세포주

세포주(Cell line)란 분리된 세포를 적절한 배양 조건에서 계대 배양 할 때 세포계의 각 개체로 정의할 수 있으며, 세포주는 동일한 유전적 특성을 가지고 있는 것이 특징이다. 따라서 세포주는 적절한 배지와 조건에서 계속적으로 증식하는 세포를 의미하기도 한다.

목차

진핵생물체의 조직에서 세포를 분리하여 적절한 배지 조건에서 계대 배양을 통하여 세포주를 만들 수 있으며 또한 특성 세포의 선발과 클로닝(Cloning)에 의하여 세포주를 만들 수 있다. 세포주는 계통적으로 단일 세포에서 유래되었기 때문에 유전적으로 동일한 형질 특성을 가지고 있다. 그러나 계대 배양시 유전적 형질이 유지되지 않으면 동일 세포주로 볼 수 없다.

생물체를 구성하고 있는 세포는 극한 환경에 다다르거나 일정 시간이 지나면 노화되어 사멸하지만, 이러한 사멸과정 없이 지속적으로 세포분열을 하는 돌연변이 세포를 선별 또는 클로닝에 의해 세포주를 만들 수 있다.

세포주라는 용어는 박테리아(Bacteria)와 같은 원핵생물에는 사용을 하지 않고 대부분 진핵생물의 조직세포에 사용된다.

분화된 3T3 세포의 모습 (출처: 최인호/영남대)

실험실에서 배양된 세포는 제한된 횟수만큼만 분열하다가 결국에는 사멸한다. 이러한 제한적인 세포 수명을 지닌 세포주를 유한(有限)세포주라고 한다. 일반적으로 세포는 20에서 100회 분열을 할 수 있는데, 분열 횟수는 종, 세포계통, 배양 조건 등에 따라 좌우된다. 인간 세포는 일반적으로 50~100회 분열을 하지만 설치류 세포는 세포사멸 전 30~50회 정도 분열을 한다.

일부 배양된 세포는 형태가 바뀌고 특성이 변화하는데 성장이 빠르고 독립적인 배양이 가능하다. 이렇게 변형된 세포에서 유래된 계통은 무한적인 증식이 가능하기 때문에 무한증식 세포주라고 한다. 연속 세포주는 형질 전환으로 만들 수 있으며 사멸하지 않고 암세포와 같은 특성을 지닌다. 무한증식 세포주를 만들기 위하여 형질전환된 세포는 원시세포(primary cell)로부터 얻을 수 있는데 자연적으로 전환된 세포를 선별하거나 염색체의 양 끝부분에 존재하는 텔로미어(Telomere)의 길이를 유지시켜주는 텔로미어 신장효소(텔로머레이스, Telomerase) 혹은 바이러스(Virus) 유래 단백질인 SV40LT을 세포에 과발현(過發現; over expression) 시키는 방법을 사용한다. 연속세포주는 유한세포주 보다 성장이 빠르고 혈청 요구성이 낮고 클로닝 효율이 높기 대문에 실험실에 많이 사용된다.

세포 동정(identification)을 위하여 세포주에 특정 코드를 부여한다. 예를 들어 NHB-2-1은 정상 인간 뇌로부터 얻어진 세포로 2는 세포주 번호이며 1은 클론 번호를 의미한다. 유한 세포주인 경우에는 분열 횟수를 / 뒤에 표시한다(NHB2/2).

세포주에 이름을 부여할 경우에는 문헌상에 보고한 것과 혼란이 생기지 않도록 하는 것이 필요하다. 학술지와 같이 문헌에 게재할 때에는 세포주 이름 앞에 기관 혹은 실험실을 나타내는 코드를 접두어로 사용한다. 예를들어 세포주 이름 앞에 NCI가 있으면 이는 국립 암 연구소(National Cancer Institute)를 의미하는 것이다.

전 세계적으로 연구실에서 개발된 수많은 세포주가 등록되어 있는데 대표적인 몇 종을 소개하면 다음과 같다.

연구 등을 목적으로 세포주를 선정하기 위해서는 다음과 같은 요인을 고려해야 한다. 

1) 종(Species)

동물 종에 따라 다양한 세포주가 개발되어 있는데, 일반적으로 비인간 세포주는 생체 독성 위험이 적다. 목적하는 연구가 인간에 대한 항암제 혹은 신약 개발을 위한 기초 연구라면 인간에서 유래된 세포를 사용하는 것이 좋다. 

2) 유한 또는 연속 세포주

연속 세포주는 성장이 빠르고 배양 및 클로닝이 쉬어 분자 생물학적 연구에 적절하다. 하지만, 연속 세포주가 그 세포의 특징을 고유하게 유지하고 있는지에 대해선 많은 의문이 있다. 따라서, 연구목적에 따라 배양이 더 어려운 유한세포주를 선택하기도 한다. 

3) 정상 세포 또는 형질 전환 세포

형질 전환된 세포는 성장이 빠르고 적절한 환경이 유지된다면 사멸하지 않고 계속 분열한다.  실험 목적에 따라 정상 세포 혹은 형질전환된 세포를 선택해야 한다. 

4) 성장 특성

세포 분열시간, 현탁액에서의 성장 여부, 포화도, 및 복제효율 등과 같은 세포 성장 특성을 고려 해야 한다. 

5) 안정성

세포주의 안정성은 복제(cloning), 저장 및 보관에 중요한 영향을 미친다. 

6) 표현형 발현

세포주가 명확한 표현형 발현 능력을 가지고 있는지를 확인해야 한다.

세포주를 규칙적으로 유지 관리하는 것은 매우 중요하며 가장 기본적인 관리는 세포의 형태관찰과 배양 배지의 교환이다. 세포 형태는 주기적으로 검사를 해야 하며 세포의 건강 상태를 확인해야 한다. 또한 오염여부 및 독소물질 혼입 여부 등을 점검해야 한다.

세포의 증식 여부에 상관없이 배양 된 세포주를 유지하기 위해서는 배지의 주기적인 교환이 요구된다. 분열하는 세포의 경우 배지를 더 자주 교체해야 한다. 배지 교환 주기는 세포의 성장 속도와 대사 속도에 따라 다르므로 세포의 특성을 파악하면서 교체 주기를 정해야 한다.

예를 들어, 빠르게 성장하는 형질 전환 세포(예 : HeLa)의 경우, 최소 매주 2회씩 새로운 배지로 교환해야 한다. 

다음은 배지 교환시 고려해야 할 요인을 열거한 것이다.  

1) 세포 농도

세포농도가 높으면 세포농도가 낮을 때보다 영양소 이용성이 높으므로 더 자주 배지를 교환해야 한다.

2) 수소이온 농도(pH)

배양 배지 pH는 세포의 생육에 영향을 미치는데, 대부분의 세포는 pH 7.0에서 최적 성장을 보이지만 배지의 pH가 6.5 부근으로 저하되면 성장이 정지되며 배양 배지의 pH가 이보다 더 낮아지면 사멸할 수 있다. 세포주 및 배양배지 종류에 따라 pH 저하 속도가 다르기 때문에 실험전에 pH 저하 속도를 조사해야 한다.

3) 세포 종류

배아 세포, 형질 전환 세포 및 연속 세포주는 성장이 빠르고 더 자주 배지를 교환해야 하며, 정상 세포주는 성장 속도가 낮아 배지 교환주기도 길다.

4) 세포 형태의 변화

세포 배양에서 세포 형태의 검사는 자주 수행해야 한다. 세포 형태의 변화는 세포에 치명적인 손상을 야기시킬 수 있으므로 세포 형태의 변화 여부를 주기적으로 관찰 해야 한다.

텔로미어 신장효소(텔로머레이스; Telomerase), 원핵생물(prokaryote), 진핵생물(eukaryotes), 클로닝(cloning)

오세종/전남대학교

나도균/중앙대학교

Patel, S.J. 2016. Plant and animal tissue culture. India: Laxmi Book Publication