iPS 세포, 질병의 맨얼굴을 비추는 거울이 되다
iPS 세포, 질병의 맨얼굴을 비추는 거울이 되다
  • 허정준 기자
  • 승인 2013.04.14 04:43
  • 댓글 0
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지난해 10월 ‘세포의 역분화 현상(cellular reprogramming)’을 발견한 공로로 일본의 야마나카 신야 교수(일본 교토대 iPS 세포 연구소 소장)와 영국의 존 거든 교수(영국 케임브리지대 거든연구소 소장)가 노벨생리의학상을 수상했다. 야마나카 교수는 2006년 유전자를 통해 체세포를 역분화하여 유도만능줄기세포 (induced pluripotent stem cells: iPS)를 만드는 데 성공하였다. 『대학신문』에서는 ‘재생의학의 새로운 길’이라 평가되는 iPS 세포가 세간의 주목을 받는 이유를 알아보고자 한다.


세포의 시간은 거꾸로 흐른다?

평균 수명 100세 시대가 다가오면서 재생의학에 대한 관심이 높아지고 있다. ‘재생의학(regenerative medicine)’은 인간의 세포와 조직, 장기를 대체하거나 재생시켜 원래의 기능을 할 수 있도록 복원하는 의학 분야다.
재생의학에서는 장기를 인공적으로 만들거나 돼지와 같은 다른 종의 장기를 이용하는 방식으로 환자를 치료하고자 노력해왔다. 하지만 환자의 몸에서 새로운 장기를 공격하는 면역 거부 반응이 일어났다. 이에 따라 인공장기나 이종장기뿐 아니라 이론적으로 몸을 이루는 모든 세포로 분화가 가능한 배아줄기세포(embryonic stem cell)¹를 이용한 재생의학 기술이 시도됐다. 하지만 배아줄기세포는 본래 인공수정을 통해 불임 치료에 사용하고 남은 수정란을 이용해 만들어지기 때문에, 이식 받은 세포는 피이식자의 몸에서 인공장기와 마찬가지로 면역 거부 반응을 일으킨다. 때문에 면역 거부 반응은 재생의학이 넘어야 할 큰 산이었다.

재생의학의 큰 산을 넘다

2005년 황우석 박사의 연구를 통해 우리에게 익숙한 ‘복제배아줄기세포’ 기술은 성숙한 체세포의 핵을 미리 핵이 제거된 난자에 이식해 배아줄기세포를 만드는 것이다. 이 방법을 이용하면 환자 자신의 세포와 동일한 세포, 즉 ‘환자 맞춤형 배아줄기세포’를 만들 수 있어 면역 거부 반응 문제가 해결된다. 하지만 배아줄기세포는 난자를 이용한다는 점과 개체가 될 수 있는 수정란을 이용한다는 점에서 종교적, 윤리적 논란을 일으켰을 뿐 아니라 황우석 박사의 논문 조작 사건 이래로 현재까지 전세계에서 성공 사례가 보고되지 않고 있다.
이러한 논란을 잠식시키기 위해 배아줄기세포에서 유래하지 않는 만능줄기세포²를 만들고자 하는 시도가 계속됐다. 수정란 발생 과정의 8세포기에서 배아를 파괴하지 않고 하나의 할구 세포만을 이용해 줄기세포를 만드는 방법, 정자를 이용해 줄기세포를 만드는 방법 등이 그것이다. 그러던 와중에 2007년 야마나카 신야 교수(Yamanaka Shinya, 일본 교토대 iPS 세포 연구소 소장)가 ‘역분화 인자를 이용한 세포의 초기화’에 성공하면서 그 이외의 시도들은 빛을 바랬다. 야마나카 교수는 복제배아줄기세포가 가졌던 면역 적합성뿐 아니라 윤리적 문제에서 자유로운 장점을 지닌 ‘iPS 세포(induced pluripotent stem cell)’를 발견한 것이다.

복제동물에서 시작되다

야마나카 교수의 발견의 시작은 노벨상을 공동 수상한 영국의 존 거든 교수(John Gurdon, 영국 케임브리지대 거든연구소 소장)의 1962년 연구로 거슬러 올라간다. 존 거든 교수는 개구리 알의 핵을 개구리 체세포의 핵과 치환한 후 자외선에 노출해 체세포를 제공한 개구리의 복제 개구리를 만드는 데 성공했다. 이 방법은 1997년 이언 윌머트 박사가 복제양 돌리를 탄생시키는 데도 이용된 것이다.
야마나카 교수는 ‘복제양 돌리’의 탄생에서 세포를 만능줄기세포로 만드는 새로운 아이디어를 떠올렸다. 복제양 돌리는 핵이 제거된 난자에 성숙한 양의 젖샘 세포의 핵을 이식해 태어났다. 여기서 중요한 점은 양의 젖샘 세포가 이미 분화된 세포라는 것이다. 이미 분화된 세포의 핵이 난자에 들어가 마치 시간이 거꾸로 흐르기라도 한 듯 미성숙한 세포로 돌아간 것이다³. 야마나카 교수는 난자 안에 성숙한 세포를 미성숙한 세포로 돌릴 수 있는 ‘무언가’가 있다고 판단해 난자와 배아줄기세포에서 활발히 작용하는 유전인자들을 분석했다. 약 2만5천개 정도의 유전자 중 100개 정도로 후보군을 좁힌 야마나카 교수팀은 1년간의 실험을 통해 24개의 유전자로 후보군을 더 좁혔고, 2007년 인간 iPS 세포를 만드는 4개의 유전자(Oct4, Sox2, c-Myc, Klf4, 야마나카 인자라 불림)를 발견했다는 사실을 「Cell」지에 발표했다.
iPS 세포 기술은 분화된 체세포의 생체시계를 되돌려 다능성(pluripotency, 동물 개체를 이루는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력)을 갖는 미성숙한 세포로 되돌리는데 이런 과정을 초기화 혹은 역분화라 부른다. 그런데 iPS 세포는 환자의 체세포를 역분화해 만능줄기세포를 만들기 때문에 환자에게 면역 거부 반응을 일으키지 않는다. 또 난자나 수정란을 이용하지 않기 때문에 배아줄기세포가 지닌 윤리적, 종교적 문제에서도 자유롭다. 이러한 장점으로 인해 iPS 세포 기술은 출현과 동시에 ‘재생의학의 새로운 길’로 주목을 받았다.

삽화: 선우훈 기자 mrdrug@snu.kr

안전한 기술의 확립을 위해 노력하다

기술의 안정성 문제의 개선
하지만 발표 이후 iPS 세포는 당장 세포 치료에 적용하기에는 안정성에 문제가 있다는 지적을 받았다. 야마나카 인자 중 하나인 c-Myc는 잘 알려진 ‘발암유전자’다. 발암유전자를 이용해 세포를 역분화하면 이후 남아있던 발암유전자가 세포에서 발현해 암을 유발할 수 있다. 이러한 위험성이 제기되면서 야마나카 교수는 c-Myc 인자를 사용하지 않으면서 iPS 세포를 만들 수 있는 방법을 찾기 위해 노력했다. 그 결과 야마나카 교수는 효율이 떨어지지만 c-Myc 인자를 제외한 세 개의 인자(Oct4, Sox2, Klf4)만으로도 세포의 초기화가 가능함을 발견했고 이를 통해 발암유전자에 대한 문제는 일단락 되는 듯했다.
발암유전자 문제가 해결된 후에는 야마나카 인자를 운반하는 데 이용된 운반체에 문제가 지적됐다. 야마나카 교수는 야마나카 인자를 체세포에 넣기 위해 ‘레트로바이러스(retrovirus)’를 이용했다. 그런데 레트로바이러스를 이용한 경우 야마나카 인자가 체세포의 DNA에 무작위적으로 삽입된다. 체세포의 DNA에 야마나카 인자가 삽입되면 세포의 DNA가 제 기능을 하지 못하고 불안정하게 된다. 만약 DNA의 중요한 부분에 삽입돼 세포가 정상적인 기능을 하지 못하면 암이 발생할 수도 있고 세포가 죽게 될 수도 있다. 실제로 2000년대 초 프랑스에서 복합형 면역결핍증(X-SCID)을 앓고 있던 10명의 어린이가 레트로바이러스를 매개체로 이용한 유전자 치료를 받다 2명이 백혈병으로 사망하는 사건이 일어나기도 했다.
이 문제를 해결하기 위해 다양한 접근이 시도됐다. 우선 야마나카 인자를 넣어 세포의 역분화를 일으킨 후 야마나카 인자를 다시 제거하는 방법(transposon, ‘Floxed’ viral vectors 이용)과 유전자 삽입이 일어나지 않는다고 알려진 운반체를 이용한 방법(adenoviral vectors, Episomal vectors 이용) 등이 이용됐다. 하지만 차혁진 교수(서강대 생명과학과)는 “이 방법들은 효율이 낮고 삽입이 전혀 일어나지 않는다는 보장을 할 수 없다”고 지적한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 하버드대 김광수 교수팀은 역분화를 일으키는 단백질을 넣어주는 방식을 시도해 2009년 성공했다. 실제로 역분화가 일어나는 데 필요한 것은 역분화를 일으키는 단백질⁴이다. 유전자를 넣는 경우 들어간 유전자가 단백질로 발현되는 과정을 거쳐 역분화가 일어난다. 단백질을 이용하는 경우 유전자를 넣어주는 것이 아니기 때문에 유전자 삽입으로 인한 안정성 문제는 완전하게 해결된다. 하지만 단백질은 입자의 크기가 커 세포에 직접 넣어주기에 어려움이 있어 역분화 효율이 매우 낮은 편이다. 차 교수는 “현재까지 단백질을 이용해 유전인자를 넣어 iPS 세포를 제작하는 것을 김광수 교수팀만이 성공했다”며 “김광수 교수팀은 현재 단백질을 이용해 역분화 효율을 높이기 위한 연구를 진행 중에 있다”고 밝혔다.
이후 효율성과 안정성을 모두 갖춘 방법을 찾던 노력 끝에 ‘메신저 RNA(mRNA)’와 ‘마이크로 RNA(miRNA)’를 사용한 방법이 발견됐다. 미국 메사추세스 공대(MIT)의 루돌프 예니쉬(Rudolf Jaenisch) 박사팀은 메신저 RNA를 이용해 iPS 세포 제작에 성공했고, 펜실베니아 의대의 에드워드 모리지(Edward Morrisey) 연구팀은 마이크로 RNA를 이용해 iPS 세포를 제작하는 데 성공했다. 두 방법 모두 유전자 삽입이 일어나지 않아 안전하고 역분화 효율도 높아 현재까지 많이 이용되고 있다. 여기까지가 2007년부터 2011년까지 iPS 세포 기술을 안정화하고 확립하기 위해 진행된 과정이다.

앞으로 남은 길
iPS 세포가 해결해야 할 과제들은 여전히 남아있다. 우선 iPS 세포는 다양한 세포로 분화하는 능력에 제한이 있는 것으로 보인다. 특정 세포가 iPS 세포로 역분화한 경우 그 iPS 세포는 역분화되기 전의 그 세포로 돌아가려는 경향이 있다. 예를 들어 근육 세포에서 역분화한 세포는 다른 세포보다는 근육 세포로 분화되는 경향이 강하다. 이를 ‘후천유전적 기억(epigenetic memory)’이라 부른다.
또 iPS 세포를 이용했을 때 면역 거부 반응이 일어났다는 연구결과가 2011년 미국 캘리포니아주립대 샌디에고 캠퍼스(UCSD) 연구팀에 의해 발표되기도 했다. 연구팀은 배아줄기세포와 iPS 세포 모두 생쥐에게 주입했는데 배아줄기세포를 주입한 부위에서는 테라토마(teratoma, 기형종)가 형성된 반면 iPS 세포를 주입한 부위에서는 테라토마가 형성되지 않았다고 밝혔다. 생쥐의 면역시스템이 배아줄기세포는 공격하지 않았지만 iPS 세포는 공격한 것이다. 테라토마는 종양으로 만능줄기세포의 분화 능력을 확인하는 기준으로 이용된다. 차 교수는 “면역 시스템이 왜 iPS 세포를 공격했는지에 대해서는 명확한 원인 규명이 되지 않았지만 여러 문제들이 배아줄기세포와 iPS 세포와의 미세한 차이에서 생긴다”며 “현재 iPS 세포를 배아줄기세포와 더 유사하게 만들기 위한 연구들이 진행되고 있다”고 밝혔다. 


치료와 연구, 환자와 가까워지다

맞춤형 세포치료제 개발
그렇다면 iPS 세포 기술은 어느 분야에 사용될 수 있을까. iPS 세포 기술은 우선 ‘맞춤형 세포치료제’를 만드는 데 사용될 수 있다. 환자의 체세포를 이용해 만든 iPS 세포에서 유전적으로 이상이 있는 부분을 수정한 후 환자에게 다시 이식해 질병을 치료하는 것이다. 예를 들어 파킨슨병 환자의 체세포를 이용해 iPS 세포를 만들고 그 세포를 도파민 신경세포로 분화시킨 뒤 유전적 이상이 있는 부분을 수정해 환자에게 이식하면 파킨슨병을 치료할 수 있다. 2007년 12월 iPS 세포의 치료 효능이 겸상적혈구빈혈증 연구에서 처음으로 입증됐다. 루돌프 예니쉬 박사팀은 겸상적혈구빈혈증 치료에 iPS 세포를 이용해 효과를 입증했다. 예니쉬 박사팀의 연구 이후 많은 연구팀이 iPS 세포를 이용한 치료법 개발에 주력하고 있다.
한편 iPS 세포로 인해 종양이 발생할 수 있다는 우려 섞인 시선도 있다. 만능줄기세포는 암세포와 여러 특성이 같다. iPS 세포와 배아줄기세포는 무한한 증식 능력과 다양한 세포로 분화할 수 있는 능력을 갖는다. 무한한 증식 능력은 암세포도 갖는 특징 중 하나다. 세포의 DNA 끝부분에는 ‘텔로미어(telomere)’가 있는데 텔로미어는 분열을 거듭할수록 점점 짧아져 텔로미어가 사라지면 세포는 더이상 분열할 수 없다. 따라서 텔로미어는 세포의 분열 능력의 한계와 관련 있다. 그런데 만능줄기세포와 암세포에서는 텔로미어를 길게 하는 효소(telomerase)가 활발히 작용해 분열 능력에 제한이 없다. 다만 암세포는 다른 세포로 분화할 수 있는 능력을 갖지 않고 암세포로만 분열한다는 점만 다를 뿐이다.
만능줄기세포는 기형종뿐 아니라 더 위험한 기형암종(teratocarcinoma)을 형성하기도 한다. iPS 세포의 역분화 과정과 확립된 세포의 장기간 체외배양 과정에서 염색체의 이상이 생길 수 있는데 이러한 유전적 이상의 누적이 기형종이 아닌 기형암종 발생의 원인이 될 수 있다. iPS 세포는 배아줄기세포에 비해 더 공격적인 테라토마를 형성하는 것으로 알려져 있다. 따라서 적절한 통제가 가해지지 않는 한 세포 치료 후 암을 유발할 수 있다.
암은 분화되지 않은 만능줄기세포가 환자에게 이식되는 경우 발생하기 때문에 암이 발병하지 않게 하기 위해서는 만능줄기세포를 분화하는 기술과 미분화된 세포를 제거하는 기술이 필요하다. 유도만능줄기세포를 특정 세포로 분화시킬 때 분화율은 100%가 아니다. 따라서 iPS 세포를 이용한 세포치료제나 이식 치료에서 미분화된 세포가 함께 이식될 수 있다. 예를 들어 100개의 만능줄기세포를 99%의 비율로 분화시켜 99개의 분화 세포가 만들어지고 1개의 미분화세포가 남아있어 함께 이식되면 이식된 이후 미분화세포가 무한 증식해 종양이 생기게 된다. 이에 김동욱 교수 (연세대 의학과)는 “분화한 세포를 순수하게 얻는 기술을 통해 해결이 가능하다”며 “현재까지 나온 줄기세포치료제들은 분화 기술과 미분화세포 제거 기술을 이용해 만든 것”이라 답했다.


질병 연구의 새로운 길이 되다
환자 세포를 이용해 만든 iPS 세포는 질병 모델로 이용할 수 있다. 이제까지는 질병을 연구할 때 생쥐와 같은 동물 모델을 활용해 연구했다. 하지만 iPS 세포를 이용하면 질병 모델은 획기적으로 발전될 수 있다. iPS 세포는 질병의 원인을 규명과 신약이나 치료법의 개발, 신약의 독성 테스트 등 질병 연구의 전반에 걸쳐 영향을 준다.
우선 iPS 세포는 질병의 원인을 규명하는 데 이용된다. 가령 파킨슨병 같은 경우 질병과 관련된 신경세포가 중뇌 부분에 있어 뇌의 손상없이 파킨슨병 환자의 신경세포를 얻을 수 없어 질병의 원인을 파악하는 데 어려움이 있었다. 그런데 환자에서 유래한 iPS 세포를 연구에 이용하면 질병의 원인을 밝히는 과정이 수월해진다. 환자 유래 iPS 세포를 대량으로 만들어 관찰하면 질병의 원인이 되는 물질을 파악할 수 있다. 또 iPS 세포를 여러 그룹으로 나눈 후 질병현상을 경감시켜 줄 것으로 예상되는 다양한 화합물을 처리해 관찰하면 질병의 완화나 치료에 효과가 있는 화합물을 찾을 수도 있다.
신약의 독성테스트에서도 iPS 세포는 장점을 갖는다. 이제까지는 신약의 독성을 테스트할 때 동물을 사용했다. 하지만 이제는 줄기세포에서 분화시킨 간세포, 심근세포, 신경세포 등으로 독성테스트를 수행할 수 있다. 기존에 질병 모델로 사용하던 동물 모델은 인간과 동물의 차이로 인해 동물 모델에서 효과가 있는 약이나 치료법이 인간에게는 효과가 없는 경우도 있었다. 그런데 iPS 세포를 통해 동물 모델을 거치지 않고 바로 인간 세포에 실험하게 되면 신약 개발 비용과 시간이 대폭 감소될 수 있다.
iPS 세포 기술은 현재 질병 모델에 이용돼 질병의 원인을 찾고 신약을 발견하는 데 활발하게 이용되고 있다. 실제로 국내 연구진이 iPS 세포를 이용하여 ‘로렌조 오일병’으로 알려진 부신백질이영양증의 질병 모델을 만드는 연구를 성공해 부신백질이영양증의 원인을 규명하는 연구의 초석을 놓은 바 있다. 향후 기술적인 측면이 더 보완된다면 질병 모델에의 이용을 넘어 진정한 재생의학의 길을 열 수 있을 지도 모른다.

삽화: 선우훈 기자 mrdrug@snu.kr

조금 더 이해하기
1) 배아줄기세포(embryonic stem cell)는 수정란이 6~7회 분열한 ‘배반포’ 상태의 내부 세포 덩어리에서 세포를 채취해 특수한 조건에서 배양해 만든 만능성(pluripotent) 세포다. 만능성이란 태반을 제외한 모든 종류의 세포가 될 수 있는 능력을 말한다. 배아줄기세포은 불임 치료를 위해 사용하고 남은 인공 수정란을 이용했다. 하지만 면역 거부 반응 문제를 해결하기 위해 체세포의 핵을 난자의 핵과 치환해 복제배아줄기세포를 만든다.
2) 만능줄기세포는 만능성을 가진 줄기세포를 말한다. 만능줄기세포는 개체가 될 수 없다는 점에서 엄밀하게는 ‘만능’이 아니지만 통상적으로 만능줄기세포라 부른다. iPS 세포와 배아줄기세포 모두 만능줄기세포에 포함된다.
3) 수정란에서 미성숙한 세포는 분화를 거쳐 성숙한 세포가 된다. 그 과정에서 세포 DNA의 특정 부분만을 사용하고 사용하지 않는 부분은 DNA 메틸화를 통해 비활성화한다. 세포는 특수한 기능을 담당하게 되면서 다양한 세포로 분화할 수 있는 능력을 점차 잃는다. iPS 세포는 이 과정을 거꾸로 되돌려 성숙한 세포를 미성숙한 세포로 만든다.
4) 분자생물학의 중심원리(central dogma)에 따르면 유전 정보가 DNA에서 RNA로, 다시 단백질로 일방적 흐름에 따라 전달된다. 야마나카 교수는 역분화 인자로 DNA를 사용했고 루돌프 예니쉬 박사팀과 에드워드 모리지 박사팀은 RNA를 사용했으며 김광수 교수팀은 단백질을 사용했다.


참고) 야마나카 교수는 애플사의 iPod처럼 iPS 세포가 세계에 널리 퍼져 도움이 되기를 바라는 마음에서 iPS 세포의 이름에 소문자 i를 사용했다.


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