유도만능줄기세포

iPS세포(유도만능 줄기세포)는 성체 세포에서 직접 제작할 수 있는 분화만능 줄기세포이다. 특정한 전사 인자 유전자를 성체의 체세포에서 발현시켜 세포를 재프로그램하여 유도만능 줄기세포로 전환시키는 방법이다. iPS 세포를 제작하는 획기적인 방법을 개발한 공로를 인정받아, 2012년 노벨 생리의학상은 일본 교토 대학의 신야 야마나카 (Shinya Yamanaka)와 영국 케임브리지 대학의 존 거든 (John Gurdon)에게 수여되었다.

목차

iPS 세포의 제작에서 가장 핵심적인 방법은 어떠한 ‘재프로그래밍 인자 (reprogramming factors)’를 사용하느냐에 있다. 2006년에 야마나카 (Yamanaka)연구진이 발표한 방법에서 사용된 ‘Yamanaka 인자’, 전사 인자 Oct4, Sox2, cMyc, Klf4가 좋은 예이다. 재프로그래밍 인자에 관한 지속적인 후속 연구를 통해서 전사 인자뿐만 아니라 miRNA와 같이 새로운 조절 인자도 속속 발굴되고 있다.

iPS 세포의 제작 방법은 다음과 같다(그림 1); (1) 성체에서 필요한 세포를 분리하고 배양한다. (2) 줄기세포를 유도할 수 있는 유전자를 바이러스 벡터를 이용하여 분리한 세포에 도입한다. (3) 도입된 유전자를 발현하는 세포를 배아줄기세포 마커 Fbx15로 표지하고 항생제를 사용하여 분리한다. 분리된 세포는 지지세포층 위에서 줄기세포 배양법에 따라 배양한다. (4) 형질 전환된 세포의 일부분이 iPS 세포로 재프로그램되어 배아줄기세포와 유사한 콜로니를 생성한다. 야마나카 (Yamanaka) 연구진은 줄기세포에서만 발현되는 유전자들을 여러 배합으로 하여 이 실험을 통해서 Oct4, Sox2, cMyc, Klf4를 ‘재프로그램 인자’로 선정하였다. 

그림 1. 유도만능줄기세포 제작 과정. 1) 세포 분리및 배양. 2) 바이러스 벡터를 이용하여 줄기세포 유도 유전자를 주입. 3) ES 세포 배양을 위하여 세포분열이 일어나지 않는 지지 세포 (feeder cell)과 함께 배양. 4) 이들 세포 중 몇 몇은 iPS로 변화하여 ES 세포와 같은 콜로니를 형성한다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AInduction_of_iPS_cells.svg

iPS 세포를 유도하는 과정은 오랜 시간이 걸린다. 생쥐 세포는 1-2 주, 인간 세포는 3-4 주가 소요된다. iPS 세포로 유도되는 효율도 매우 낮아서 0.01 ~ 0.1% 수준으로, 10,000개의 세포 중에서 얻을 수 있는 iPS 세포의 수는 1 ~ 10개 밖에 되지 않는다. 효율성을 높이기 위한 여러 가지 방법이 시도되고 있다. iPS 세포는 배아줄기세포와 마찬가지로 무제한 자기복제와 분화만능의 성질을 갖고 있으나, 이들 세포의 유전자 발현과 분자 구성은 배아줄기세포와 아세포의 중간 정도이며, iPS 세포를 배아에 주사했을 때 생존이 가능한 키메라 (chimera)를 만들지 못했다. 그러나 줄기세포 마커를 Fbx15 대신에 Nanog를 사용하여 배아줄기세포와 동일한 성질을 갖는 iPS 세포를 제작하였다. 현재도 여러 가지 배아줄기세포 특이적인 유전자를 사용하여 iPS 세포의 분화만능을 개선하는 노력이 계속되고 있다.

iPS 세포를 유도하기 위해서 최초로 사용된 세포는 섬유아세포 (fibroblast)이다. 섬유아세포를 얻기 위해서 피부 조직에서 떼어 내야하는 어려움이 있기 때문에 다른 조직의 세포을 사용하는 시도가 계속되었다. 2008년에는 인간의 뽑아낸 머리카락 끝에서 얻은 각질세포 (keratinocyte)를 사용하였다. 이어서 2010년에는 혈구 세포를, 2012년에는 소변에 포함된 콩팥의 표피세포를 사용하였다. 

저조한 유도율을 개선하기 위해서는 재프로그램 유전자의 효과적인 발현의 수준, 시점, 그리고 유전자 간의 최적화된 비율이 이루어져야한다. 특히 체세포에 설정되어 있는 유전적 및 후생유전적 환경을 고치기 위해서 뉴클레오솜의 구조를 조작하는 시도가 이루어지고 있다. 예를 들어, 종양억제 유전자 p53를 제거하면 리프로그래밍 효율을 증가시켜 iPS 세포 유도율이 개선되었다. 

체세포로 들어간 리프로그래밍 전사인자 유전자들은 게놈에 삽입되거나 돌연변이 되는 확률이 상당해서 이를 낮출 수 있는 방법이 필요하다. 현재까지 가장 효과적인 방법은 플라스미드, 아데노바이러스, 트샌스포손에서 유래한 벡터를 사용하는 것이다. 

리프로그래밍 전사인자는 c-Myc와 같은 종양유전자를 포함하고 있어서 iPS 세포에서 분화된 세포의 암 발생율이 증가할 가능성이 있기 때문에 이를 개선하기 위한 노력이 계속되어 왔다.

야마나카 (Yamanaka)는 종양유전자 c-Myc를 사용하지 않고도 iPS 세포를 유도하여 제작한 키메라에서 암의 발생율을 현저하게 낮추는 방법을 개발하였다. 

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1. 필수세포생물학 (Alberts, 4판, 교보문고)

2. Takahashi, K., Yamanaka, S. (2006). Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 126 (4): 663-76.

3. Essentials of Stem Cell Biology (Lanza, 3판, Academic Press)