줄기세포의 종류와 배아줄기세포의 핵심

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여러 가지 줄기세포 어떻해 만드나

줄기세포의 의의와 종류

최근 유전자에 관한 연구가 급증하면서 줄기세포라는 말이 신문을 비롯한 대중매체에 자주 오르내린다. 과연 줄기세포가 미래의 의학에 긍정적인 영향을 미칠 것인가? 또 줄기세포가 과연 윤리적인 문제는 없는가? 이에 본 지는 3회에 걸쳐 줄기세포와 관련해 국내 전문가의 의견을 들어본다

줄기세포, 만능－전분화능－ 다능성 세포로 분류

줄기세포란 아직 분화하지 않은 미성숙 상태의 세포로 체외 배양에서도 미분화 상태를 유지(self renewal)하면서 무한정으로 스스로 분열, 복제할 수 있으며 개체의 발달 시기와 위치하는 장소 등에 따라 생물체를 이루는 많은 종류의 서로 다른 세포로 분화되어 나갈 수 있는 세포들을 총칭한다.

이러한 줄기세포는 그 분화 능에 따라 크게 세 가지로 분류할 수 있다.

첫째, 만능세포(totipotent cell)는 하나의 완전한 개체로 발생해 나갈 수 있는 만능의 성질을 가지는 세포로 난자와 정자의 수정 이후 8 세포 기까지의 세포가 이러한 성질을 갖는다.
이 시기의 세포를 각각 분리, 자궁에 이식하면 하나의 완전한 개체로 발생해 나갈 수 있다.

둘째, 전분화능 세포(pluripotent cell)는 외배엽, 중배엽, 내배엽층 유래의 다양한 세포와 조직으로 발생할 수 있는 세포로서, 수정 4~5일 후 나타나는 배반포(blastocyst)의 안쪽에 위치한 내세포괴(inner cell mass)에서 유래한다.
이러한 세포가 배아 줄기세포이며, 다양한 다른 조직세포로 분화되나 새로운 생명체를 형성하지는 못한다.

전분화능을 지니는 줄기세포는 내세포괴 외에도 태아의 생식 융기(gonadal ridge) 부위에서 발생하는 원시 생식세포(primordial germ cell)로부터도 유래할 수 있다.
이러한 세포를 배아 생식세포(embryonic germ cell)라 하며 배아 줄기세포와 비교할 때 조금 약한 분화능과 분열 능을 지닌다.

마지막으로 다능성 세포(multipotent cell)는 이 세포가 포함되어 있는 조직 및 기관에 특이적인 세포로만 분화할 수 있는 줄기세포로서, 태아기, 신생아기 및 성체기의 각 조직 및 장기의 성장과 발달은 물론 성체조직의 항상성 유지와 조직 손상 시 재생을 유도하는 기능에 관여하고 있다. 이러한 조직 특이적 다능성 세포들을 총칭하여 성체 줄기세포라 고도한다.

배아줄기세포, 유전자 연구 및 특정 질환 모델동물 생산 업적 배아 줄기세포는 1981년 Evans와 Kaufman에 의해 생쥐에서 처음 시험관내에서 정상적인 이배체 핵형을 지닌 미분화 상태로 배양되었으며, 체외에서 무한대로 계대 배양을 통한 증식이 가능하고 착상전의 수정란에 주입되면 생식기계를 포함한 모든 세포와 조직으로 분화하여 chimera 동물과 배아 줄기세포 유래의 산자를 형성하는 전분화능을 갖고 있다.

체외에서도 면역 결핍 쥐에 주입 시 기형종(teratoma)을 형성하며 배양접시 위에서도 박동하는 심근, 신경계 세포로 분화되거나 embryoid body로 분화하여 발생 초기의 배아와 유사한 구조를 형성하게 된다.
이러한 배아 줄기세포는 그동안 유전자 재조합이나 유전자 적중 기술을 이용한 형질전환 동물 생산에 적용됨으로써 생체 내 유전자의 기능 연구 및 사람의 특정 질환 모델동물 생산 등의 큰 업적을 남기고 있다.

사람 배아줄기세포가 미래의학의 핵심

한편, 1998년 Thomson과 Gearhart 연구팀은 각각 사람의 배아 줄기세포와 배아 생식세포가 미분화 상태로 배양 가능하며 전능성을 나타낸다고 최초로 보고함으로써 사람의 줄기세포가 미래 의학의 핵심 연구로 주목받게 되었다.

배아 줄기세포는 배아를 배반포까지 발생시켜 그 안쪽에 위치한 내세포괴로부터 유도될 수 있다.

최근 미성숙 난자의 체외배양 및 수정, 배반포 발달이 성공되면서 호르몬 투여에 의한 배란 유도 없이 난자를 획득하거나 난소 적출술을 통해 얻은 난자를 이용하는 방법이 개발되어 이러한 과정은 보다 단순화되는 추세이다.
수정란이 4~5일 정도 지나면 1~2백 개의 세포로 이뤄진 배반포기 상태가 된다.

안쪽 위 부분에 세포 덩어리인 내세포괴가 있고, 아랫부분은 비어있는 형태다.
내세포괴를 분리하여 특수한 배양액에 넣어 분열만 거듭하는 미분화 상태를 유지하면서, 일부를 다시 새로운 배양액에 넣어 계대 배양하게 되면 무한정의 미분화 상태 배아 줄기세포를 얻을 수 있다.

이외에 유산된 태아로부터 원시 생식세포를 분리하여 배양할 경우 배아 생식세포를 획득할 수 있으며 체세포 핵이식 기술을 이용한 치료용 복제(therapeutic cloning)를 통해 배아 줄기세포를 얻을 수 있다. 배아복제가 진행되려면 환자의 세포로부터 얻은 핵을 난자의 핵과 치환하는 핵치환 기술이 필수적으로 요구된다.

세계 배아줄기세포주 상당수 검증 안돼, 실제 연구 응용 여부 불확실 최근 미국 국립보건원이 현재까지 공식 확인한 인간 배아 줄기 세포주는 미국, 스웨덴, 인도, 이스라엘, 호주에 소재한 10개 연구 기관에 총 64개인 것으로 알려지고 있고 국내에서도 일부 기관에서 3~4종을 보고하고 있다.
그러나, 이중 상당수는 아직 정확한 검증이 이루어지지 않았으며, 연구용으로 준비되지 않아 실제 연구 활동에 사용할 수 없는 것으로 알려졌다.

외배엽, 중배엽 및 내배엽층이 형성되는 장배 형성(gastrulation)이 시작되면서 배아 줄기세포(embryonic stem cell)는 점차 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력은 점차 제한되고, 줄기세포가 포함되어 있는 조직 및 기관에 특이적인 세포로만 분화할 수 있는 ‘다능성 줄기세포’ 형태로 각 조직 및 기관에 존재하게 된다. 이러한 다능성 줄기세포 즉 성체 줄기세포는 매우 희귀하게 존재할 뿐 아니라 특성이 상이하고 분리가 매우 어렵워 신경, 골수, 근육, 간, 췌장 등에서 부분적으로 발견되고 있을 뿐이다

그러나 제한된 분화능이란 기존의 성체 줄기세포의 개념과 정의가 최근 몇 년간의 연구에 의하여 크게 변화하고 있는데, 태아 및 성체의 각종 장기에 존재하면서 각 장기 및 조직 특이 세포로만 분화한다고 생각되었던 다능성 줄기세포를 그들이 존재하고 있는 조직 외의 다른 장기 및 조직에 놓아두었을 경우, 새로운 환경에 반응하여 새로운 거주지에 특이적인 세포로 분화함이 관찰되었다.

즉, 중배엽 성 유래의 간엽 줄기세포(mesenchymal stem cell)는 다른 중배엽 성 유래의 조직인 연골, 뼈 및 지방세포로도 분화함이 관찰되었고, 중배엽 성 유래의 조혈모세포(blood stem cell)는 근육세포로, 근육모세포(myoblast)는 조혈세포(blood cell)로 분화함이 관찰되었으며, 외배엽, 중배엽 및 내배엽 성 유래 조직이라는 한계를 가로질러 외배엽성의 신경줄기세포(neural stem cell)는 중배엽 성의 조혈세포 및 근육세포로, 중배엽 성의 조혈모세포는 외배엽성의 신경세포 및 내배엽 성의 간장 세포(liver cell)로 분화됨도 확인되어 줄기세포의 새로운 가소성(plasticity)이 밝혀졌다.

보다 극적인 사실은 외배엽성의 성체 신경 줄기세포를 병아리 혹은 생쥐의 낭포 배에 주사하여 숙주 및 공여 세포가 ‘chimera’를 형성하게 한 경우, 마치 배아줄기세포처럼 외배엽, 중배엽 및 내배엽 성 유래의 각종 세포 및 조직으로 분화함이 보고되고 본 공여 세포가 숙주세포에 통합(integration)되어 기능적으로도 충분하게 잘 활동하는지는 확인하지 않았다. 그러나 적어도 발달생물학적 관점에서는 이러한 현상이 성체 세포일지라도 충분한 극적인 발달학적 가소성을 보유하고 있다고 해석할 수도 있고, 단순히 특별한 세포 배양 기술을 발휘하여 세포를 탈분화(dedifferentiation)시킬 수 있음을 의미할 수도 있으며, 어떠한 다른 종류의 조직 및 기관 특이 세포로만 분화하는 다능성 성체 및 태아 줄기세포도 특별한 세포 발달 환경에 놓일 경우 ‘만능’ 혹은 ‘전분화능’한 배아 줄기세포로 바뀔 수 있는지는 더 연구하여야 할 과제이다.