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2025-05-01 (목)

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[퓨처 Eyes(61)] 10억 년 전 고대 유전자, 생쥐 탄생 혁명 주도

10억 년 전 지구를 지배했던 단세포 생물의 고대 유전자가 오늘날 생쥐 탄생을 가능하게 했다. 과학계를 놀라게 한 이번 연구는 줄기세포와 진화의 관계를 새롭게 조명하며 재생의학의 미래를 열 획기적인 발견으로 평가받고 있다. 홍콩 대학교와 독일 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소의 공동 연구진은 단세포 생물에서 유래한 유전자를 생쥐 세포에 도입해 줄기세포를 생성했으며, 이를 통해 살아있는 생쥐를 탄생시키는 데 성공했다고 사이언스 얼럿(Science Alert)과 IFL사이언스 등 다수 외신이 전했다. 연구팀은 편모조류에서 발견되는 유전자를 쥐의 유전자와 교환함으로써 두 편모조류가 기능적으로 얼마나 유사한지 확인할 수 있었다. 홍콩 대학의 야 가오 박사와 데이지린 세나 탄, 독일 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소의 마티아스 기르빅 박사가 이끄는 연구팀은 복제된 쥐의 줄기세포를 배양하고 게놈을 재프로그래밍하여 포유류의 Sox2 유전자를 동물과 가까운 단세포 생물인 동정편모충류[choanoflagellate, 후생동물의 가장 가까운 친척으로 여겨지는 생물로, 긴 편모(flagellum)를 가지고 있으며, 이 편모 주변을 둘러싼 깃(collar) 모양의 구조를 가지고 있는 게 특징] Sox 유전자로 대체해, 연구를 진행했다. 이 세포를 배아 쥐(마우스) 배반포에 주입한 다음, 임신한 쥐 대리모에 이식하는 임신, 출산, 양육 환경에서 배양했다. 영국 퀸 메리 대학의 유전학자 알렉스 드 멘도사는 사이언스얼럿에 "단세포 친척인 쥐에서 얻은 분자 도구를 사용해 성공적으로 쥐를 만들어냄으로써 우리는 거의 10억 년 전의 진화 과정에서 놀라운 기능의 연속성을 목격하고 있다"고 말했다. 멘도사는 "이 연구는 줄기세포 형성에 관여하는 핵심 유전자가 줄기세포 자체보다 훨씬 일찍 생겨났을 수 있음을 시사하는데, 아마도 우리가 보는 다세포 생명체의 길을 닦는 데 도움이 되었을 것"이라고 설명했다. 고대 유전자가 오늘날 동물 발달에 핵심적인 역할을 한다는 점을 실증한 이번 연구는 줄기세포의 기원과 재활용 메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. 고대 유전자, 다세포 생물 진화의 토대가 되다 약 10억 년 전, 지구에는 동물이나 식물 같은 다세포 생물이 존재하지 않았다. 당시 지구를 지배하던 단세포 생물 가운데 동정편모충류(choanoflagellates)는 오늘날 동물의 가장 가까운 친척으로 여겨진다. 동정편모충은 현미경으로 관찰할 정도로 작은 단세포 생물이지만, 이들의 유전체에는 포유류 줄기세포 형성을 돕는 것으로 알려진 Sox와 POU라는 유전자의 초기 버전이 포함되어 있다. 기존에는 줄기세포가 다세포 생물에서만 진화했을 것이라 여겨졌지만, 이번 연구는 단세포 생물에도 줄기세포 형성에 중요한 유전자가 존재했음을 보여준다. 연구진은 이 유전자들이 다세포 생물로 진화하는 과정에서 재활용되고 확장되었을 가능성을 제시하며, 고대 유전자의 가치를 새롭게 조명하고 있다. 생쥐 탄생의 비밀, 동정편모충류 유전자 연구진은 동정편모충류의 Sox 유전자를 생쥐 세포에 도입해 생쥐의 Sox2 유전자를 대체했다. Sox2는 포유류 줄기세포의 다능성(모든 세포로 분화할 수 있는 능력)을 유지하는 데 중요한 유전자다. 놀랍게도 동정편모충의 Sox 유전자 역시 생쥐 세포에서 동일한 기능을 수행할 수 있었다. 동물은 '다능성'이라고 알려진 특징을 가지고 있다. 다능성은 배아 줄기세포가 분화하여 완전히 발달된 유기체를 구성하는 다양한 조직으로 발달할 수 있는 능력을 말한다. 동물에 인접한 미생물에 대한 이전 연구에 따르면 다능성의 기원은 다세포성보다 앞선 것으로 나타났다. 이것이 사실이라면, 이는 동물의 진화 결과가 아니라 동물 진화의 원동력 중 하나일 수 있다. 생쥐 세포는 동정편모충 유전자의 도움으로 유도만능줄기세포(iPSC) 상태로 전환되었으며, 이를 발달 중인 생쥐 배아에 주입한 결과 키메라 생쥐(마우스)가 탄생했다. 키메라 생쥐는 서로 다른 유전자를 가진 두 세포 집단이 공존하는 동물로, 이번 실험에서는 줄기세포의 영향을 받아 맨 위의 사진에서 보이는 것처럼 검은 털 반점과 어두운 눈 등의 특징을 가진 생쥐가 만들어졌다. 이 발견은 단세포 생물의 간단한 유전자가 다세포 생물의 복잡한 발달에 얼마나 중요한 역할을 할 수 있는지 명확히 보여준다. 고대 유전자, 재생의학의 미래를 열다 줄기세포는 손상된 조직을 복원하거나 질병 치료에 사용될 수 있는 '만능 세포'로, 재생의학의 핵심이다. 일본의 야마나카 신야(山中伸弥) 박사가 2012년 노벨 생리학·의학상을 수상한 연구를 통해, 일반 세포를 줄기세포로 변환하는 기술이 세상에 알려졌다. 그는 Sox와 POU 유전자를 포함한 4가지 인자를 활용해 줄기세포를 유도했다. 이번 연구는 야마나카 박사의 연구를 기반으로 더 나아가, 고대 단세포 생물의 유전자를 활용해 줄기세포를 생성했다. 이는 줄기세포 형성 메커니즘이 생명 진화 초기 단계부터 존재했음을 강력히 뒷받침한다. 진화에서 재활용된 유전자, 재생의학의 열쇠 연구진은 동정편모충 유전자들이 초기 생명체의 기본적인 세포 기능을 조절하는 역할을 했으며, 이후 다세포 생물이 출현하면서 더 복잡한 기능으로 진화했을 가능성을 제시한다. 이를 "10억 년에 걸친 기능적 연속성"이라 설명하며, 진화생물학과 재생의학이 맞닿은 접점임을 강조한다. 홍콩대 랄프 야우흐(Ralf Jauch) 박사는 "고대 유전자 연구는 다능성 메커니즘을 더욱 정밀하게 조정하고 최적화할 방법을 제시할 것"이라며, 동정편모충 유전자의 합성 버전을 개발해 기존 유전자보다 효율적으로 작동할 가능성도 시사했다. 이번 연구는 고대 단세포 생물이 현대 생명공학에 얼마나 큰 영감을 줄 수 있는지 보여준다. 단세포 생물의 유전자가 다세포 생물의 기원과 발전에 중요한 역할을 했다는 사실은 줄기세포 연구와 재생의학의 새로운 가능성을 열고 있다. 줄기세포와 진화라는 두 축이 만들어갈 생명과학의 미래가 더욱 기대된다. 한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-12-05 15:32:00
세계 최초 iPS 세포 치료제, 일본 스타트업 쿼오립스서 승인 추진

일본 스타트업 쿼오립스가 심장병 치료를 위한 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 유래 치료제에 대한 세계 최초 정부 승인을 신청한다고 닛케이가 24일(현지시간) 보도했다. 오사카대 계열의 쿼오립스는 관상동맥 질환 환자의 심장에 이식할 수 있는 iPS 세포 심장 조직 시트를 개발했으며, 이르면 6월 초 일본 후생노동성에 제조 및 판매 신청을 제출할 계획이다. 임상 시험에서 치료받은 8명의 환자 모두 긍정적인 결과를 보였고, 최소 한 명은 심장 기능이 크게 개선된 것으로 보고됐다. 기존 중증 관상동맥 질환 치료는 심장 이식이나 심실 보조 장치가 필요했지만, 이 심장 조직 시트는 내시경 수술로 삽입 가능해 덜 침습적이다. 심장 질환은 일본에서 두 번째로 흔한 사망 원인이며, 이 중 관상동맥 질환이 약 30%를 차지한다. 2020년 기준 일본의 관상동맥 질환 환자는 약 72만 명으로 추정되며, 전 세계적으로는 2억4000만 명이 넘는 것으로 알려져 있다. 일본 정부는 2014년부터 재생 의학 촉진을 위해 제한된 임상시험을 거친 치료법에 조건부 승인을 부여하고 있으며, 쿼오립스도 이 제도를 활용할 계획이다. 쿼오립스 사장 겸 CEO 쿠사나기 타카유키는 "2025년에 조건부 승인을 받는 것을 목표로 한다"고 밝혔다. 2017년 설립된 쿼오립스는 다이이치 산쿄, 테루모, 미쓰비시 상사 등으로부터 투자를 받았으며, 2023년 도쿄증권거래소 성장주 시장에 상장했다. 쿠오립스의 심장 조직 시트는 최고 기술 책임자이자 오사카 대학 교수인 요시키 사와의 40년 연구를 바탕으로 개발됐으며, 교토대학교 iPS 세포 연구 및 응용 센터에서 공급하는 iPS 세포를 사용한다. 쿠오립스는 다른 질병에 대한 임상시험도 준비 중이다. 일본에서 심장 이식과 세포 치료는 일반적으로 1000만 엔(약 8716만 원) 이상의 비용이 들며, 쿠오립스의 심장 조직 시트도 비슷한 가격 또는 그 이상으로 책정될 것으로 예상된다. 한편, iPS체료는 유도만능줄기세포(iPSC)를 이용해 질병을 체료하는 새로운 방법이다. iPSC는 우리 몸의 피부 세포나 혈액 새포와 같은 성체 세포를 특수한 기술로 인공적으로 만든 만능 줄기세포다. 만능 줄기세포는 인체를 구성하는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있다. iPSC는 환자 본인의 세포로부터 만들어지기 때문에 면역 거부 반응이 거의 일어나지 않는다ㅣ. 이는 장기 이식 등에 큰 장점이 될 수 있다. 또한 iPSC는 배아를 사용하지 않기 때무네 배아 줄기세포와 관련된 윤리적 문제를 피할 수 있다. 반면, 툭정 유전자들을 도입하는 과정에서 발생할 수 있는 돌연변이와 같은 위험이 존재할 수 있다. 아울러 원하는 세포로 정확하게 분화시키는 기술이 아직 완벽하지 않으면, 이는 임상 적용에 있어서 중요한 도전 과제이기도 하다.
- IT/바이오
2024-05-25 09:42:00
털매머드 부활하나?...코끼리 줄기세포 배양 성공

과학자들이 코끼리 피부 세포로 줄기세포 배양에 성공해 털매머드 부활에 한 발 더 가까이 다가가고 있다. 미국 텍사스 주 댈러스에 있는 멸종 방지 기업이자 DNA 편집 회사인 콜로설 바이오사이언스(Colossal Biosciences)는 6일(현지시간) 털복숭이 매머드 형질을 가진 코끼리를 유전적으로 복원시키기 위해 아시아 코끼리 세포로 줄기세포 배양에 성공했다고 밝혔다. 콜로설은 자사 웹사이트에서 내한성 코끼리를 만들 것이라고 밝히면서 이 동물은 털매머드의 모든 핵심 생물학적 특성을 갖게 될 것이라고 설명했다. 또한 이 회사는 매머드와 유사한 코끼리가 코끼리 내피 친화성헤르페스 바이러스로 인한 매우 치명적인 질병에 저항성을 갖도록 만들 계획이다. 네이처에 따르면 콜로설은 코끼리 세포의 유전자(게놈)을 편집해 매머드와 비슷하게 만들었다. 하지만 살아 있는 매머드 같은 코끼리를 만들려면 편집된 게놈을 포함하는 배아를 생성해야 한다. 이론적으로 이를 수행하는 한 가지 방법은 유전자 편집된 코끼리 세포를 소위 유도만능줄기세포(iPS)로 전환한 다음 이를 난자와 정자 세포로 전환하는 것이다. 뉴사이언티스트에 따르면 유도만능줄기세포는 난자와 정자를 포함한 신체의 모든 세포로 분화할 수 있다. 배아에서 자연적으로 발생하지만 특정 단백질을 추가하여 성체 세포에서 만들 수도 있으므로 '유도'라고 한다. 많은 동물 종에서 유도만능세포가 만들어졌지만 지금까지 코끼리 세포를 유도만능세포로 만드는 데 성공한 사례는 없었다. 유전자 편집 18년 전, 연구자들은 쥐의 피부 세포를 배아 세포처럼 작동하도록 재프로그래밍할 수 있음을 보여줬다. 이러한 유도만능줄기세포는 동물의 모든 세포 유형으로 분화할 수 있다. 이 세포는 멸종된 털매머드(맘무투스 프리미제니우스·Mammuthus primigenius)의 가장 가까운 친척인 아시아 코끼리(엘레푸스 막시무스·Elephus maximus)를 복원하려는 콜로설의 계획에 핵심으로, 털과 지방 및 기타 매머드의 특성을 갖도록 유전적으로 편집됐다. 콜로설은 아시아 코끼리 세포를 유전자 변형해 핵심 단백질을 영구적으로 생산하도록 했다. 그럼에도 불구하고 세포를 유도만능줄기세로로 전환하는데 두 달이 걸렸다고 한다. 콜로설의 생물과학 책임자인 에리오나 히솔리는 "우리는 이 과정을 더 효율적이고 빠르게 만들고 싶었다"고 말했다. 핵심 단백질을 코딩하는 DNA는 쉽게 제거할 수 있다고 그녀는 덧붙였다. 매사추세츠주 보스턴에 위치한 하버드 의과대학의 유전학자이자 이 연구 논문의 공동 저자인 콜로설의 공동 설립자 조지 처치는 "우리는 세계 기록으로 가장 어려운 iPS 세포 수립에 도전하고 있다고 생각한다"고 말했다. 하지만 연구팀은 코끼리 줄기세포를 확립하는 데에도 어려움을 겪고 있다. 멸종 위기 종에 대한 줄기세포 연구의 권위자인 캘리포니아 주 라호야에 있는 스크립스 연구소의 줄기세포 생물학자인 장 로랑(Jeanne Loring) 박사는 "코끼리는 매우 어려운 과제"라고 말했다. 멸종 동물 복원 프로젝트 2011년 잔 로링과 동료들은 멸종 위기 동물에서 최초로 북방 흰코뿔소(Ceratotherium simum cottoni)와 드릴 원숭이(만드릴루스 류코패우스)로부터 iPS 세포를 만들었다. 이후 눈표범(Panthera uncia), 수마트라 오랑우탄(Pongo abelii), 일본뇌조(Lagopus muta japonica) 등 멸종 위기종에서 배아 유사 줄기세포가 만들어졌지만 수많은 팀이 코끼리 iPS 세포 수립 시도에 실패했다. 콜로설의 생물과학 책임자 에리오나 히솔리가 이끄는 연구팀은 처음에 다른 대부분의 iPS 세포주를 만드는 데 사용되는 매뉴얼에 따라 아시아 코끼리 새끼로부터 세포를 재프로그래밍하려고 시도하면서 동일한 문제에 부딪혔다. 이 방법은 2006년 일본 교토 대학의 줄기 세포 과학자인 야마나카 신야(Shinya Yamanaka)가 확인한 네 가지 주요 재프로그래밍 인자를 과잉 생산하도록 세포에 지시하는 것이다. 이 방법이 실패하자 히솔리 박사팀은 다른 연구원들이 사람과 쥐 세포를 재프로그래밍하는 데 사용했던 화학 칵테일을 코끼리 세포에 처리했다. 대부분의 경우 이 처리로 인해 코끼리 세포가 죽거나 분열을 멈추거나 아무런 반응도 보이지 않았다. 하지만 일부 실험에서는 세포가 줄기세포와 유사한 둥근 모양을 띠게 됐다. 히솔리 박사 팀은 이 세포에 네 가지 '야마나카' 인자를 첨가한 다음 성공의 핵심 요소였던 또 다른 단계를 밟았다. 바로 암 억제 유전자인 TP53의 발현을 억제하는 것이다. 유도만능줄기세포 배양 연구팀은 코끼리로부터 네 개의 iPS 세포 라인을 만들었다. 이 세포들은 다른 유기체의 iPS 세포와 비슷하게 보였고, 비슷하게 행동했다. 즉, 척추동물의 모든 조직을 구성하는 세 가지 '배엽'을 형성하는 세포를 만들 수 있었다. 하지만 콜로설이 최초의 유전자 조작 아시아 코끼리를 만드는 계획은 iPS 세포를 필요로 하지 않는 복제 기술을 포함한다. 처치 박사는 새로운 세포 라인은 아시아 코끼리에 매머드 특징을 부여하는 데 필요한 유전적 변화를 식별하고 연구하는 데 유용할 것이라고 말했다. 그는 "우리는 아기 코끼리에게 넣기 전에 미리 테스트하고 싶다"고 말했다. 코끼리 iPS 세포는 수정되어 모발이나 혈액과 같은 관련 조직으로 변형될 수 있다. 그러나 이러한 과정을 확대하기 위해서는 생식 생물학 분야에서 수많은 기술 도약이 필요하다. 그 중 한 가지 방법은 유전자 조직 iPS 세포를 수정된 정자와 암컷 생식 세포로 변형시켜 배아를 만드는 것이다. 쥐 실험에서는 이 방법이 성공했다. 또한 iPS 세포를 직접 실행 가능한 '합성' 배아로 변환하는 것도 가능했다. 콜로설은 자사의 첫 번째 메머드가 2028년에 태어날 것이라고 주장했다. 히솔리는 연구원들이 코끼리 세포에 단지 50~100개의 유전자 편집을 하는 것을 목표로 하고 있으며, 이는 실현하능하다고 말했다. 코끼리의 임신 기간은 2년이기 때문에 배아는 2026년 말께 생성되어 자궁에 이식되어야 2028년에 매머드 탄생이 가능하다. 처치 박사는 배아 배양을 위해 일부는 iPS 세포에서 유래한 인공 자궁을 사용할 것으로 예상했다. 그는 "우리는 멸종 위기 종의 자연적인 번식을 방해하고 싶지 않기 때문에 체외 임신을 확대하려고 노력하고 있다"고 말했다.
- IT/바이오
2024-03-08 10:45:00