지속적 지원 있어야 줄기세포 기술 조기확보 가능
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역분화줄기세포 이용한 신약 개발 중
2006년 일본 교토대학 신야 야마나카 교수에 의해 제안된 역분화 기술은 지속적으로 기술적 발전을 거듭하고 있으며, 최근 연구는 환자로부터 채취한 체세포를 이용해 역분화 유도 배양과정을 거쳐 역분화줄기세포를 확보하고 이를 이용해 환자 면역-적합성 세포치료제 및 신약을 개발하는데 노력이 집중되고 있다.
배아를 파괴하지 않고도 환자 자신의 체세포로부터 인간배아줄기세포와 유사한 성능의 줄기세포를 확보할 수 있다는 점에서 기술적 가치가 높이 평가되고 있으며, 환자 고유의 질환-연관 유전적 특성을 가진 역분화줄기세포는 세포 수준에서 질환의 발병원인을 규명하고, 치료법을 개발하기위한 인간 질환 모델로 개발해 가능성 및 잠재력이 지속적으로 검증되고 있다.
하지만 환자-유래 역분화줄기세포를 다양한 분야에서 실질적으로 활용하고, 기술 개발 성과가 제품화 단계까지 진입하기 위해서는 역분화줄기세포와 배아줄기세포의 유사성·차이성에 대한 검증, 임상적용 가능한 비-바이이러스 성 역분화 기술 개발, 역분화 기술의 낮은 효율 극복, 종양 형성 가능성 등 선결돼야 할 과제들이 제시되고 있으며, 현재 이에 대한 해법을 찾기 위한 연구 노력이 진행되고 있는 실정이다.
세포 형태 및 증식률 유전자 발현 및 염색체 변형 특성, 전분화능, 테라토마 형성능, 키메라 형성능, 생식선 전이 등 다양한 방법을 통해 현 기술에 의해 제작된 역분화줄기세포와 배아줄기세포가 자가재생산능(self-renewal) 및 전분화능(pluripotency) 특성을 공유하고 있다는 사실이 검증됨과 동시에, 차이점 또한, 존재하고 있다는 것이 연구 결과를 통해 제시되고 있다.
역분화줄기세포-배아줄기세포 동일하지 않아
역분화줄기세포와 배아줄기세포의 유전자 발현을 비교 분석한 연구에서 전체적인 유전자 발현은 매우 유사하나 개체 간 차이를 고려하고도 완전히 동일하지 않음이 확인되었다.
이러한 유전자 발현 패턴의 차이가 역분화줄기세포 제작 과정에서 바이러스 벡터 사용에 의한 무작위 유전체 삽입, 전사인자에 결합하는 서로 다른 프로모터(promoter) 영향, 역분화줄기세포를 제작하기 위해 사용한 공여 체세포의 잔존 기억(cell memory)에 근거할 수 있다고 제안하고 있다.
Nissim Benvenisty 연구팀(Hebrew 대학, Jerusalem)은 Ceadrs-Sinai Medical Center, University of California 등과의 공동연구를 통해 66종의 인간역분화줄기세포와 38종의 인간배아줄기세포의 염색체 무결성(chromosomal integrity)을 비교, 분석하였으며, 분석된 역분화줄기세포의 20% 정도에서 염색제 이상을 관찰하였고, 이중 9% 정도에서 삼체성(trisomy)이 발견됨을 확인하였다.
본 연구팀은 역분화줄기세포에서 발견될 수 있는 유전적 변이는 1) 공여 체세포에서 유래하거나 2) 리프로그래밍 과정 또는 초기 계대 배양과정 중에 발생하거나 또는 3) 확립된 세포주의 장시간 배양과정 중에 발생할 수 있다는 가능성을 제시하고 있다.
Kun Zahang 연구팀(미국 캘리포니아대학)은 3만 padlock probe를 이용하여 역분화 과정 중 인간 염색체 12, 20, 34의 2020 CpG island내 66,000 CpG 영역의 DNA 메틸화 패턴을 분석했으며, 바이러스에 의해 제작된 역분화줄기세포의 경우 인간배아줄기세포에 비해 사이토신(cytosine)메틸화 경향이 더 높음을 확인하였다.
인간배아줄기세포와 다르게 나타나는 역분화줄기세포의 게놈(Genome), 에피게놈(Epigenome) 특성이 줄기세포의 자가재생산능 및 전분화능에는 표면적으로 영향을 주고 있지 않은 것으로 보이나, 역분화줄기세포의 분화 유도 잠재력에는 영향을 미칠 수 있고, 특히 종양형성의 원인이 될 수 있다는 지적이 나오고 있다.
Stephen B. Baylin 연구팀(Johns Hopkins University School of Medicine)은 역분화/리프로그래밍 유도 초기 과정과 역분화줄기세포에서 종양형성과 연관된 후성유전체의 비정상적 변화를 분석함으로써 역분화줄기세포 이용의 안전성 문제를 제시한바 있다.
이와 같은 연구 결과를 추가적으로 이해하기 위해서는 역분화 유도를 위해 사용된 바이러스를 제거했을 때 인간배아줄기세포와 유사한 정도로 메틸화 패턴이 조정될 수 있는지, 또는 단백질, 화합물을 이용한 다른 역분화 기술을 적용하였을 때도 이와 같은 특성이 나타나는지, 후성적 특성 변이가 줄기세포의 분화 잠재력에 영향을 미치는지에 대한 면밀한 분석과 검증이 필요할 것이다.
환자-유래 역분화줄기세포를 이용한 인간 질병모델 개발의 가치가 높이 인식되고 있으며, 한예로 dyskerin 유전자(DKC1) 돌연변이에 의한 텔로미어(telomere) 기능 결함이 원인인 선천성 각화 이상증(dyskeratosis congenita; DC) 환자에게서 제작된 역분화줄기세포에서 유전자 결함을 교정하지 않았음에도 텔로미어(telomere) 기능이 회복됨이 검증된 바 있다.
제1형 당뇨병, 자율신경기능장애(familial dysautonomia), 판코니 빈혈(Fanconi anaemia)을 포함한 다양한 질환 배경을 가진 환자로부터 지속적으로 역분화줄기세포 기반 질환 모델이 개발되어지고 있으며, 특히, 신약개발 과정에 요구되는 독성 검사용 환자-체세포 유래 맞춤형 간세포 확보 가능성을 제시하는 연구 결과가 보고된 바 있다.
하지만, 이와 병행하여 현 기술의 한계로 인하여 환자-유래 역분화줄기세포를 이용하여 질병 모델을 확립하는 것이 어려운 질환군 또한 제시되고 있다.
Fragile X syndrome은 CGG 증폭에 의한 FMR1 유전자의 불활성화가 주요 원인으로 FMR1 유전자의 후성적 특성 변화를 이해하는 것은 Fragile X syndrome을 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있다.
Nissim Benvenisty 연구팀(예루살렘 히브리대학)은 FMR1 유전자의 침묵(silencing)이 초기에 어떻게 일어났는지를 규명할 수 있는 모델 시스템으로 착상 전 FMR1 유전자의 돌연변이가 발견된 배아로부터 인간배아줄기세포를 확립했고, 미분화 상태의 인간배아줄기세포를 분석한 결과 FMR1 유전자의 돌연변이가 존재하지만, FMR1 유전자가 발현되고, 특히, 분화 상태에서 유전자 침묵이 유도됨을 검증한 바 있다.
이와 함께 Fragile X syndrome 환자-유래 역분화줄기세포를 비교 분석한 결과 비정상적인 CGG 증폭이 관찰되지만 FMR1 유전자의 침묵이 역분화 과정에 의해 초기화(reset)되지 않고, 공여 체세포와 같은 상태로 유지되고 있음을 검증함으로써 Fragile X syndrome 환자-유래 역분화줄기세포 모델을 이용하여 FMR1 연관 후성적 특성 변이를 관찰하는 것이 부적합함을 확인하였다.
연구팀은 Fragile X syndrome 환자-유래 역분화줄기세포가 인간배아줄기세포와 같이 분화가 진행됨에 따라 FMR1 유전자 침묵 현상이 유발되지는 않지만, Fragile X syndrome 유래 신경에서와 같이 FMR1 유전자가 메틸화되어 있고 유전자가 발현되지 않으며, 크로마틴의 닫힌 구조(closed cjromatin)를 형성하고 있어 신경세포에서의 FMR1 기능을 이해하는데 중요한 정보를 줄 수 있을 것으로 제안하고 있다.
인간배아·줄기세포간 유사성·차이점 이해 중요
지금까지의 연구결과들은 종합적으로 인간배아줄기세포와 역분화줄기세포 간의 유사성과 차이점을 이해하는 것이 연관된 기술을 개발하는데 매우 중요함을 시사하고 있으며, 현 기술의 한계에서 야기될 수 있는 유전적 변이(genetic aberration), 종양형성 가능성 등을 극복할 수 있는 기술 개발의 중요성을 지속적으로 강조하고 있다.
현재 다양한 분야(바이러스 벡터, 재조합 단백질, 비바이러스성 비삽입성 벡터(에피솜 벡터; Episomal vector), RNA, 화합물 등)에서 역분화 유도 효율을 증진시키고, 임상적으로 안전한 역분화 방법론을 모색하기 위한 기술 개발이 이루어지고 있으며, 서로 다른 역분화 유도 방법에 의해 야기될 수 있는 세포 성능의 차이를 면밀한 분석과 검증을 통해 확인하는 것이 필수적으로 요구되고 있다.
현재 개발 요구되는 역분화 기술은 수요를 충족할 수 있는 수준으로 역분화 유도 효율을 향상하고, 공여 체세포 유형별, 연령별, 조직 기원별 특성을 반영할 수 있는 있는 프로토콜을 제공할 수 있으며, 임상 적용의 리스크를 제로화 할 수 있는 기술일 것이다.
이를 위해서는 체세포로부터 전분화능을 수득하는 경로와 기전을 정확히 이해하는 것이 필수적이며, 국내적으로 지속적이고, 안정적인 연구지원이 기울여진다면 국산화 줄기세포 핵심 기술이 조기에 확보될 수 있을 것으로 기대한다.
메디칼업저버
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