KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2007-09-10
인간의 간에 대한 연구는 높은 생존율을 가지고 있는 인간의 간세포를 마련하는데 어려움이 있어 그 연구에 한계성이 있다. ‘Nature Biotechnology` 최신호에는 인간의 간세포를 생체 내에서 증시시킬 수 있는 새로운 생쥐 모델에 대해 보고하고 있다 (Nat. Biotechnol. 2007, 25:903910). 연구팀은 면역시스템이 억제되고 fumarylacetoacetate hydrolase (Fah) 유전자가 제거된 생쥐에 인간의 간세포를 이식하여 인간 간세포의 증식을 유도하였고 이로 인해 파괴된 생쥐의 간을 인간의 간으로 복구하여 정상적인 간의 구조와 역할을 회복시키는데 성공하였다. 이러한 ’인간화‘ 된 생쥐의 간 모델은 시체나 생체 간의 조직 절제를 통해 얻은 인간의 간세포를 증식시킴으로 인간을 대상으로 시행하지 못했던 다양한 실험을 생체 내에서 할 수 있는 계기를 마련하였다. 예를 들어, 약의 독성 테스트, 만성 B와 C형 간염 바이러스 감염에 대한 약의 개발 등 신약 산업에 큰 영향을 줄 것으로 기대되고 있다.
연구팀은 지난 16년간에 걸친 연구를 통해 간의 손상이 광범위하게 지속되는 환경에서 완전히 분화된 체세포 단계의 성체 간세포를 생체 내에서 대규모로 증식시킬 수 있음을 보여주었다 (Cell, 2007, 66:245256). 초기 연구과정에서 연구팀은 간에서 urokinase의 thrombolytic 작용을 연구하기 위해 urokinase plasminogen activator (uPA)가 과다 발현되는 유전자 변형 생쥐를 개발했다. 연구팀은 예상 밖으로 강력한 protease의 작용을 하는 urokinase 가 생쥐의 간에 잔류하여 간에 치명적인 손상을 가져오는 현상을 관찰했다. 이전 연구는 살아남은 생쥐에서 간세포의 재생이 일어난 것을 보고했고 b-galactosidase 염색을 통해 추적이 가능한 생쥐의 간세포를 uPA에 유전자 변형 생쥐에 이식한 실험에서도 12에서 14회 정도의 간세포의 분열이 이루어진다고 보고 되었다 (Science, 1994, 263:11491152). 연구팀은 fumarylacetoacetate를 fumarate, acetoacetate 와 succinate로 전환하는 Fah의 유전자를 제거한 유전자 변형 생쥐에서 성체의 간세포가 대량으로 증식되는 현상을 관찰했다 (Nat. Genet. 1996, 12:266273). Fah 유전자의 결핍으로 인해 maleylacetoacetate 와 fumarylacetoacetate의 축적은 염증반응이 유발시키는 간세포의 사멸을 가져온다. 그러나 2-(2-nitro-4-trifluoromethylbenzoyl)-1,3-cyclohexanedione (NTBC)는 maleylacetoacetate의 합성을 저지함으로 Fah 유전자 변형 생쥐에서 간의 손상을 막을 수 있다. 따라서 Fah가 결핍된 생쥐에서 간의 손상여부는 NTBC를 투여로 조절될 수 있다. 이러한 특성은 생쥐가 죽거나 간이 재생될 때 까지 간의 손상이 지속되는 uPA가 과다 발현되는 유전자 변형 생쥐와 비교해 볼 때 Fah 결핍 생쥐가 갖고 있는 장점이라 할 수 있다. 종전의 연구는 uPA가 과다 발현되는 유전자 변형 생쥐와 T와 B 세포가 결핍된 Rag2-/- 생쥐를 교배하여 면역시스템이 억제된 생쥐를 생산했고 이 생쥐에서 인간 간세포의 번식을 유도하였다. 그러나 uPA가 과다 발현되는 유전자 변형 생쥐는 교배나 관리의 어려움이 많고 태어난 직후 간세포를 이식해야 하는 기술적 불편함이 있다 (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1998, 95:310315 와 Hepatology, 2001, 33:981988).
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 uPA 생쥐 대신 Fah 유전자 결핍 생쥐를 이용하고 몇 가지 추가적인 방법을 사용했다. 연구팀은 우선 T , B, NK 세포가 결핍된 Fah, Rag와 IL-2rg 세 개의 유전자를 제거한 생쥐 (FRG)를 생산했고 이 생쥐에 uPA를 발현하는 adenovirus를 주사하여 간의 손상을 유도했다. 이어 인간의 간세포를 이식한 후 NTBC의 사용을 중단했다 (그림 참조). 예상대로 uPA의 발현과 NTBC 사용 중단은 간의 손상을 가져왔고 이것은 인간 간세포가 이식되어 증식할 수 있는 환경을 제공했다. 연구팀은 4번에 걸친 이식 과정에서 인간 간세포가 5 억 배 정도 증식되는 것을 관찰했다. 그러나 3번째 와 4번째 이식 결과에서 생쥐의 절반정도는 인간의 간세포가 이식되지 않았고 이식된 생쥐 중에서는 인간 간세포의 증식이 줄어드는 현상이 발견되었다. 연구팀은 이러한 현상이 정확하게 분리되지 않은 인간 간세포를 이용했기 때문에 간세포의 이식과 증식 효율이 감소된 것으로 설명하고 있다. 인간 간세포를 이식받은 FRG 생쥐 중 약 40%정도에서 간세포가 증식되었고 염색체의 불안전과 종양 발달의 원인을 제공하는 생쥐 간세포와의 융합 현상은 관찰되지 않았다.
이번 연구에 이용된 FRG 유전자 변형 생쥐는 약의 대사, 효소 유도, 간세포 특성의 생합성 기작들, 세포 대사물질의 탈 독성, 세포막 수용체, 이온 운반, 세포의 이동과 간염 바이러스의 감염, 복제, 지속, 항바이러스 치료와 바이러스가 매개하는 암의 발생을 포함하는 인간 간세포의 특성을 연구하기 위한 세포 배양과 생체실험에서 유용하게 사용될 것으로 전망되고 있다. Fah 유전자가 제거된 생쥐는 간의 줄기세포를 이용한 연구에도 활용되고 있기 때문에 이번 연구에서 개발된 FRG 생쥐는 인간 배아나 성체 줄기세포 (성체 간 줄기 세포를 포함한)가 간세포로 분화되고 증식되는 지를 연구하는 실험에서도 유용하게 사용될 것으로 기대되고 있다. 또한 FRG 생쥐는 바이오기술 과 제약 산업에서 인간을 대상으로 한 비용이 많이 드는 실험을 저렴한 비용으로 대체할 수 있는 방법으로 사용될 수 있는 가능성도 제시되고 있다.
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