줄기세포가 각광받는 이유는 인체의 모든 세포로 분화할 수 있는 잠재능력을 갖고 있기 때문이다. 예를 들어 심장에 이상이 있는 심장병 환자로부터 환자유래 줄기세포를 추출한 뒤 이 줄기세포를 심장세포로 분화시켜 다시 환자에게 이식하면 손상된 심장기능이 정상적으로 회복될 수 있다.
이 줄기세포 분야의 최신 연구 트렌드는 유도만능줄기세포 분야이기는 하지만 유도만능줄기세포 역시 암세포로의 발전 가능성 등 부작용이 보고되고 있어 임상 적용에 앞서 안정성 논란이 제기되고 있는 실정이다.


줄기세포 단계 건너뛰는 세포전환 속속 보고



이런 가운데 흥미로운 점은 줄기세포 단계를 거치지 않고 특정 세포를 원하는 세포로 직접 전환하는 연구사례가 속속 보고되고 있다는 점이다. 지난 5월 미국 스탠포드 의대 연구팀은 인간의 피부세포를 신경세포로 직접 분화시키는데 성공했다고 과학저널 ‘네이처’에 발표했다.
스탠포드 연구팀은 피부세포를 신경세포로 전환하는데 특별한 4개의 전사인자(transcription factor)를 사용했다. 전사인자는 DNA가 RNA로 전사되는 전사과정에서 반드시 필요한 인자를 일컫는다. DNA는 RNA로 전사된 후 이 전사된 RNA로부터 단백질로 번역되는데 모든 생명체의 생명현상에서 단백질은 매우 중요한 역할을 담당한다.
최근 펜실베이니아 의대 연구팀은 심장세포가 아닌 세포를 심장세포로 직접 전환하는데 세계 최초로 성공했다. 펜실베이니아 연구팀은 신경세포 또는 피부세포로부터 심장세포를 전환시켰으며 전환과정에 RNA를 사용했다.
연구팀의 기본 아이디어는 메신저RNA(mRNA)이다. 메신저RNA는 RNA의 한 종류이다. DNA로부터 RNA가 전사되면 이 RNA로부터 소정의 과정의 거처 메신저RNA가 만들어진다. 이 메신저RNA를 기반으로 단백질이 번역된다. 즉 메신저RNA는 단백질 합성의 청사진이다. 메신저RNA가 단백질 합성의 청사진이라는 점에서 메신저RNA는 어떤 세포의 특징을 정의하는 핵심 요소로 간주된다.
연구팀은 아스트로사이트(astrocyte)와 파이블로블라스트(fibroblast) 등 서로 다른 2종류의 세포를 메신저RNA를 이용해 심장세포로 전환했다. 아스트로사이트는 신경세포의 한 종류로 형태가 별과 비슷하다고 해서 아스트로사이트라고 불린다. 파이블로블라스트는 피부세포를 일컫는다. 즉 연구팀은 신경세포와 피부세포를 심장세포로 전환한 셈이다. 심장세포가 아닌 세포를 직접 심장세포로 전환하는 시도는 심장병 세포 치료의 새로운 가능성을 제시할 것으로 과학계는 기대했다.
연구를 주도한 제임스 에버와인(James Eberwine) 펜실베이니아 의대 교수는 “심장세포 재생에 있어 우리의 시도가 새로운 점은 어떤 세포에서 다른 세포로 RNA를 이용해 중간단계를 거치지 않고 직접 전환에 성공했다는 점”이라고 말했다.
연구팀은 아스트로사이트와 파이블로블라스트에 많은 양의 심장세포 메신저RNA를 집어 넣었다. 이후 신경세포 또는 피부세포에서 심장세포로의 전환의 나머지 과정은 모두 아스트로사이트와 파이블로블라스트가 수행했다.


펜 의대, 메신저RNA 통해 신경세포 심장세포 전환 성공


연구팀이 주입한 메신저RNA들은 원래 세포인 신경세포나 피부세포의 DNA에 특별한 지시를 했다. 이 지시는 원래 신경세포나 피부세포의 RNA를 목표세포인 심장세포의 RNA로 바라는 지시이다.
쉽게 말해 신경세포와 피부세포에 심장세포의 메신저RNA를 주입했다. 이후 이 심장세포 메신저RNA가 신경세포와 피부세포의 정상적인 RNA를 심장세포 RNA로의 전환을 유도한다. 이렇게 유도된 심장세포 RNA들이 원래 세포인 신경세포와 피부세포의 표현형을 심장세포의 표현형으로 바꾼다.
연구팀이 사용한 전환방법을 약자로 TIPeR(Transcriptome Induced Phenotype Remodeling)이라고 부른다. Transcrioptome은 RNA라는 의미이며 Phenotype은 세포의 표현형이라는 뜻이다. Phenotype은 유전자형을 의미하는 Genotype과 다른 의미이다. 즉 연구팀의 전환기술을 이용하면 유전자형은 심장세포가 아닐 수 있지만 표현형은 심장세포가 되도록 만들 수 있다.
연구팀의 TIPeR 방법은 최근 여러 연구실에 활용되고 있는 유도만능줄기세포(Induced Pluripotent Stem Cells) 기술과는 다른 방법이다. 유도만능줄기세포의 경우 피부세포 등 특정세포를 먼저 줄기세포로 역분화시킨다. 이후 역분화된 줄기세포를 성장인자(Growth factor) 등을 사용해 원하는 특정세포로 분화시킨다. TIPeR이 유도만능줄기세포와 가장 큰 차이점은 바로 줄기세포 단계를 거치지 않는다는 점이다.
TIPeR 기술은 오히려 핵치환(nuclear transfer)기술에 가깝다. 핵치환 기술은 한 세포의 핵을 또 다른 세포의 핵과 치환하는 기술이다. 이렇게 핵이 치환되면 치환된 핵 속의 DNA가 단백질 발현을 통해 세포의 표현형이 바뀌게 된다.
연구팀은 먼저 심장세포에서 메신저RNA를 추출했다. 이후 이 메신저RNA를 숙주세포인 아스트로사이트와 파이블로블라스트에 주입했다. 숙주세포에 많은 양의 심장세포 메신저RNA를 주입하자 아스트로사이트와 파이블로블라스트의 원래 메신저RNA보다 심장세포의 메신저 RNA의 양이 더 많게 됐다.
심장세포의 메신저RNA는 숙주세포 내에서 숙주세포의 세포기능을 이용해 심장세포의 단백질로 번역됐다. 이렇게 만들어진 심장세포의 단백질이 숙주세포의 유전자 발현에 영향을 미쳤다. 즉 정상적인 상황이라면 신경세포나 피부세포의 단백질을 생산해야 하는데 심장세포 유전자가 작동돼서 보다 많은 심장세포 단백질이 만들어진 것이다.
아스트로사이트가 심장세포로 전환되는 것을 추적하기 위해 연구팀은 단일세포 마이크로 어레이 기술을 이용해 세포의 RNA 프로파일을 체크했다. 연구팀은 TIPeR 기술로 전환된 심장세포가 장차 심장병 치료에 획기적인 발판이 될 것으로 기대했다. 이와 함께 환자로부터 심장세포를 창조하는 것은 이른바 개인별 맞춤의학을 보다 더 앞당길 것으로 예상했다.
이번 연구결과는 미국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS) 온라인판 10일자에 게재됐다.