 glucose pathway의 다양한 branch들을 각각 inhibition 하며 대사 경로가 발생에 미치는 분자적 기전을 심층 분석했다.

첫 번째 파동과 관련하여, Gastruloid 모델에서 Hexosamine biosynthetic pathway를 차단하였을 때 배아의 정상적인 분화가 현저히 억제되는 현상을 확인했다. 이 대사 경로는 Post-Translational Modification(PTM)의 일종인 glycosylation에 필수적이며, 이는 결과적으로 FGF의 binding site 형성에 중요한 역할을 한다. 따라서 해당 경로가 inhibition 될 경우, posterior domain에서 나타나야 할 높은 ERK 활성(ERK high)과 KTR nuclear exclusion이 정상적으로 일어나지 못한다는 사실을 밝혀냈다.

두 번째 파동의 경우, 대사산물인 lactate가 또 다른 핵심 PTM인 lactylation에 반드시 필요하다는 것을 규명했다. 배아 발생 과정에서 lactate의 작용을 blocking 하였을 때, 배아의 형태적 변화인 axial elongation이 전혀 일어나지 않는 것을 관찰했다. 이후 lactate blocking 처리군을 대상으로 RNA-seq 및 H3K27lactyl CUT&RUN 기법을 수행하여, 대사산물의 억제가 구체적으로 어떤 유전자들의 발현과 후성유전학적 상태에 변화를 유발했는지 그 네트워크를 성공적으로 추적해 냈다.

2.2.3. Developing increasingly complex human embryo-like structures using stem cells (Jun Wu, University of Texas Southwestern Medical Center)

Naive human PSC는 ELC, TLC, HLC 등 다양한 세포 계통으로 모두 분화가 가능한 특성을 지니고 있으며, 이를 HDM에서 TDM culture 조건으로 전환하여 배양함으로써 human blastoid를 제작할 수 있다. 연구팀은 기존과 다른 접근법으로 naive hPSC의 trans-differentiation을 유도하여 human blastoid를 생성하는 방식을 연구했다. 구체적으로 TE-like cells (iYAP)와 ICM-like cells를 함께 배양하여 self-organization을 유도함으로써 성공적으로 blastoid를 구축해 냈다.

생성된 blastoid를 활용하여 실제 human implantation 과정을 체외에서 구현하기 위해, 연구팀은 chip-based human endometrial model인 Endometrioid를 개발하고 두 모델의 co-culture를 진행했다. 실험 결과, RIF (Recurrent Implantation Failure) 환경을 모사한 endometrioid에서는 blastoid가 착상에 실패하는 것을 관찰했으며, 이 플랫폼을 활용하여 임상적 적용(clinical applications)을 목표로 1119개의 FDA-approved 약물에 대한 screening을 수행했다.

초기 제작된 blastoid는 post-implantation property efficiency가 매우 낮다는 한계가 존재했다. 하지만 distinct ICM founder cell을 도입하여 human blastoid의 post-implantation potential을 크게 향상시킬 수 있었다. 특히 A83/PD03 처리를 통해 YAP 발현을 유도(induced YAP) 한 결과, 착상 이후 단계의 발생 효율이 비약적으로 개선되는 것을 밝혀냈다.

2.3. Day 2 - Bioengineering Embryo Modeling

2.3.1. Quantitative benchmarking of stem cell-derived embryo models reveals trophectoderm arrest and lineage asynchrony (Wenqi Hu, Caltech)

줄기세포 배아 모델에서는 blastocyst를 모방하고 있긴 하지만, blastoid의 EPI, HYP, TE가 각각 같은 시기의 blastocyst counter part를 모방하고 있을까? 해당 연구에서는 blastoid의 scRNA-seq을 통해서 각 시기별 blastocyst의 scRNA-seq과 비교함으로써 ‘그렇지 않다’고 대답한다. 특히 Blastoid의 TE는 implantation window에서 한참 늦은 시기의 TE와 같은 transcriptome을 가지고 있어 blastoid의 불완전성을 지적한다. 해당 연구에서는 AI를 통해 어떤 인자가 TE의 differentiation 정도를 결정하는지 들여다봤고 CEBPA라는 유전자의 기능에 대해 그 가능성을 제시했다.

2.4. Day 3 - Studying Developmental Mechanisms using Embryo Models

2.4.1. Deciphering early mammalian development using stem cell-based models (Magdalena D. Zernicka-Goetz, Caltech)

배아 발생 과정에서의 self-organization과 세포 간의 상호작용(collaboration and competition)은 조직과 장기를 형성하는 핵심 메커니즘이다. 하지만 pre-implantation에서 post-implantation으로 전환되는 시기는 체내 접근성이 매우 낮아, 그동안 in vitro culture system에 의존하여 amniotic cavity formation, AP axis formation, gastrulation 등을 관찰해 왔다. 특히 인간 배아를 대상으로 한 연구는 기술적 및 윤리적 한계로 인해 근본적인 기전 규명에 큰 어려움이 존재했다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 stem cell-based embryo model을 도입했다. Blastocyst를 dissociation 하여 얻은 ESC, TSC (iCdx2 ESC), XEN (iGata4 ESC)을 in vitro culture 조건에서 배양한 뒤, 세포들의 self-organization을 유도함으로써 생체 밖에서 EiTiX embryo 모델을 성공적으로 구축했다.

관찰 결과, 이 모델은 roller-bottle culture 환경에서 gastrulation 과정을 충실히 모사하였으며, heart와 neural tube는 물론 전체 brain region의 발달 양상까지 성공적으로 구현해 냈다.

그러나 해당 모델은 implantation 과정에서의 tissue-tissue dialogue, scaling 및 lineage, reproducibility 측면에서 아직 완벽하지 않다는 과제를 안고 있다. 특히, EiTiX 모델을 구성하는 endoderm, epiblast, mesoderm 등의 각 파트가 서로 다른 발생 단계를 모사하는 developmental asynchrony 현상이 확인되었으며, 모델을 지속적으로 업그레이드하여 이들의 싱크(sync)를 맞추는 연구가 진행되고 있다. 나아가 Cdx4 expression timing과 cell mixing ratio를 분석하여 differentiation trajectory를 검증하였으며, 카페인, 니코틴, 알코올, 식이 단백질 농도 등 다양한 환경 요인을 처리하며 배아 형성을 추적한 결과, low protein diet 조건에서 배아의 발달이 현저히 저해되는 것을 밝혀냈다.

2.4.2. Naïve human PSCs model pre- to post-implantation development (Yasuhiro Takashima, Kyoto University CiRA)

Naive ESC는 배양 환경에서 특정 signal을 켜고 끄는 조절 과정에 따라 Hypoblast, Post-Epi (primed), 그리고 TE 등 다양한 계통으로 각각 분화가 가능하다는 특징을 지닌다. 연구팀은 이러한 다분화능을 바탕으로 생체 외에서 Bilaminoid를 성공적으로 제작하고 초기 배아 발달 과정을 모델링하는 연구를 진행했다. 구체적으로, Naive PSC와 Hypoblast-like cell을 활용하고 GATA6 overexpression을 유도함으로써 실제 초기 배아의 Bilaminar disc 구조를 충실히 mimic 해냈다.

이후 생성된 구조체를 transwell 시스템을 이용하여 Trophoblast와 co-culture 한 결과, Amniotic cavity가 형성되는 뚜렷한 morphology 변화를 관찰할 수 있었다. 특히 실험 과정에서 Trophoblast의 IL6를 knock-out (KO) 하였을 때 이러한 cavitation 현상이 유도되지 않는 것을 확인하여, 해당 인자가 배아의 형태 발생에 필수적인 역할을 수행함을 밝혀냈다.

나아가 연구팀은 7F induction을 추가로 적용함으로써 Yolk sac은 물론 extraembryonic mesenchyme-like compartment 구조까지 한층 더 정밀하게 mimic 하는 데 성공했다. 최종적으로는 이렇게 생성된 Blastoid를 menstrual cycle의 각 time point를 모사(mimicking)하는 stromal cell layer와 co-culture 하는 고도화된 분석 플랫폼을 구축하여, 시기별 자궁 내막 환경과 배아 간의 상호작용을 추적할 수 있는 기반을 마련했다.

2.4.3. Gene-environment interactions in stem cell development (Aydan Bulut-Karslioglu, Max Planck Institute for Molecular Genetics)

Embryonic diapause는 영양 상태(nutrient status)나 스트레스 등의 외부 요인에 의해 배아 발달이 일시적으로 중단되었다가 재개(stop and resume)되는 dormancy 혹은 quiescence 현상이다. 정상적인 조건(normal condition)에서는 착상(implantation)이 이루어지지만, dormant 상태의 배아는 자궁(uterus) 표면 근처에 머무르며 착상이 진행되지 않는다. 이러한 dormant state는 mTOR의 억제(inhibition of mTOR)를 통해 유도되며, 배아가 다시 reactivate 될 때는 H4K16ac 발현의 전반적인 증가가 동반된다.

연구팀은 "Is diapause potential conserved in humans?"라는 근본적인 질문에 답하기 위해 체외 blastoid 모델에 mTORi를 처리하여 분석을 진행했다. 실험 결과, Inner Cell Mass (ICM)의 세포 수는 감소하는 반면 Trophectoderm (TE)은 상대적으로 영향을 덜 받는 양상이 나타났으며, 이는 mouse와 human 모델 모두에서 동일하게 관찰되었다. 추가적으로, 휴면 기전을 심층적으로 파악하기 위해 in vivo dormancy embryo에서 up-regulated 된 유전자들을 mouse 및 human의 mTORi 처리군에서 확보한 up-regulated gene set과 비교 분석하는 function study를 수행하였다.

발표 내용과 관련하여 제기된 후속 질문(Questions)에서는, "Human에서도 in vivo dormancy 현상이 실제로 존재한다면, 주기적인 menstrual cycle 동안 이 과정이 어떻게 조절되고 유지되는가?"에 대한 심도 있는 논의가 이루어졌다.

2.5. Day 3 - Synthetic Biology for Embryo Modeling

2.5.1. Optogenetic manipulation and cross-species comparison of stem cell models (Miki Ebisuya, TU Dresden)

배아 발생(embryonic development)에 소요되는 시간은 종(species)마다 고유한 차이를 보인다. 예를 들어, mouse의 segmentation clock 주기는 사람보다 빠르며, motor neuron differentiation 과정 역시 사람이 쥐보다 최대 2배가량 길게 나타난다. 연구팀은 이러한 oscillation period의 species specificity를 바탕으로 segmentation clock과 배아 발생, 그리고 신경 세포 분화 속도를 조절하는 공통된 매개자(common modulator)가 존재하는지에 대한 근본적인 질문을 바탕으로 연구를 진행했다.

이를 확인하기 위해 Neuromesodermal progenitor(NMP)를 2D in vitro 조건에서 induction 한 모델을 활용하였다. Mouse와 human 모델에서 oscillation clock을 실시간(live)으로 관찰한 결과, human 시스템이 훨씬 느리게 작동함을 확인했다. 또한 NMP 내에서의 in vitro HOX timer를 분석하여 각 번호의 HOX gene이 켜지는 타이밍과 인터벌을 추적했을 때도 human 모델의 속도가 현저히 느린 것을 규명했다. 흥미롭게도 HMT inhibitor와 HDAC inhibitor 등의 chemical을 처리하여 HOX timer와 segmentation clock의 변화를 조절해 본 결과, 두 시스템 간의 직접적인 correlation은 관찰되지 않아 이들이 서로 independent 하게 작동할 가능성을 시사했다.

형태학적 분석(morphology)에 있어서, human brain organoid의 neural bud와 optic-cup organoid(optic vesicle)는 mouse에 비해 덜 구형(less spherical)을 띠는 특징을 보였다. 연구팀은 이러한 구조적 차이를 극복하고 형태 변화를 유도하기 위해 OptoShroom3 시스템을 도입하여 Shroom3 domain의 dimerization을 opto-induction 하였고, 이를 통해 apical constriction을 유발하여 좀 더 spherical shape을 유도해 냈다. 추가로 DHFR tagging 모델에 TMP를 처리하여 Shroom3을 stabilization 시킨 결과, 성공적으로 round neural bud 구조를 형성하였다.

이러한 lumen rounding 현상은 basal region에서의 세포 분열과 intermediate progenitor들의 proliferation을 직접적으로 촉진하였다. 특히 Shroom3가 ON 상태가 되었을 때, 기존에 vertical cleavage만 수행하던 Neural Progenitor Cell (NPC)에서 horizontal cleavage 현상이 새롭게 나타나는 것을 확인하여 형태 발생학적 기전을 세포 수준에서 증명하였다.

2.5.2. CRISPR-programming human embryogenesis (Ali Shariati, University of California, Santa Cruz)

Pluripotent stem cell을 embryo의 각 lineage로 분화시키기 위해서 기존 줄기세포 배아 모델에서 사용되던 방식은 각 lineage의 transcription factor를 overexpression 시켜주는 것이었다. 이를 위해 lentivirus나 piggybac 시스템을 이용하였는데, 이는 overexpression target gene의 개수와 발현량 조절이 쉽지 않았다. 해당 연구에서는 CRISPR activation (CRISPRa) 기술을 이용하여 endogenous gene을 타겟팅하여 과발현 시킴으로써 각 lineage로의 분화를 유도했다. 해당 연구에서는 multi array guide RNA 시스템을 접목시켜 한번에 여러 transcription factor를 targeting하기도 하였고, 약물을 통해 CRISPR의 활성도를 조절함으로써 기존의 방식보다 훨씬 효과적이고 다루기 용이한 시스템을 개발하였다.

그림 3. 세션장에서 세미나를 듣고 있는 학회 참가자들

3. 세미나 세션 외 활동 및 총평

본 학회에서 특별히 준비된 세션이 있었는데, 바로 < Navigating the Ethics of Human Stem Cell–Based Embryo Models > 세션이었다. 배아를 직접 연구하는데서 발생하는 윤리적인 문제를 우회하는 줄기세포 배아 모델 연구이지만, 새로이 파생되는 윤리적 문제에 대한 규칙과 기준이 아직 덜 마련되어 있다. 해당 세션에서는 세미나 발표를 진행한 연구자들이 패널로 나와 향후 줄기세포 배아 모델에서 발생할 수 있는 여러 문제들에 대한 담론을 다루었고, 각자의 연구에 비추어 생각한 저마다의 견해를 나누었다. 또한, < Career Roundtable > 세션도 진행되었는데 연구소의 PI, 저널 에디터, 기업 연구자가 멘토로 참여하여 참가자들에게 각 진로에 대한 정보와 이야기를 들려주는 시간도 가졌다. 학회에서는 세미나와 포스터 세션 등 학술적 활동도 중요하지만 학술 외적 콘텐츠를 다루는 것도 과학자로서 다뤄야 할 중요한 부분이다.

Stem cell based embryo model은 이제 막 태동하기 시작한 신생 모델이며 앞으로 펼쳐나갈 이야기가 많은 새로운 분야이다. 지난 수십 년 간 오가노이드 연구를 통해 우리의 다양한 장기에 대한 이해도가 높아졌듯이, stem cell based embryo를 통해서도 배아 발생에 대한 연구가 활발이 진행될 것이라 생각한다. 이번 학회는 재작년의 1회 심포지엄에 이어 stem cell based embryo를 주제로 열린 두 번째 학회라고 한다. 향후에는 단일 분야 워크숍 형태의 학회를 넘어 ISSCR이나 ASCB와 같은 종합 학회에서도 주요한 갈래로 인정받을 수 있는 커다란 분야로 성장하기를 기대해 본다.

 [AI 도구 활용 내역] Google (2026), Gemini (Pro 3.1, 2026-03-10), 작성자가 세미나 내용을 요약 정리한 것을 바탕으로 투고 가능한 형태로 문장 구조를 첨삭하였습니다.