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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-31
처음으로 줄기세포를 이용해서 인간의 수정문제를 해결할 수 있는 방법을 개발할 수 있게 되었다. 이스라엘과 영국의 연구자들은 인간 정자와 난자의 전구세포를 배양접시에서 만들어냈으며 이 세포는 한 사람의 피부세포에서 만든 것이다. 이러한 성과는 불임문제를 해결할 수 있는 발달과정이지만 논란과 규제가 될 것이다. 이번 연구는 학술지 <Cell>지에 발표되었으며 처음으로 실험쥐에서 발달된 인간의 한 부분을 재창조한 것으로 이 과정에서 유도만능줄기세포 (iPS)는 어떤 형태의 세포로 발달할 수 있도록 재프로그램될 수 있으며 정자와 난자를 인공수정과정에서 조작하는데 사용된다.
지난 2012년 줄기세포 생물학자인 교토대학의 미티노리 사이토우 (Mitinori Saitou)의 연구팀은 최초의 인공적인 원시적인 생식세포 (PGCs)를 만들어냈다. 이 생식세포는 배아가 발달되는 과정에서 형성되는 세포이며 뒤에 정자와 난자가 된다. 사이토우는 배양접시에서 이 세포들을 만들었다. 그 과정은 유도만능줄기세포 기술을 통해서 배아와 같은 상태로 피부세포를 재프로그램하여 만들었다. 이들은 또한 배아줄기세포와 같은 결과를 얻었다. 비록 그의 세포들은 전구단계를 넘어서 발달하지 못했지만 사이토는 만일 그가 배양접시에서 만들어진 세포를 실험쥐에 이식하게 되면 정자로 성숙했으며, 만일 이 세포를 자궁에 이식하게 되면 기능적인 난자로 성숙하게 된다. 이 두 가지 정자와 난자는 인공수정에 사용될 수 있다.
인간에게서 유사하게 기능적인 생식체를 만들기 위한 노력은 PGC와 유사한 세포를 생산했지만 줄기세포가 생식체로 전환되는 성공률이 낮아서 다른 영역으로 확대하기 어려웠다. 이전에 이루어진 노력도 또한 병원에서는 사용할 수 없는 세포를 만들어내는 유전자를 첨가해야 했다. 캠브리지 대학의 아짐 수라니 (Azim Surani)의 연구팀과 이스라엘의 레호보트 (Rohovot)의 와이즈맨 과학연구소 (Weizmann Institute of Science)의 제이콥 하나 (Jacob Hanna)는 인공상태로 복제가 가능하게 했으며 이것은 사이토우가 인간에서 시도한 것의 전반부에 해당한다고 밝혔다.
생물학자들의 성공의 핵심은 정확한 시작점을 찾는 것이다. 인간에게서 이 실험을 반복하는데 어려움은 실험쥐와 인간의 배아줄기세포가 근본적으로 다르다. 실험쥐 배아줄기세포는 ‘순박한’ 상태지만 인간의 줄기세포는 덜 적응할 수 있는 ‘가장 근본적인’ 형태이다. 하지만 하나는 이러한 차이점은 2013년 그의 협력자들이 보고한 것처럼 세포를 비틀어 극복할 수 있다. 그의 연구팀은 인간줄기세포를 만들어 실험쥐의 상태처럼 ‘순박한’ 형태로 만들었다. 그는 “처음으로 우리는 사이토우의 프로토콜에 따른 세포를 사용했다. 결국 우리는 높은 효율성을 갖는 PGC를 얻어냈다”고 말했다.
수라니와 하나는 함께 25~40%의 효율성을 갖는 생식전구세포를 만들기 위해서 남성과 여성에서 배아줄기세포와 유도만능줄기세포를 사용했다. 캘리포니아 주립대학 로스앤젤레스 (UCLA)의 재생산 생물학 전문가의 아만더 클락 (Amader Clark)은 “수라니와 하나의 실험실은 높은 효율성을 갖는 전구생식세포를 만들 수 있는 방법을 찾아냈다”고 말했다. 원시생식세포의 특징을 이 세포들은 많이 갖고 있다. 특히 이들 ‘후성유전학적’ 패턴 (유전자 발현에 영향을 줄 수 있는 염색체에 대한 화학적 변화를 일으키는 것)이 원시생식세포와 유사하다. 이 연구팀은 인공적 PGCs에서 단백질 마커와 실제 유산된 태아에서 수집된 PGCs와 비교했을 때 유사점을 발견했다. 하나는 “이들은 사이토우가 인공 PGCs가 실ㅈ 실험쥐 PGCs와 유사한 것처럼 인간의 PGCs와 유사하다”고 말했다.
사이토우는 이 논문의 기작에 관한 논의는 아마도 이 과정에 대한 좀 더 깊은 이해와 통제법을 개발하는데 도움이 될 것이라고 말했다. 특히 인간에 있어서 SOX17이라 불리는 단백질은 중요한 역할을 하며 이것은 실험쥐에서 Sox2라 불리는 다른 단백질에 의해 그 역할을 한다. 배양접시에서 인간 PGCs를 개발하는 연구를 이미 수행 중인 사이토우는 이것은 “흥미로운 발견”이라고 평가하면서 전체적으로 이러한 세포를 만드는 일은 “이전의 모호한 연구에 비해서 좀 더 확실하게 정의되어야 할 것이며 결국 다른 연구를 위한 훌륭한 기반연구가 될 것”이라고 평가했다. 클락도 이에 대해서 동의하면서 “이번 논문이 특이한 점은 인간생식세포발달에 대한 기작에 관한 통찰력을 제공하고 있다”고 말했다.
실험쥐에서 다음 단계는 고환이나 자궁에 조작된 PGCs를 이식하여 사이토우의 전체 과정의 후반부를 완결하는 즉, 기능적인 정자와 난자로 발달시키는 연구이다. 하지만 하나는 그의 연구팀이 인간의 세포개발에 뛰어들 준비가 되어 있지 않으며 다른 사람들도 인공적인 PGCs를 인간에게 이식하는데 있어서 너무 많은 알려지지 않은 일이 많다는데 동의했다. 그는 인간의 인공 PGCs를 실험쥐의 고환이나 자궁에 주입하거나 비인간 영장류의 전체 실험을 시도할 것을 고려하고 있다. 그는 사이토우의 연구팀의 시험관에서 실험쥐의 난자와 정자의 발달을 완결시키려는 지속적인 연구는 인간에게 맞추어 조작할 수 있는 구성물을 찾게 될 것이다.
클락은 규제당국은 인간실험을 위해서 필수적으로 기술에서 병원으로 이전할 수 있도록 해야 하며 잠재적으로 불임 부부를 도울 수 있을 것이다. 미국에서는 연구목적을 위해서 인간배아를 만드는 연구를 위한 연구비 지원은 금지되어 있다. 이것은 새로운 기술을 위해서 반드시 필요하다. 이러한 규제상의 제한은 “해제되어야 하며 윤리적이고 안전하게 연구를 수행할 수 있는가에 대한 일반적인 가이드라인으로 대체되어야 한다”고 말했다. 원칙적으로 이 과정은 남성의 신체에서 난자세포를 만들어 낼 수도 있다. 이것은 다른 남성의 정자를 시험관에서 수정시킬 수 있으며 그 결과로 만들어진 배아를 다른 대리모에 넣어서 두 남자가 생물학적인 아기를 함께 가질 수 있는 가능성으로 이어질 수 있다. 하지만 기술적인 난관이 많이 존재한다. 특히 남성은 전구세포를 난자로 발달시킬 수 있는 자궁이 없다는 점이다. 또한 이러한 아이디어는 논란의 대상이 될 것이 확실하다. 하나는 “이러한 시나리오는 기술적으로 가능하지만 극복해야 할 난관이 많다는 점을 강조하는 것은 중요하다”고 하나는 말했다. 두 여성이 생물학적인 아이를 함께 갖는 것은 좀 더 어렵다. 그 이유는 남성만이 Y염색체를 갖고 있으며 이것은 정자세포의 생산에 핵심적이기 때문이라고 저자들은 주장했다.
출처: <네이처> 2014년 12월 26일 (Nature doi:10.1038/nature.2014.16636)
원문참조:
Irie, N. et al. Cell http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.12.013 (2015).
Kee, K., Angeles, V. T., Flores, M., Nguyen, H. N. & Reijo Pera, R. A. Nature 462, 222–225 (2009).
Gafni, O. et al. Nature 504, 282–286 (2013).
http://www.nature.com/news/rudimentary-egg-and-sperm-cells-made-from-stem-cells-1.16636
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