효율 높이고…위험성 낮추고…시간 줄이고…
역분화줄기세포 한계를 뛰어넘다

역분화줄기세포란?
　
역분화줄기세포(induced pluripotent stem cells: iPS)는 줄기세포가 아닌 다 분화된 체세포에 인위적인 자극을 통해 우리 몸을 이루는 모든 세포로 분화가능한 배아줄기세포와 같은 분화능력인 만능분화능을 가지게 된 세포를 말한다.

역분화줄기세포를 제작하는 방법은 섬유아세포 세포를 배양한 뒤 레트로바이러스를 사용해Oct4, Sox2, Klf4, c-myc의 4가지 유전자를 섬유아세포에 전달하면 배아줄기세포와 같은 분화능력을 가진 세포덩어리를 형성하고 이것을 일본 야마나까 교수에 의해 개발된 역분화줄기세포라고 말한다.

이 역분화줄기세포가 종전의 치료 가능한 세포로 알려진 배아줄기세포, 체세포복제배아줄기세포와 다른 점은 이 세포를 제작하기 위해 배아를 희생하지 않아서 윤리적 문제가 없고 그리고 환자의 체세포를 이용하여 제작하여 면역거부반응이 없다는 점에서 앞의 두 세포와 비교하여 우월하고 많은 환자, 연구자, 의료종사자, 제약회사를 비롯한 일반사람들로부터 큰 관심이 주목되고 있다.
　
Oct4 인자만으로 체세포 역분화 성공
　
야마나카 교수의 방법은 피부세포 약 1000개에 역분화를 시도하였을 때 그 중 1개가 역분화줄기세포로 된다는 굉장히 낮은 역분화 효율을 나타내고 무엇보다 역분화에 필요한 4가지 인자중 c-Myc과 Klf4가 발암유전자중에 하나라는 점에 의한 암발생의 위험성 그리고 역분화인자 전달시 사용된 레트로바이러스가 호스트게놈에 삽입되어 돌연변이를 일으킬수 있다는 점을 대표적인 문제점으로 지적할 수 있었다.

야마나카 교수의 기존 방식이 지닌 이 같은 한계를 극복하기 위한 많은 줄기세포 그룹들의 연구가 진행되어 새로운 역분화줄기세포 제작법이 개발되었다. 우선 4가지의 인자 중 발암유전자를 제거하는 연구와 역분화 인자의 수를 줄임으로써 호스트게놈에 삽입의 수를 줄이고 더 나아가 돌연변이의 가능성을 줄이는 연구가 진행되었다.
　
대표적으로 야마나까 교수에 의해 역분화에 사용된 4개의 인자 중 c-Myc 없이 나머지 3개의 인자인 Oct4, Sox2, Klf4만으로 역분화줄기세포를 제작하는데 성공하였고 그리고 필자에 의해 나머지 3개의 인자 중 다른 발암유전자인 Klf4도 없이 역분화줄기세포를 제작하였고, 결국은 나머지 2개의 인자인 Sox2도 역분화 유도에서 제거함으로써 Oct4 하나의 인자만으로 쥐의 체세포의 역분화에 성공하였다.

더 나아가 인간체세포도 OCT4 하나만으로 역분화가 가능함을 보임으로써 종전에 역분화에 사용된 발암유전자인 MYC, KLF4의 사용을 배제하고 급기야는 OCT4 하나만으로 역분화줄기세포를 제작함으로써 발암 유전자 없이, 호스트 염색체의 변형의 가능성을 최소화한 역분화줄기세포의 제작에 성공했다. 이렇게 OCT4 하나의 유전자만으로 역분화에 성공한 이유는 간단하다.

역분화를 유도하는 원료세포를 피부세포가 아닌 내재적으로 Sox2, Myc, KLF4를 발현하고 있는 신경줄기세포라고 하는 성체줄기세포를 사용한 것이다. 물론 피부세포도 4가지의 인자 중 MYC과 KLF4를 발현하고 있으며 후속 연구에서 OCT4와 SOX2만으로 역분화에 성공한 보고가 있다.
　
4가지의 역분화 인자를 사용하여 신경줄기세포에 역분화를 유도하였을 때 피부세포에 비해 약 100배에서 3000배 높은 역분화 효율을 나타내었고<표>, 역분화 시간은 3일로 초기 피부세포의 역분화 시간인 2주에 비해 약 5배 빠른 역분화를 보였다.
　
그리고 역분화의 중간세포 단계 마커인 SSEA-1과 alkaline phophatase (AP)를 발현하고 있음을 밝힘으로써 신경줄기세포가 피부세포에 비해 역분화를 유도하였을 때 더 짧은 시간에 높은 역분화 효율을 나타내고 또 하나의 인자인 Oct4만으로 역분화가 유도될 수 있는 이유는 역분화 유도인자중 3개를 내재적으로 그리고 중간세포 단계의 마커를 발현하고 있음으로써 가능하다는 사실은 밝혔다.

결론적으로 역분화의 유도에 있어서 내부적으로 역분화 인자를 발현하는 세포를 사용하면 외부적으로 그 인자를 처리해 주지 않아도 역분화를 유도 할 수 있다는 것이다. 그 후 많은 연구들이 역분화줄기세포의 실용화를 위해 실시 되었다.
　
하버드의 Konrad Hochedlinger 팀은 Science Express에 게재된 논문에서 역분화 4가지 인자를 아데노바이러스(adenovirus)를 이용하여 한시적으로 발현시키는 방법으로 마우스의 피부세포와 간세포를 역분화줄기세포로 전환시킬 수 있었다고 밝혔고, 이 방식은 레트로바이러스를 사용하였을 때 10~15일 정도 걸리는 것에 비해 아데노바이러스는 한달이 소요되고, 역분화 효율이 훨씬 떨어지고 등 역분화에 시간이 많이 걸리는 등의 문제는 있지만 역분화줄기세포 안전성을 획기적으로 개선한 것이다.

종전에 역분화 인자 자체를 바이러스에 담아 피부세포에 삽입해 iPS를 만들었지만 바이러스를 사용하지 않은 역분화 방법으로 DNA만을 transfection한 역분화, 그리고 역분화 4개의 인자 (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)를 실험용세포에 이식한 다음 여기서 만들어진 역분화 단백질을 추출하여 합성된 단백질을 사람 피부세포를 배양할 때 함께 처리하여 역분화를 유도해 역분화줄기세포를 제작하였다.

그리고 최근 하버드 의대 데릭 로시 교수는 바이러스 대신 일종의 유전정보 중간물질인 "메신저RNA"를 합성해 직접 주입했다. 메신저RNA는 어떤 세포 내에서 DNA가 지닌 정보를 단백질로 바꾸는 물질이다.

역분화 단백질만을 생산하는 특정한 메신저RNA를 안전하게 만든 뒤 투입해 돌연변이의 가능성을 줄이고 특히 이 방식은 기존의 방식에 비해 역분화에 걸리는 시간이 17일로 절반밖에 안 되었으며 이에 따라 역분화 효율도 100배까지 높아지는 것을 확인했다.
　
차세대 세포치료제 개발에 박차 가하자
　
미국 스탠포드대학의 Marius Wernig 박사가 역분화되어 다시 분화하는 종전의 방법이 아닌 바로 피부세포에서 신경세포로 교차분화를 성공하였다. 19가지의 신경 조직들이 발현하는 유전자들을 포함하는 lentiviruse를 마우스 배아 피부세포에 삽입했다. 32일 이후에 전형적인 신경 세포의 형태를 띠게 되었다.
　
그 후 19개의 유전자 중에서 3개의 유전자(Asc1, Brn2, Myt1l)들이 피부세포를 신경 세포로 분화시킬 수 있는 것을 밝혀냈다. 이 방법은 종전의 역분화줄기세포를 환자에 이식 후 분화하지 않고 남은 전분화능 줄기세포가 일으킬 수 있는 테라토마의 가능성을 완전히 배제한 방법이지만, 세포치료를 위해 충분한 수의 세포 확보가 어렵고 치료시 마다 많은 시간이 소요된다는 점이 아직 해결해야 할 과제다.
　
만약 전분화된 신경세포가 아닌 신경줄기세포를 피부세포에서 만들 수 있다면 종전의 역분화줄기세포와 직접교차분화의 단점을 모두 보안한 가장 획기적인 임상적용 가능한 세포치료제를 개발할 수 있는 방법이라고 생각하고 앞으로 줄기세포연구 분야에서 많은 선진연구그룹들이 직접교차분화를 중점적으로 연구할 것으로 기대된다. 임상적용에 있어서 세포치료제로 사용될 수 있는 방법의 장·단점은 다음과 같다.
　
역분화줄기세포는 줄기세포를 연구하는 사람뿐 아니라 정책을 만드는 그리고 일반인들도 이 세포의 중요성과 가치에 대해 인지를 하고 있을 것이다.

이렇게 국내, 외적으로 중요성이 증대되는 있는 지금 정부차원의 많은 지원이 뒤따라야 현재 급속도로 발전하고 있는 줄기세포연구분야에서 생존할 수 있는 방법이라고 생각되고 발암 가능성, 돌연변이 가능성 있는 역분화줄기세포가 아닌 이런 단점을 보안해 줄 수 있는 한발 더 앞선 차세대 세포치료제의 개발에 박차를 가하는게 세계 줄기세포연구에서 중요한 기술을 선점하고 이끌어 갈수 있는 방법이라고 생각한다.

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