체세포 복제, 즉 클로닝 기법(cloning techniques)에 의한 인간 배아줄기세포(hESCs) 창조! 지금으로부터 15년 전, 그것은 생물의학(biomedicine)에 혁명적 변화를 가져올 거라는 희망으로 환호를 받았다. 클로닝 기법을 이용하여 환자의 조직과 완전히 일치하는 조직을 만들면, 언젠가 당뇨에서부터 파킨슨병에 이르기까지 다양한 질병을 치료할 것으로 믿어졌던 것이다. 하지만 그 후 클로닝 기법은 윤리적 논쟁, 황우석의 사기극, 최근에는 경쟁기술인 유도만능줄기세포(iPSC)의 그늘에 가려 빛을 잃는 듯해 보였다. 대부분의 줄기세포 연구자들은 「클로닝 기법을 이용하여 환자 특이적 배아줄기세포(patient-specific ESCs)를 생성하는 방법」을 지나치게 까다롭다고 여겨 포기한 지 이미 오래다. 그러자 최근 조용한 논쟁이 다시 일기 시작했다: "치료를 위한 클로닝(therapeutic cloning)이 과연 필요하기는 한 걸까?"
이번 주 오리건 보건과학대학의 슈크라트 미탈리포프 박사(생식생물학)가 이끄는 연구진이 Cell에 발표한 논문은 이러한 논쟁을 재점화했다(참고논문 1). 연구진은 마침내 클로닝 기법을 이용하여 환자특이적 ESC를 창조하는 데 성공했으며, 이번 연구결과로 인해 "클로닝은 추구할 만한 가치가 있는 기법"이라는 사실이 입증되기를 갈망하고 있다.
치료 목적의 클로닝(therapeutic cloning), 좀 더 어려운 용어로 말하면 체세포 핵치환(SCNT: somatic-cell nuclear transfer)은 1996년 복제양 돌리를 만드는데 사용되었던 방법과 동일한 방법론을 사용한다. 즉, 공여자의 신체조직(예: 피부)에서 체세포를 채취하여, 핵이 제거된 미수정란(난자)과 융합시키는 것이다. 체세포와 융합된 난자는 공여자 세포의 DNA를 재프로그래밍(reprograming)하여 배아상태(embryonic state)로 전환시킨 다음, 초기 배반포 단계(blastocyst stage)까지 분열을 계속한다. 여기서 줄기세포를 수확하여 배양하면, 공여자의 조직과 유전적으로 일치하는 `안정적인 세포주(stable cell line)`, 즉 ESC가 탄생하며, 이것은 인체에 존재하는 모든 종류의 세포로 분화될 수 있다.
많은 과학자들은 SCNT를 이용한 인간의 ESC를 창조하기 위해 경쟁을 벌여 왔지만, 현재까지 아무도 성공하지 못했다. 2004년과 2005년 대한민국 국립 서울대학교의 황우석 교수는 수백 개의 인간 난자를 이용하여 2개의 ESC를 만드는데 성공했다고 발표했지만, 둘 다 거짓인 것으로 판명된 바 있다. 한편 다른 과학자들의 연구에서도 일부 진전이 있었다. 2007년 미탈리포프 박사는 원숭이를 대상으로 SCNT 세포주를 창조한 바 있으며(참고논문 2), 뉴욕 줄기세포재단의 디터 에글리 박사(생식의학)는 인간 SCNT 세포주를 만드는 데 성공했다(참고논문 3).하지만 에글리 박사가 만든 hESC에는 난자의 핵이 남아 있는 것으로 확인되었고, 결과적으로 `염색체 수가 비정상적이어서 의학적 사용이 제한된다`는 판정을 받았다.
미탈리포프 박사가 이끄는 연구진은 작년 9월, 대학 캠페인을 통해 모집한 젊은 여성으로부터 제공받은 난자를 이용하여 연구를 시작했다. 작년 12월, 몇 번의 실패 끝에 연구진이 만든 4개의 배아에서 채취한 세포들이 자라나기 시작했다. 연구진은 그것이 세포의 집락(colony)이라고 생각하고, 1mm 크기의 세포 덩어리를 조심스럽게 분리하여 새로운 배양판(culture plate)으로 옮겼다. 세포 덩어리는 새로운 배양판 위에서도 증식을 계속하는 것으로 나타나, 연구진은 성공을 확신하게 되었다. 미탈리포프 박사는 주말 계획을 취소하고 연구에 매달렸다. "나는 세포를 배양하며 크리스마스를 보낼 수 있어 너무 행복했다. 가족들도 내 마음을 이해해 주었다"고 미탈리포프 박사는 술회했다.
연구진의 성공은 약간의 기술적 조작(technical tweaks) 때문에 가능했던 것으로 보인다. 연구진은 비활성화된 센다이 바이러스(Sendai virus: 세포의 융합을 유도하는 매개체로 알려져 있음)를 이용하여 난자와 체세포를 결합한 다음, 전기자극을 주어 배아발생을 촉진시켰다. 한편 연구진의 첫 번째 시도에서 6개의 배반포가 생성되었지만 안정한 세포주는 아니었다. 이에 연구진은 카페인을 첨가하여 난자가 조기에 활성화되는 것을 막았다. 사실 연구진이 이번에 사용한 3가지 기술적 조작은 새로운 것은 아니다. 그러나 이번 연구의 의의는 이 기술들을 인간 세포에 적용하기에 앞서서, 1,000개 이상의 원숭이 난자를 이용한 테스트를 통해 최적의 조합을 찾아냈다는 데 있다. "연구진은 SCNT 분야의 프로토콜을 제대로 개선했다. 이것은 대단한 뉴스다. 나는 연구진의 방법론이 설득력이 있다고 믿는다"고 에글리 박사는 말했다.
"이번 연구는 6개월 만에 완료되었다. 그러나 많은 사람들은 이렇게 묻는다. `당신들은 2007년에 이미 원숭이를 대상으로 ESC를 만들어 낸 바 있어요. 그런데 인간의 ESC를 만들어내는데 6개월씩이나 걸린 이유는 뭐죠?` 이에 대해 나는 이렇게 대답한다. "대부분의 시간은 ESC와 관련하여 미국 정부의 허가를 받는 데 소모되었습니다"라고 연구진은 말했다. 연구진은 다양한 검사를 통해, 자신들이 만든 ESC가 모든 인간 세포로 분화될 수 있다는 것을 확인했다. (이들 세포 중에는 스스로 수축하는 심장세포도 포함되어 있다.)
연구진은 이번 연구를 실시하기 전에, 태아와 영아를 대상으로 가능성을 타진했다. 연구진이 만든 첫 번째 ESC는 태아의 피부세포를 이용한 것이었다. 나아가 연구진은 보다 성숙한 공여자의 체세포로도 ESC를 만들 수 있다는 것을 입증하기 위해, 희귀한 대사질환(라이 중후군)에 걸린 생후 8개월짜리 환자의 세포를 이용하여 ESC를 만들었다. 연구진의 방법론은 효율적이어서 미국 정부의 난자수 제한(prohibitive numbers of eggs) 규정을 어기지 않고서도 가능했다. 하나의 세포주를 만드는 데는 한 기증자가 제공한 15개의 난자가 사용되었고, 다른 세포주를 만드는 데는 또 다른 기증자들이 제공한 5개의 난자가 사용되었기 때문이다. "이번 연구에서 가장 인상적인 것은 효율성(efficiency)"이라고 보스턴 소아병원의 줄기세포 전문가인 조지 데일리 박사는 논평했다.
이번 연구의 성과는 많은 사람들에게 "SCNT 연구는 아직도 가치가 있다"고 확신시키기에 충분한 것으로 보인다. 하지만 그러기 위해서는 법적·제도적·윤리적 장벽이 너무 높다. 이번 연구에 난자를 제공한 여성들은 3,000~7,000달러의 보상금을 받았는데, 이는 상당한 금액으로, 일부 생물윤리학자들은 "빈곤층에 장기거래를 알선하는 미끼가 될 수 있다"고 우려하고 있다. 또한 이번 연구에 사용된 방법론은 배아의 파괴를 필요로 하기 때문에, 미 국립보건원의 연구비 지원을 받을 수 없다. 이는 SCNT 세포주에 관한 연구와 그에 따른 임상시험을 가로막는 장애물이 되고 있다. (미탈리포프 박사는 이러한 제도적 문제점을 피하기 위해, NIH의 연구비 지원을 받는 실험실을 별도로 운영하고 있는 실정이다.)
`SNCT 기술이 복제인간을 만드는 데 악용될 수 있다`는 세간의 우려도 문제다. "이번 연구는 대중의 `인간복제 히스테리(cloning hysteria)`를 불러일으켜 줄기세포 반대론자들이 득세하는 계기가 될 수 있다"고 유전학정책 연구소(플로리다주 팜비치 소재)의 버나드 시겔 소장은 말했다. 그러나 SCNT 기술을 이용하여 인간의 장기(organ)를 만드는 것과, 복제인간을 만드는 것은 차원이 다른 문제다. 이에 대해 미탈리포프 박사는 "지난 10여 년 동안 원숭이를 통째로 복제하려고 시도해 봤지만 실패를 거듭해 왔다"고 말한다. 연구진은 조만간 발행되는 책자를 통해, SCNT를 이용한 인간의 재생적 복제(reproductive cloning)가 불가능한 이유를 설명할 예정이다.
환자와 유전적으로 일치하는 환자 특이적 세포주(genetically matched, patient-specific cell lines)를 만들기 위해, 현재 데일리 박사를 비롯한 대부분의 줄기세포 연구자들은 다른 방법, 즉 유도만능줄기세포(iPSC) 쪽으로 방향을 튼 상태다. 2006년 일본 교토대의 야마나카(山中伸?) 교수가 최초로 만들어 노벨상까지 수상한 iPSC는 난자를 필요로 하지 않으며, 배아를 파괴하지도 않는다는 장점을 갖고 있다(참고논문 4). "이번 연구의 가장 놀라운 점은, iPSC가 대세인 오늘날 누군가가 아직도 ESC를 연구하고 있다는 사실"이라고 세르비아 레스코바츠에서 iPSC를 연구하며 불임클리닉을 운영하고 있는 미오드라그 스토이코비치 박사는 말했다.
그러나 데일리 박사와 스토코이비치 박사를 비롯한 많은 줄기세포 연구자들은 iPSC와 ESC 간의 직접적 비교결과가 나오기를 학수고대하고 있다. 최근 일부 과학자들이 "iPSC는 완벽히 재프로그램된 것이 아니며, SCNT를 이용해 만들어진 ESC가 `진정한 배아줄기세포`에 보다 더 가깝다"는 연구결과를 발표한 바 있기 때문이다. 미탈리포프 박사가 이끄는 연구진의 다음 연구계획은 `동일한 기증자에게서 유래하는 iPSC와 ESC를 만들어 양자(兩者)를 비교하는 것`이다. 많은 줄기세포 연구자들이 미탈리포프 박사의 다음 행보를 흥미롭게 지켜보고 있다.
※ 참고논문
1. Tachibana, M. et al. Cell http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2013.05.006 (2013).
2. Byrne, J. A. et al. Nature 450, 497?502 (2007).
3. Noggle, S. et al. Nature 478, 70?75 (2011).
4. Takahashi, K. & Yamanaka, S. Cell 126, 663?676 (2006).
