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줄기세포가 분화재생능력을 유지하는 비결을 찾다!...서울대병원 김효수 교수 연구팀
Bio통신원(미래창조과학부)
미래창조과학부과 보건복지부는 국내 연구진이 가장 젊고 분화능력이 뛰어난 최상위 혈액-줄기세포의 선별 방법을 개발하여 혈액-줄기세포를 마음대로 깨우고 재울 수 있는 획기적인 원천기술을 확보하였다고 밝혔다.
이번 연구는 서울대학교 의과대학 김효수 교수팀(서울대학교병원 허진 교수)이 주도하고 생명과학부 백성희 교수가 공동연구자로서 참여하였고, 미래창조과학부의 줄기세포 선도연구팀 육성사업, 리더연구자 지원사업과 보건복지부의 선도형 세포치료 연구사업단 및 연구중심병원 육성 R&D사업의 지원으로 이뤄졌으며, 연구결과는 ‘셀 스템 셀(Cell Stem Cell)’ 온라인판(3월 18일자)에 게재되었다.
※ (논문명) CD82/KAI1 maintains the dormancy of long-term hematopoietic stem cells through interaction with DARC-expressing macrophages
※ (저자정보) 허진, 최재일, 이환(공동 제1저자), 백성희, 김효수(교신저자)
김효수 교수팀은 골수에 존재하는 혈액세포들의 조상인 혈액-줄기세포들 중에서, 가장 젊고 분화재생 능력이 뛰어난 최상위 혈액-줄기세포에만 카이-원(KAI1; CD82)분자가 특이적으로 발현된다는 것을 세계최초로 밝혀냈다.
더 나아가, 이 카이-원 분자는 면역을 담당하는 대식세포*(macrophage)의 다크 단백질**(DARC; CD234)과 상호작용하여 최상위 혈액-줄기세포를 활동 없이 잠들어 있는 상태로 유지시킬 수 있음을 밝혔다.
* 대식세포(macrophage) : 백혈구의 한 종류이며 외부로부터 침입한 병원균 및 세포 파괴물 등을 포식하여 소화하는 식세포작용을 함.
** 다크 단백질(Duffy Antigen Receptor for Chemokines, CD234, DARC) : 적혈구의 표면에 위치한 막 단백질 중 하나로, 보통 케모카인 (Chemokine)의 운송 역할을 하는 것으로 알려져 있었음. 본 연구에서 대식세포에서도 다크 단백질을 발현하는 것을 규명하였으며, 혈액-줄기세포의 카이-원(CD82)과 상호작용하여 줄기세포의 휴면을 유지시키는 기능을 새로 밝힘.
기존 연구에서는 골수 내에서 잠자고 있는 혈액-줄기세포들을 깨운 후에 그 수를 증폭시킬 수는 있었으나, 이런 방식으로 증폭된 혈액-줄기세포들은 장기적으로 혈액을 만들 수 있는 기능이 없어진다는 한계*가 있었다.
* 증폭과정에서 최상위 혈액-줄기세포들은 점차 감소하고 분화재생능력이 낮은 전구 세포 또는 분화된 세포들이 늘어나, 장기 조혈 기능이 사라지게 됨
본 연구 성과는 이러한 난제에 대한 해결책을 제시하고 있다. 즉, 최상위 혈액-줄기세포들의 증폭 과정 중 적절한 시점에 다크 단백질을 발현하는 대식세포 또는 재조합 다크 단백질을 처리하여 혈액-줄기세포들을 다시 기능과 젊음을 유지한 채로 잠재워서 저장할 수 있는 핵심 기술을 개발한 것이다.
젊음을 유지한 채로 최상위 혈액-줄기세포를 대량으로 증폭, 보관하는 방법이 상용화되면, 줄기세포가 필요한 환자들에게 신속하게 최상위줄기세포를 공여하는 혈액-줄기세포은행을 만들 수 있는 길이 열리게 된다.
응용분야로서는, 면역-세포 및 인공혈액을 제작하는 곳에 이 기술을 이용할 수 있으며, 백혈병과 골수부전으로 인한 악성빈혈의 치료제를 개발하고, 골수이식 기술을 최적화하여 환자에 적용하는 시기를 획기적으로 앞당길 수 있다.
김효수 교수는 “본 연구성과는 백혈병, 악성빈혈과 같은 골수기능부전증의 치료제를 개발하고, 골수이식의 성공률을 높이는데 활용될 수 있다”고 하면서, 정부의 꾸준한 지원이 이러한 성과의 밑거름이 되었음을 강조하였다.
미래창조과학부는 향후에도 줄기세포 분야의 혁신적인 원천기술을 확보할 수 있도록 기초원천연구에 대한 투자를 확대할 계획이라고 밝혔다.
연 구 결 과 개요
[ 본 연구 결과를 한눈에 설명하는 그림 ]
[윗 패널: 평상시의 골수상태] 최상위 혈액줄기세포(아기 고양이)인 LT-HSC는 특이하게 카이-원(CD82)단백질을 발현하고 있는데, 이것의 파트너인 다크(DARC) 단백질은 대식세포(어미 고양이)의 표면에 발현한다. 즉 평상시에는 카이-원(CD82)-다크(DARC)의 결합으로 인해서 대식세포가 최상위 혈액줄기세포를 보호하여 동면상태에 있도록 배려한다.
[아랫 패널 : 골수가 파괴된 후 복구상태] 골수에 독성약물이나 방사선조사에 의해서 골수의 세포들이 전멸하게 되면, 구원세포로서 그동안 동면상태에 있던 최상위 혈액줄기세포의 표면에 카이-원(CD82)이 사라지면서 LT-HSC가 잠에서 깨어나 증식/분화를 시작한다. 그 결과 하위 혈액줄기-전구세포인(HSPCs; hematopoietic stem-progenitor cells) ST-HSC, MPP가 태어나고, 그 이하 모든 혈액세포들, 백혈구/적혈구/혈소판 등이 재생하게 된다.
즉, 카이-원(CD82)이 있으면 최상위 혈액줄기세포가 동면상태로 영원히 생명을 유지하게 되며, 골수가 파괴되어 혈액세포가 필요하게 되면, 카이-원(CD82)이 사라지면서 최상위 줄기세포가 증식/분화를 하게 되어 필요한 혈액세포들을 만들어 낸다는 것이다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
1. 기존에 알려진 혈액-줄기세포의 세포표면 단백질들은 그 기능을 이해하지 못하고 있었음. 본 연구는 혈액줄기세포 중에서도 가장 최상위 혈액줄기세포의 선별마커를 찾았을 뿐만 아니라, 이것의 기능을 밝혔고, 더 나아가 최상위 혈액-줄기세포를 잠재우고 깨우는 원천기술까지 개발한 성과임.
2. 기존 학계에서는, 잠에서 깨어난 혈액-줄기세포들은 환자에게 적용하여도 조혈 효과가 미미함을 알고 있었으며, 이를 극복하기 위해서는 증폭하여 많은 수를 확보한 후에 다시 잠재워서 저장하는 방법개발이 절실한 상황이었음. 본 연구 성과는 기존의 이러한 난제에 대한 해결책으로 대식세포의 다크(DARC) 또는 재조합 다크(DARC) 단백질을 처리하면, 대량증폭 된 혈액-줄기세포들을 다시 기능과 젊음을 유지한 채로 잠재워서 저장할 수 있는 핵심 원천기술들을 연구개발한 것임.
어디에 쓸 수 있나
기초연구로는 혈액줄기세포들의 자가증식과 분화에 관한 연구 발전에 기여할 것이며, 임상적, 산업적으로는 백혈병과 악성빈혈과 같은 골수기능부전증의 치료제개발, 골수이식 성공률 향상, 면역-세포 및 인공혈액 제작에 활용될 수 있음.
실용화까지 필요한 시간은
향후 5년 이내에 원천기술의 임상시험, 상용화가 목표임.
실용화를 위한 과제는
1. 인체에 가장 안정적, 효과적인 형태의 카이-원과 다크 단백질/펩타이드를 발굴해 내야 함.
2. 임상적용이 가능할 정도로 신속/안전하게 원하는 혈액-줄기세포를 선별하는 시스템을 확립하여야 함. 이를 바탕으로 최상위줄기세포의 증폭키트, 저장키트를 제작해야 함.
3. 마지막으로 생체 내, 외에서 효능시험, 안정성시험과 장기간 임상시험을 위한 안정된 연구비 확보가 매우 중요함.
연구를 시작한 계기는
지난 10년동안 혈관재생과 골수 기능 유지에 필수적인 줄기세포를 연구해 왔음. 그 일단계 과실로서, 5년 전 인간의 말초혈액 3차원 배양 원천기술을 개발하여, 인간 혈액줄기세포의 체외 증식을 유도하는 핵심 기술을 개발하였음 (Cell Research, 2011). 그 다음의 목표로서 혈액-줄기세포들을 상황에 따라 증식시키거나 휴면/동면을 유도할 수 있는 줄기세포-세포주기 조절 원천기술을 개발하고자 하였음. 더 나아가 줄기세포와 줄기세포-보금자리의 창의적 기초연구를 통한 혈액질환관련 치료제를 개발함으로써 고통 받는 환자분들께 희망을 드리고자 함.
에피소드가 있다면
1. 최상위 혈액줄기 세포는 뼈 안에 0.01%이하의 매우 적은 수로 유지되고 있음. 따라서 유전자/단백질 분석과 세포배양 등 거의 모든 연구들에 시간적, 기술적 어려움이 있었음. 특히 참여한 대학원생들이 실험을 하면서 단 하나의 세포도 손실되지 않기 위해 매우 긴장하면서 최선을 다해 연구에 임하였음.
2. 쥐의 뼈에 소수 존재하는 최상위 조혈줄기세포를 “있는 그대로” 보여주기 위해서, 뼈-전체의 면역형광염색기법을 최적화 하는데 오랜 시간이 걸렸음. 최상위 조혈줄기세포의 존재 위치를 다각도에서 증명하기 위해서 수많은 시행착오를 겪은 바 있음.
3. 논문의 리비젼을 수행하는 중에, 연구팀이 새 연구소로 이사를 가게 되서 많은 짐과 자료들, 배양하던 세포들을 안전하게 챙기고, 다시 실험실 세팅을 하는데 많은 난관들이 있었음.
4. 매우 오랜 시간이 걸리는 줄기세포 연구의 특성상 연구자들이 주말, 새벽까지 실험하는 경우가 대부분 이었고, 논문심사중 저널측에서 요청한 수차례에 걸친 논문보완실험들은 매우 힘든 작업이었음. 한여름 밤에 자동으로 꺼지는 에어컨 때문에 연구진들이 힘들어 했었고, 이를 연구소 관리팀에 요청해서, 우리연구팀이 나갈 때 까지는 항상 에어컨이 시원하게 가동 되게 조취를 취하였음. 덕분에 지치지 않고 연구를 잘 마무리 할 수 있었으며, 협조를 해준 서울대학교병원 의생명연구원/의학연구혁신센터에 감사하게 생각함.
꼭 이루고 싶은 목표는
1. 우리나라가 세계적인 줄기세포분야 선도연구 국가가 되는데 이바지 하려하고, 우리 연구팀 또한 세계 최고의 줄기세포 연구팀이 되는 것이 목표임.
2. 백혈병과 골수부전으로 인한 악성빈혈의 치료제를 개발하고자 함. 최적화된 골수이식 기술을 환자에게 적용하는 시기를 앞당기고자 노력하겠음.
3. 제 이탄인 후속연구가 마무리되어 가고 있는데, 혈관 재생의 새로운 기전을 밝히고 있음. 이를 토대로 심혈관질환의 치료제도 동시에 개발하고자 함.
신진연구자를 위한 한마디
1. 선후배, 교수님들과 활발하고 솔직한 의사소통이 중요 함.
2. 세포, 분자등을 직접 손으로 그림을 그려가며 우리 몸속, 세포내의 real world를 적극적으로 알아내려고 해야 함.
3. 기존 연구의 정석, 정설 등을 외우고, 의심하고, 잊은 후에 창의적으로 다르게 생각하고 무엇보다 실천하는 것이 중요.
4. 겸손하고 성실하게 하루하루 발전함과 동시에 자신을 믿고 포기하지 않는 게 중요 함.
그림 1. 본 연구를 요약한 그림
혈액계가 안정화 되어 있을 경우, 골수에서 다크(DARC)양성 대식세포가 카이-원(KAI1; CD82)양성 최상위 혈액-줄기세포를 휴면 상태로 잠재우고 있음. 골수에 독성약물이나 방사선조사에 의해서 골수의 세포들이 전멸하게 되면, 최상위 혈액줄기세포의 카이-원 분자가 사라지면서 깨어나게 되고, 이를 통해 증식, 분화하여 다양한 혈액 줄기세포들과 함께 각종 혈구세포들을 만들어 냄.
그림 2. 최상위 혈액줄기세포(LT-HSC)의 표면에만 카이-원이 발현됨.
골수에서 LT-HSC, ST-HSC, MPP를 분리한 후, 중합효소연쇄반응(PCR)과 면역형광(IF)기법을 통해 다양한 테트라스파닌의 발현양을 비교해본 결과, LT-HSC에서 카이-원(CD82)의 발현이 매우 높음을 확인함.
그림 3. 골수에서 카이-원(CD82)발현 혈액-줄기세포와 다크(DARC)발현 대식세포가 붙어서 존재 함.
골수내에서 면역형광(IF)기법을 통해 카이-원(CD82, 파란색) 발현 혈액-줄기세포와 다크(DARC, 하얀색)발현 대식세포가 상호작용하고 있음을 확인함. 이 두 세포 들은 주로 뼈 혹은 세동맥 근처에서 서로 인접해 있음.
그림 4. 다크(DARC)가 카이-원(CD82)의 내포작용(endocytosis)을 억제함.
최상위 혈액줄기세포(LT-HSC)의 단독 배양 또는 다크 유전자 발현 조작 대식세포와 공배양 한 후 면역형광기법을 통해 카이원의 내포작용(endocytosis)을 비교해본 결과, 혈액줄기세포 증식조건 하에서 다크의 자극이 없을 경우 카이-원의 내포작용이 일어남을 확인함. 그러나 재조합 다크 단백질을 사용하면 이러한 혈액-줄기세포 표면 카이-원의 내포작용을 막을 수 있음.
그림 5. 카이-원(CD82)에 의한 최상위 혈액 줄기세포(LT-HSC)의 세포주기 조절 기전 설명
골수에서 최상위 혈액줄기세포의 카이-원(CD82) 분자와 대식세포의 다크(DARC)가 결합하면, 최상위 혈액줄기세포는 활동 없이 잠들어 있는 세포주기 상태(휴면)로 유지됨.
본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다.
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