분자유전학실험실 (단국대학교 분자생물학과)



 송민선 ( 2005-12-19 11:16:19 , Hit : 4708
 http://bric.postech.ac.kr/trend/issue/2005/stemcell_050401.html
 Stem cell research

최근에 많이 issue가 되고있는 분야있니다.
전반적인 background지식을 줄수 있는 글이 있어서 올립니다.
많이 참고 하세요!!!
사진과 출처는 링크를 참고 하세요~~^^


1. 개요  
2004년 2월 세계최초로 치료목적의 복제(therapeutic cloning)인 체세포핵전이기술(SCNT, somatic cell nuclear transfer)을 통해 인간배아줄기세포(hES cells, human embryonic stem cells)배양에 성공한 국내 서울대 황우석, 문신용교수 공동연구팀의 연구결과발표를 계기로 현재 전세계적으로 생명과학계의 주요관심이 되고 있으며 2002년 미행정부의 태아줄기세포를 이용하는 연구에 대한 연방정부 재정적지원금지조치 및 최근 치매를 앓아온 레이건 전대통령의 사망과 관련되어 미국내 윤리적, 사회적 측면에서 논란이 되고 있는 "줄기세포연구"에 대한 배경, 연구진행현황 및 미래의 연구과제등은 다음과 같다.



2. 연구배경  
줄기세포(stem cells)는 성인의 몸안에서 발견되는 성체줄기세포(adult stem cells)와 발달단계에 있어서 전분화능력을 가진 미분화상태의 배아줄기세포(embryonic stem cells)로 나뉘어지다. 특히, 자가재생(self-renewal)하는 세포로 정의되어 있는 줄기세포가운데 배아줄기세포는 줄기세포 고유의 특성, 즉 전분화능력을 유지하면서 증식되는 잠재력을 가지고 있음으로써 많은 과학자들이 현재 배아줄기세포를 포함한 여러 종류줄기세포의 자기재생에 관련된 mechanism에 대해 연구중에 있다.

가. 성체줄기세포(Adult stem cells)

현재 널리 연구되고 있는 성체줄기세포로는 골수(bone marrow)에 존재하는 조혈줄기세포(hematopoietic stem cells)와 간엽줄기세포(mesenchymal stem cells), 그리고 탯줄에서 유래된 혈액줄기세포(umbilical cord blood stem cells)등이 있으며, 이가운데 이미 임상적으로 응용되어 백혈병(leukemia)과 같은 혈액암의 치료에 사용되어지고 있는 조혈줄기세포는 혈액세포생성뿐만 아니라 간엽줄기세포와 탯줄혈액줄기세포와 같이 지방, 연골, 뼈, 근육, 피부, 신경등 다양한 종류의 세포재생가능성이 검토되어지고 있으며(fig1) 그에따른 다양한 조직재생을 위한 임상적 응용가능성에 대한 연구가 진행되고 있다.


Fig 1. Hematopoietic Cascade. Illustration of the different cells within the blood that are generated by the hematopoietic stem cells


현재 조혈줄기세포를 연구하는 주요과학자들은 Dr. Irv Weissman (standford 대학 발달생물학 교수), Dr. Leonard Zon (Harvard의대소속 Children's Hospital 소아과교수), Dr. David Scadden (Harvard 의대소속병원MGH교수), Dr.Richard Mulligan (Harvard의대소속병원 Children's Hospital,유전학과교수), Dr. Ihor Lemischka (Princeton대 분자생물학 교수), Dr. Margaret Goodell (Bayler대 발달생물학 교수), Dr. Stuart Orkin (Harvard의대소속 Dana-Farber연구소 소아종양과 교수), Dr. Hiromisu Nakauchi (일본 Tokyo대 실험의학과 교수) 등이다.

나. 배아줄기세포(ES cells, Embryonic stem cells)

20년전 쥐로부터 처음 분리된 배아줄기세포는 그 이후 1998년 11월 미국 Wisconsin-Madison 대학의 James Thomson연구팀이 시험관 수정(IVF, In Vitro fertilization)을 통해 수정된 난자를 이용하여 처음으로 인간배아줄기세포(hES cells)배양에 성공한 이래 서울대 공동연구팀이 세계 최초로 SCNT기술을 통한 인간배아줄기세포배양성공한 바 있고, 약 200 종류의 기능적인 성체세포로 전환될 수 있다는 잠재성 때문에(fig 2) 현재 과학자들로부터 가장 주목을 받고 있다.

또한, 분화된 성체줄기세포와 특성이 다른 배아줄기세포의 확인방법으로는 배아줄기세포 특유의 세포형태 및 표면 marker을 통해 확인하는 것과 또한 면역결핍성(SCID)쥐에 배아줄기세포를 주입시 배아생식세포(embryonic germ)의 3층으로 구성된 teratoma가 형성되는지 여부로 확인된다.


Fig 2. pluripotency of derived human embryonic stem cells


현재 배아줄기세포를 연구하는 주요과학자들은 Dr. Douglas Melton (Harvard대 분자생물학 교수, 당뇨병관련 연구), Dr. Nissim Benvenisty (Israel Hebrew대 유전학 교수), Dr. Ronald Mckay (NIH분자생물학 교수, 신경재생관련연구), Dr. Rudolf Jaenisch (MIT,생물학과교수), Dr. Austin Smith (영국, University of Edinburgh, 줄기세포연구소교수), Dr. Shin-Ichi Nishikawa (일본 Riken 연구소 발달생물학 교수) 등이 있다.

다. 체세포핵전이기술(SCNT)를 이용한 줄기세포연구

서울대 공동연구팀이 세계최초로 인간배아줄기세포연구에 이용함으로써 관심의 대상이 되어온 SCNT기술(fig 3)은 배아줄기세포의 인간에 대한 임상적 응용측면에서 매우 큰 의미를 갖고 있다. 조직이식 및 성체, 배아줄기세포를 이용한 세포치료요법에 있어서 직면하는 가장 큰 문제점은 환자의 면역거부(immune rejection)반응인데, 이러한 난관을 극복하기 위해서는 SCNT기술을 통해 환자의 체세포(somatic cell, 피부, 심장, 신경세포등)로부터 추출한 유전물질DNA를 DNA가 이미 제거된 미수정 난자핵안으로 이식(transfer)시킨후 난자를 자극함으로써 세포분열을 유도, 세포분열후 로부터 5-6일내에 형성된 배반포(blastocyst)의 inner cell mass로부터 추출된 배아줄기세포를 환자에 이식함으로써 면역거부반응을 피할 수 있다.

따라서 동기술을 통해 분리, 배양된 배아줄기세포를 이용한 세포치료는 주요난치병인 당뇨병(diabetes) 및 치매(Alzheimer's), 파킨슨씨병과 같은 질환의 치료등 의학적 측면에서 무한한 가능성을 갖고 있다. 그러나, 재생목적의 복제(reproductive cloning)를 통해 성체(adult)의 'old' DNA로 대체되어 reprogram되어진 난자로부터 탄생된 복제양 Dolly와 같은 동물들이 거대증과 같은 기형 및 단명등의 신체적 문제점을 가지고 있는 것을 고려해볼 경우, 임상적인 응용에 있어서 환자의 'old' DNA로 대체되어 reprogram되어진 난자로부터 추출된 배아줄기세포의 안정성이 여전히 의문시되고 있다.


Fig 3. SCNT




3 .현재연구진행과정  
현재 연구분야로서는 배아줄기세포, 줄기세포분화, 조직줄기세포(tissue stem cell), 줄기세포자기재생, 줄기세포유전학(stem cell genetics)에 초점을 두고 있으며 국제줄기세포연구학회 (ISSCR, International Society for Stem Cell Research) 등의 학술회의를 통해 과학자들간의 줄기세포연구 현황발표 및 교류가 활발히 행해지고 있다. 또한 국내를 비롯한 미국, 영국, 일본등의 주요선진국들이 줄기세포연구소를 설립하여 본격적인 연구를 추진하고 있으며, 특히 인간배아줄기세포주(hES cell line)*의 분리 및 배양에 성공하여 동 세포주를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다.

*인간배아줄기세포주(hES cell line): 한개의 인간배아로부터 추출, 배양된 재생(reproduction)능력이 있는 세포군(colony) 가. 각국의 줄기세포연구소현황

한국: 서울대 문신용교수를 대표로 과학기술부지원하에 2002년 7월에 설립된 "세포응용연구사업단"는 인간전분화능 줄기세포주 확립 및 줄기세포의 분화관련연구개발, 줄기세포주의 국제화 및 임상응용관련기술개발, 임상적용 및 산업화를 연구목표로 하고 있으며 당뇨병 및 치매와 같은 질병치료연구를 주요연구대상으로 하고 있다.

미국: 2004년 4월에 설립된 하버드 줄기세포연구소(HSCI)는 민간후원 및 단체의 지원하에 Harvard대 분자생물학 교수 Dr. Douglas Melton 및 Dr. David Scadden를 대표로 하여 100여명의 과학자로 구성, Harvard내의 7개 관련학부 및 보스톤내의 하버드산하 7개의 전문병원이 참여하고 있으며 주요연구대상질병으로는 당뇨병(diabetes), AIDS 및 백혈병(leukemia) 과 같은 혈액관련 질환, 파킨슨씨병과 같은 신경퇴행성 질환, 심장마비와 같은 심장질환, 근육마비(muscular dystrophy)와 같은 근 골격질환등이다.

일본: 일본 RIKEN 연구소의 발달생물학교수 Dr. Shin-Ichi Nishikawa를 대표로 "줄기세포연구소" 가 설립되었으며 현재 동물을 대상으로 분화조절유전자에 대해 중점적으로 연구중에 있으며 인간배아줄기세포연구에 관해서는 국내의 황우석박사와 공동연구를 진행할 계획이다.

영국: 2004년 6월 Cambridge대학내 Dr. Roger Pedersen을 대표로 당뇨병 및 파킨슨씨병치료를 목적으로 하는 "Stem Cell Institute" 가 설립되었으며 배아줄기세포 및 성체줄기세포를 이용한 세포치료응용연구에 초점을 둘 예정이다.

나, 각국 줄기세포주(stem cell line)보유현황
전세계적으로 이용 가능한 인간배아줄기세포주는 약 129개이며, 이중 Harvard의대의 17개 세포주를포함하여 미국이 34개의 세포주를 보유하고 있다.

한국: 서울대 연구팀을 비롯하여 마리아 산부인과병원, 삼성제일병원, 포천중문의대, 미즈메드병원등에서 인간배아줄기세포주를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있으며 현재 분리, 배양에 성공 및 특성화(characterization)되어 있는 인간배아줄기세포주는 2005년 3월 현재 36개(1개 세포주가 미국립보건연구소(NIH)에 등록중)가 있으며 동 세포주들을 이용하여 주로 신경세포, 심장근육세포(cardiomyocyte), 인슐린을 분비하는 췌장의 beta세포, 간세포(hepatocyte)로의 분화조절유전자 규명, 분화관련조절mechanism등에 대한 연구가 진행중이다.

미국: Harvard의대의 Dr. Douglas Melton에 의해 분리 및 배양에 성공한 17개의 인간배아줄기세포주를 포함하여 총 34개의 세포주가 있으며 현재 NIH에 등록된 이용가능한 인간배아줄기세포주는 BG01-04, ES01-06등 약 10개로 알려져 있다.

일본: 현재 일본에서 자체적으로 배양 및 특성화된 인간배아줄기세포주는 약 3개이며 현재 해외로의 분양은 법으로 금지되어 있으며, SCNT기술 및 인간배아줄기세포에 의한 세포치료연구 허용여부에 관하여 현재 일본정부의 심의가 진행중에 있다.



4. 미래의 연구과제  
줄기세포를 이용한 세포치료연구와 관련하여 윤리적, 사회적논란과 함께 인간에게 적용시 부작용 발생가능성등 문제점이 제기되고 있으나 현재 인간성체세포를 이용한 심혈관질병치료가 임상적실험에서 긍정적인 결과를 보이고 있으며, 이를 바탕으로 앞으로 현재의학으로서는 치료불가능한 당뇨병, 치매, 파킨슨씨병과 같은 난치병 질환 모델 및 치료제 개발, 인체의 조직재생, 이식의학에 응용될 수 있도록 하는 것이 미래의 과제로 남아 있다.


5. 참고 자료  
The Stem Cell Challenge (Scientific American, 2004. 6)
Stem Cell Research (Boston globe, 2004. 2-6)
Therapeutic cloning no longer a dream, says scientist who produced first cloned embryonic stem cell
    (2004. 6. 30)
UK to open stem cell center (The Scientist. 6. 22)
Nancy's next campaign: Stem-Cell Research (Newsweek. 6. 21)
Bush defends stem-Cell limit, despite pressure since Reagan dealth(New York Timest. 6. 16)
MIT technology jump-starts human embyronic stem cell work (MIT, 7. 14)
Special section: Harvard Stem Cell institute 2004 (Harvard Gazette, 2004. 4. 22)
Cloning gets closer (Time, 2. 23)


6. Commentator  
서울대 문신용교수 (shmoon@plaza.snu.ac.kr)  







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