줄기세포를 얻는 3가지 방법

▒배반포기에서 줄기세포 되라고 명령하는 마스터 유전자 나노그(Nanog) 발견

[요약] [영국 에든버러 대학 오스틴 스미스(Austin Smith) 교수와 일본 나라 과학기술연구소 야마나카 신야(Shinya Yamanaka) 박사, 켈트족 전설의 ‘불사(不死)의 땅’을 의미하는 ‘나노그(Nanog)’라는 마스터 유전자(Master Gene) 발견 - 줄기 세포로 심장-간-피부 등의 장기(기관)와 조직 만들어 불치병 해결에 획기적인 실마리 제공 - 이 유전자만 통제할 수 있다면 극단적인 경우 줄기 세포가 아닌 일반 세포로도 장기와 조직을 만들 수 있게 된다. 유전학자들이 오랜 시간 동안 찾아 헤매던 ‘생물학의 성배(聖杯)’를 발견한 것과 같은 의미를 갖는다”고 논평, 그러나 아직 멀어(2003년 5월 29일)]¹⁾

2003년 5월 29일, 영국 에든버러대학(University of Edinburgh) 오스틴 스미스(Austin Smith)²⁾교수와 일본 나라 과학기술연구소(Nara Institute of Science & Technology)³⁾의 동물분자공학(Animal Molecular Technology)⁴⁾과의 야마나카 신야(Shinya Yamanaka) 박사 연구팀이 쥐의 배아 줄기 세포에서 마스터 유전자를 발견했다. 그간 유전학자들이나 생물학자들이 그처럼 오랜 시간 동안 찾아 헤매던 ‘생물학의 성배(聖杯, A holy grail of biology)’인, 배아 줄기 세포(embryonic stem cells)에서 특정 세포가 되라고 명령하는 마스터 유전자(Master Gene)를 발견한 것이다.

따라서 이 마스터 유전자를 잘 활용하면 특정 세포나 조직, 더 나아가 장기나 기관 등으로 배양하여 병든 각 장기들을 대체해 불치병을 고칠 수 있는 획기적인 전기가 마련된 것이다. 그러므로 그간 배아 줄기 세포만을 갖고 연구하던 것들이, 이제는 어떤 일반 세포에서도 이 마스터 유전자를 조작하면 원하는 각종 줄기 세포들을 배양할 수 있을 것으로 기대하는 것이다.⁵⁾다만 본 절을 이해하려면 먼저 소개되는 기본 용어 및 줄기 세포란 무엇인지를 알고 있어야 한다.

1. 기본 용어 설명

인간의 몸(Body)을 분해하면 장기(Organ)가 나온다. 소위 말하는 오장 육부나 각종 눈, 귀 등의 기관을 의미한다. 이 장기(기관)를 다시 분해하면 조직(Tissue)이 되고, 그 다음 줄기세포(Stem cell)가 되고, 그 다음 배아 줄기 세포(Embryonic stem cell)가 되고, 그 다음 배아(Embryo), 그 다음 배반포기(Blastocysts), 그 다음 세포(Cell) -> 23개의 염색체 ->666,000의 유전자 ->32억 쌍의 염기(Base)로 분해된다. 그런데 2005년의 현존의 의술은 바로 210 종류의 모든 인체 장기로 자랄 수 있는 만능세포(Pluripotent cell)인 줄기세포를 추출할 수 있다면 손상된 장기나 조직에 이식하거나 아예 줄기세포를 장기나 조직으로 성장시켜 장기이식이나 조직이식을 하자는 것이다.

* 줄기세포(Stem Cell) – 특화 되지 않은 세포로 무한정 분화(분열)될 수 있어 인체 내의 특화세포로 성장할 수 있다. 줄기세포는 210종류의 모든 인체 장기로 자랄 수 있는 근원세포로 이를 만능 세포(Pluripotent cell)라고도 한다. 무한히 분열하고 증식하며, 어떤 종류의 세포로도 분화할 수 있는 두 가지 능력을 갖췄다. 어디서 얻느냐에 따라 배아 및 성체(adult) 줄기세포로 구분한다.

* 배아 줄기 세포(Embryonic stem cell) – 배아에서 추출한 줄기 세포로 인체 내의 모든 세포로 분화할 수 있는 만능 세포이다.

* 성인(체) 줄기 세포(Adult stem cell) – 성체 조직인 골수, 피부, 근육 등에서 추출한 줄기 세포로 이 또한 특화 되지 않은 세포이다. 하지만 배아 줄기 세포와는 달리 한정된 특화 세포로만 성장할 수 있다.

* 재생 의학(Regenerative medicine) – 줄기 세포들은 병에 걸리거나 손상된 조직들을 대체할 수 있다. 예를 들면 파킨슨병(중풍)의 현재 치료 방법은 없다. 따라서 줄기 세포가 손상된 신경세포를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

* 차별화(특화, Differentiation) – 특별한 임무를 수행하기 위해 차별화 된 세포들의 프로세스.

* 자기 재생(Self-renewal) – 하나의 줄기 세포가 무한정으로 분화(분열)하거나 스스로 자기 복제하는 것.

* 만능(Pluripotent) – 하나의 줄기 세포가 인체 내의 다양한 세포로 성장할 수 있는 능력.

* 배반포기(胚盤胞期, blastocysts) : 수정란이 분화되어 하나였던 난자(oocyte)는 2개→4개→8개→16개 등으로 분열한다. 난자의 세포가 늘어나는 것이다. 128개 정도까지 난자 세포가 늘어나는 단계를 배반포기(胚盤胞期)라고 한다. 인간의 경우4~5일 발달한 단계로, 안쪽에 장차 각종 장기로 자랄 내부 세포 덩어리가 있다. 이 세포 덩어리를 떼내어 성장시키면 줄기세포가 된다. 현재 과학자들이 추출하는 방식은 배반포기에서 추출하는 것이다. 그 이유는 배반포기까지가 시험관에서 키울 수 있는 한계라는 게 연구자들의 말이다. 인공적으로 자궁과 같은 환경을 만들어 주기 어렵기 때문이다.

* 배아(胚芽, embryo) : 수정란이 된 뒤 14일까지 수백 개의 세포로 분열되는 상태이다. 이 세포를 떼내면 줄기세포가 되지만 인공적으로 자궁과 같은 환경을 만들어 주기 어려워 이 완성된 줄기세포를 추출하는 것은 현재의 기술로 불가능하다.

2. 줄기세포의 추출 방법, 맞춤형 줄기세포 추출이 관건⁶⁾

줄기세포는 어디서 얻느냐에 따라 크게 배아 줄기세포와 성체 줄기세포로 나뉜다. 배아 줄기세포는 주로 불임 치료 후 남아 냉동 보관해 둔 수정란에서 얻는다. 냉동 수정란을 해동시켜 배반포기까지 배양한 다음 내부 세포덩어리에서 줄기세포를 추출해 낸다. 그러나 해동시키는 동안 배아가 손상될 가능성이 있고 연구를 위해서는 제공자의 동의를 받아야 하기 때문에 실제로 얻을 수 있는 줄기세포의 양은 많지 않다. 문제는 이 줄기세포를 다른 환자에게 이식하면 면역거부반응을 일으킬 수 있다는 점이다.

이런 단점을 극복한 것이 바로 황우석 교수팀의 인간배아복제 방법이다. 환자 자신의 체세포를 복제해 얻은 배아 줄기세포이기 때문에 당연히 면역거부반응이 일어나지 않는다. 자신만의 ‘맞춤형’ 줄기세포인 셈이다. 하지만 지금은 원하는 장기 세포로 분화시키기 어렵다는 단점이 있다.

이에 반해 성체 줄기세포는 성인의 몸 안에서 추출된다. 예를 들어 탯줄혈액(제대혈)이나 성인의 골수에서 여러 가지 혈액 성분을 만드는 줄기세포(조혈모세포)를 얻을 수 있다. 배아 줄기세포가 발생 초기에 만들어지는 ‘갓난아기’인 데 비해 성체 줄기세포는 ‘어른’에 해당한다. 성체 줄기세포는 상대적으로 많은 사람에게서 얻을 수 있기 때문에 환자의 면역반응 유형에 따라 맞는 것을 찾아 쓰기 쉽다. 물론 환자 자신에게서 얻어 이식함으로써 면역거부반응을 아예 없앨 수도 있다. 그러나 제대혈이나 골수에는 줄기세포 외에 다른 세포들도 섞여 있어 이 가운데 ‘알짜’ 줄기세포만을 분리하기가 쉽지 않다. 인체의 모든 세포로 자랄 수 있는 배아 줄기세포에 비해 분화능력이 떨어진다는 지적도 있다.

오일환(吳一煥) 가톨릭대 의대 교수는 “배아 줄기세포는 원하는 세포로 정확히 분화시키는 방법, 성체 줄기세포는 분화능력을 가진 세포만을 분리해 대량생산하는 방법을 중심으로 연구되고 있다”고 설명했다.

3. 배반포기에서 줄기세포 되라고 명령하는 마스터 유전자 나노그(Nanog) 발견

오스틴 스미스(Austin Smith) 교수와 야마나카 신야(Shinya Yamanaka) 박사 연구팀이 연구한 이 획기적인 생물학의 성배 발견은 Cell 저널⁷⁾에 자세히 소개되고 있고 미국의 워싱턴포스트지가 보도하고 있는데⁸⁾, 그러나 이들 과학자들은 이번 발견이 그간 정치적 윤리적으로 문제가 되었던 인간 배아 연구의 종지부를 찍는 것은 아니라고 경고하고 있다. 과학자들은 말하기를 이번 마스터 유전자의 발견으로, 이들 마스터 유전자들이 자연적인 배아 환경에서 어떻게 작용하고 있는지 등을 더욱 밝혀내게 됨으로써 이제부터 인간 배아 관련 연구들이 더욱 중요하게 되었다고 지적하고 있는 것이다.

하지만 전문가들은, 이번 연구는 인간과 거의 같은 쥐의 배아 세포에서 발견한 것으로, 이번 연구는 인간의 배아 줄기 세포의 신비스러운 기능들을 밝힌 것과 마찬가지라며, 따라서 조만간 인간의 몸이 필요로 하는 어떤 세포도 만들 수 있다고 말하고 있는데, 이와 같은 현상을 다양가능성(만능=Pluripotency)이라고 한다.

연구팀은 이 마스터 유전자를 켈트족 전설(mythological Celtic)의 ‘불사(不死)의 땅’을 의미하는, 즉 영원히 젊어질 수 있다는 불노장생의 ‘나노그(Nanog)’라고 명명했다. "지금까지 이들 다양가능성(만능)과 줄기 세포들은 하나의 블랙박스(a black box)였습니다. 정말입니다. 만약 우리가 미래의 언젠가 이들 줄기 세포들을 사용하기를 원한다면, 우리는 이들 줄기 세포들이 어떻게 콘트롤 되고 있는지를 반드시 이해해야만 합니다. 무엇이 나노그(nanog)인가? 이제 이 것을 이해하기 시작한 것입니다."라고 Austin Smith 교수는 말하고 있다.

이번 나노그의 경우, 이들 마스터 유전자들의 활동은 배아 분열 성장의 4일차 또는 5일차에만 활동하고 있는 것으로 나타났다. 세포의 관점에서 보면 이때의 상황은 모든 것이 가능한 상태이지만 어떤 세포로 성장할 것인지를 아직 결정되지 않은 때이다. 이 때를 배반포기라고 한다. 단지 쥐의 줄기 세포에서 발견된 것이지만, 그 구조가 인간의 것과 거의 같기 때문에, 인간의 나노그 버전(version)이라 해도 과언이 아니다.

Smith 팀은 이를 증빙하기 위해, 인간의 나노그 복사본을 쥐의 배아 줄기 세포에 주입(inserted)했다. 보통 때의 연구실 환경에서는 쥐의 나노그를 쥐의 줄기 세포에 주입하면 이들 나노그들은 줄기 세포들로 하여금 특정 조직으로 성숙하게 했는데, 그러나 실험 결과 인간의 나노그는 쥐에서 이러한 프로세스 과정을 방해했다. 인간의 조직과 쥐의 조직은 분명 틀린 것이다.

이는 무엇을 의미하는가? 쥐의 나노그가 쥐의 줄기 세포에서 역할을 하듯이 만약 인간의 나노그를 인간의 줄기 세포에 주입한다면 이도 가능할 것이라는 것을 의미하는 것이다. 만약 과학자들이 일반 성인의 성숙 세포에서 이들 잠자고 있는 나노그 유전자를 찾아내 깨울 수 있다면, 이는 현재 일본의 연구팀들이 조만간 시도할 실험인데, 그렇게 된다면 일반 성숙 세포에서 유전자 활동의 패턴을 재프로그램하여, 이를 일반 세포에 주입하면, 원하는 배아 줄기 세포들을 만들 수 있다는 것을 의미하는 것이다.

"조만간 이들 다양가능성(만능)에 대해 연구가 되고 더욱 많은 것을 알게 된다면, 앞으로 세포들을 재프로그램화 하여 우리 인간의 몸 어느 세포에서도 이와 같은 줄기 세포들을 만들 수 있을 것입니다"라고, 1998년 최초로 인간의 배아 줄기 세포를 추출한 Univ of Wisconsin 대학의 James Thomson⁹⁾ 과학자는 확신하고 있다. "이번 연구는 이러한 방향에 아주 중요한 단계입니다"라고 그는 말한다. 그러나 Thomson이나 다른 과학자들은 이 것이 그리 쉽지 않다고 경고하고 있다. "지금까지 밝혀진 중요한 인간의 유전자들이 나노그라고 밝혀진 것이 없었습니다. 이번 나노그의 발견은 줄기 세포의 기본을 이해하는 아주 근접한 하나의 연구에 불과한 것입니다. 우리는 지금 이순간 이들 나노그들이 어떻게 규정(regulated)되고 있는지 아무도 모르고 있습니다"라고 Yamanaka 박사는 말한다. 그만큼 이제 시작이라는 것을 강조하고 경고하는 말인 것이다.

다시 말하면 과학자들은 아직도 왜 초기의 배아 출현에서 나노그가 갑자기 나와 활동하는지? 누가 나노그에게 출현하여 활동하라고 명령하는지? 어느 시그널의 명령을 받고 있는지 밝혀내지 못하고 있는 것이다. 그래서 과학자들은 신약개발이나 화학적 칵테일을 만드는데 어려움을 겪고 있는 것이다. 지금까지의 과학자들의 실험 수준을 보면, 나노그 활동을 유전적 기술에 의해 인위적으로 켜거나 막고 있는데, 그렇게 함으로써 세포들의 특성이나 염색체의 정확한 배열들이 변하게 되어 아직까지 인간들이 사용하기에는 불가능한 수준인 것이다.

"이 문제를 풀어야 우리는 사닥다리의 맨 꼭대기까지 오를 수 있습니다."라고 Yamanaka 박사는 말한다. 따라서 많은 과학자들은 그렇기 때문에 인간의 배아에 대해 더욱 심도있는 연구가 필요하다고 지적하고 있다. 물론 반대하는 사람들도 많다. 정치적으로나 윤리적으로 말이다.

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1) 본 절은 차원용 소장이 2003년 5월에 정리하여 사이트에 공개한 내용을 수정 업데이트 한 내용이다. http://www.studybusiness.com/HTML/Bio/01851-07-2003-BIO-08-K.htm
2) http://www.iscr.ed.ac.uk/, http://www.businessweek.com/magazine/content/02_24/b3787622.htm, Austin Smith, austin.smith@ed.ac.uk
3) http://www.naist.jp/index_en.html
4) http://gtcw3.aist-nara.ac.jp/yamanaka/yamanaka.html, Shinya Yamanaka, shinyay@gtc.aist-nara.ac.jp
5) 본 절은 유전자 단이므로 황우석 교수가 시도하고 있는 배아줄기세포복제, 동물복제, 기타 인간복제는 <제5장-2절>에서 자세히 다루기로 한다.
6) 본 절 “줄기세포의 추출 방법, ‘맞춤형’ 줄기세포 추출이 관건” 및 그림 포함 출처 – 동아일보 - [난치환자 줄기세포 첫 추출]‘맞춤형’ 줄기세포 추출(20/May/2005) - http://www.donga.com/fbin/output?f=kas&code=ka_&n=200505200018
7) Cell, Vol 113, 643-655, (30 May 2003), “Functional Expression Cloning of Nanog, a Pluripotency Sustaining factor in Embryonic Stem Cells”.
http://www.cell.com/content/article/abstract?uid=PIIS0092867403003921
8) Washington Post - Stem Cell 'Master Gene' Found Ability to Manipulate It May Aid Therapy(30/May/2003)]
http://www.washingtonpost.com/ac2/wp-dyn?pagename=article&contentId=A55817-2003May29¬Found=true
9) http://www.news.wisc.edu/packages/stemcells/thomson_bio.html

- 차원용