안녕하세요?


최근에 과학동아 2017년 11월호를 읽다보니, 때아닌 '처녀생식(parthenogenesis)'가 논란이 되고 있는 현장이 있다는 것을 알았습니다. 여기 이 블로그에서도 바퀴벌레가 처녀생식을 한다는 것을 이야기 한 적이 있었습니다.


링크 : 바퀴벌레 박멸이 어려운 이유?


처녀생식, 혹은 단성생식이라고도 불리는 현상은 간단히 말을 하자면, 아버지쪽의 유전자 없이-정자의 도움이 없이, 외부의 자극에 의해서만 난자 혹은 알이 혼자서 분열하는 현상입니다.



아마 이 처녀생식이라는 단어를 처음 접하는 사람들에게는 위 내용이 무슨 소리인지 아리송 하실 건데요, 그래서 처녀 생식과 비교가 되는 일반적인 '정자'와 '난자'의 수정 과정과 비교를 해서 설명에 들어가 보도록 해 보겠습니다.




위 그림을 보시면, 먼저 우측에서는 정상적인 난자의 수정이 일어나는 것을 묘사하고 있습니다만, 좌측에서는 정자와 만나는 것 대신에 외부의 자극이 오는 것을 묘사하고 있습니다. 이게 무슨 차이가 있으며, 왜 중요하냐고 하실 분들이 계실 듯 한데, 이후의 발달 과정이라고 해야 할까요? 포유동물의 '태아'로 발달되어 가는 과정을 거친다는 점에서 똑같습니다.


문자 그대로 가자면, 정자의 도움이 없이 난자 혼자만으로 '다음세대'가 태어 난다고 해야 겠지만, 실제로는 완전한 태아로 되지는 못하는 몇 가지 이유가 있다고 합니다. 일단 이 이유를 당장 몇 줄의 문장만으로 설명하기에는 너무 양이 방대하기에 이 포스팅에서 다루지 않고, 나중에 다른 포스팅에서 다루도록 하겠습니다. 그럼 많은 분들이 궁금해 하실 것으로, 도대체 어떤 자극을 주었기에 정자가 들어가지도 않은 난자가 이렇게 되느냐 하실 것인데, 대표적으로 아래와 같은 자극을 준다고 합니다.


주로 전기 충격이 많이 사용되기는 하는데, 이 방법이 정확하게 어떻게 작용하는 지는 알려져 있지는 않습니다. 다만 일반적으로 난자-그것도 성숙해서 수정될 준비를 마친 난자는 정자와 만나는 시점에서 내부에 대량의 칼슘 이온의 농도가 증가하는 현상이 일어난다고 합니다. 그래서 전기 자극은 난자의 표면에 '구멍'을 뚫어서 세포 외부의 칼슘 이온이 난자 속으로 들어오게 하는 것입니다.


다만 난자의 표면에 구멍을 뚫는다는 점에서, 이 방법이 난자에 '손상'을 주기 때문에 잘못하면 난자만 터트리는 꼴이 날 수도 있습니다. 이런 위험성 때문에 구멍을 뚫는 방법으로 '초음파'를 사용하는 것을 논문에서 보았던 적도 있었습니다. 그럼 화학 약품을 사용하는 경우에는 전기 충격과는 약간은 다른 방식으로 작용을 합니다.



위 그림에서 묘사하고 있는 것처럼, 난자의 내부-주로 ER같은 곳ㄷ에서 칼슘이온을 저장하고 있습니다. 실제로 정자와 만나서 수정이 되면, 여기에 저장이 되어 있는 칼슘이 난자의 세포질로 흘러 나와서, 세포질 내의 칼슘 이온 농도를 증가 시켜 주는 역할을 한다고 합니다. 물론 이방법은 직접 난자에 물리적인 손상을 주지 않는 것 같으나, 그래도 어느정도 손상을 주는 것으로도 알려져 있습니다.




그리고 처녀 생식으로 세포 분열에 들어간 난자가 개체로 발전하지 못하는 가장 큰 이유는 '각인'이라고 알려진 imprinting의 문제가 있다고 합니다. 이게 어머니 쪽 유전자와 아버지 쪽 유전자의 각인이 다른데, 문제는 부모의 한쪽 유전자만 가지고서는 개체로 온전히 발달하지 못한다고 합니다.


다만 이 각인에 대한 내용을 시작하면, 이것 역시 한개의 온전한 포스팅만으로 다 다룰 수 없을 정도로 방대한 양입니다. 그래서 하는 수 없이 이쯤에서 포스팅을 마치도록 하며, 앞서 소개한 각인에 대해서는 언제 기회가 되면 다음번 다시 포스팅을 하도록 하겠습니다.

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몇번이나 포스팅을 한적이 있었는 이 '유도만능 줄기세포(iPS)'에 대해서 이번에는 좀 참신한 활용사례가 있기에 포스팅을 하고자 합니다. 기존에는 이 유도만능 줄기세포를 의료용으로 쓴다고 하면, 보통 인체에 '결손'이나 '손상'된 곳을 재생하는 용도로 많이 생각을 합니다.


링크 : iPS(유도 만능 줄기세포)를 이용한 의료기술


그런데 여기 과학동아 2017년 10월 호에서 뭐라고 해야 할까요? 저는 생각지도 못한 iPS(유도만능 줄기세포)의 활용법이라고 해야 할까요? 의학 연구에 이런 방법으로도 사용이 가능 하다는 것을 보여주는 예시가 있기에, 이번 포스팅에서 다루고자 합니다.




먼저 언급을 해야 할 것은, 기존에 '자폐증'에 대해서는 '뇌의 발달'과정 중에서 이상이 생겨 발병한다는 가설이라고 해야 할

까요? 이러한 주장이 있었지만, 이를 확인하기에는 너무나 어려운 문제가 있었다고 합니다. 우선 발달 중인 사람의 '태아'를 해부해 볼수도 없는 노릇이기 때문에, 이를 확인해 보기는 사실상 불가능했습니다.



그런데 미국 예일대 플로라 바카리노 교소팀은 '유도만능 줄기세포(iPS)'를 자폐증의 원인을 알아보기 위한 연구에 사용을 하였다고 합니다. 우선 자폐증을 앓고 있는 아이의 피부세포를 췌취하고, 다음에는 자폐아의 부모(아버지)-자폐증을 전혀 앓고 있지 않은 사람의 피부세포를 췌취하였다고 합니다. 각각의 피부세포는 iPS로 유도하였고, 다시 신경세포로 분화시키는 과정을 거쳤다고 합니다.



전체적인 과정은 위의 그림과 같은 과정을 거쳤다고 합니다. 위 그림의 묘사에서 나오는 마지막의 신경세포는 뇌의 발달과정을 알아보기 위해서 iPS를 일부러 신경세포가 되도록 유도를 하였다고 합니다. 정확히는 그냥 신경세포가 아니라 '대뇌'를 구성하는 신경세포가 되도록 유도를 한 것이고, 자폐아의 iPSc에서 나오는 신경이 발달하는 것과 정상인인 아버지의 iPSc에서 나온 신경세포가 발달하는 과정을 '비교'하였다고 합니다.



위 그림에서 오른편에 있는 자폐아의 경우에는 대뇌를 구성하는 신경세포와 같은 세포들 중에서 '억제성 신경세포(빨간색)'이 왼쪽에 있는 정상인인 아버지의 대뇌 구성 신경세포와 비교해서 유별나게 많은 것을 확인할 수 있습니다. 이를 통해서 자폐아의 대뇌가 발달하는 과정에서 신경을 억제하는 세포가 너무 많이 생성이 된다는 것을 알 수 있었습니다.




이번 포스팅에서 주로 소개한 연구는 기존에는 '뇌를 해부'해 봐야 알수 있었는 사실을 그렇게 하지 않고도 어머니의 자궁에서 태아가 발달중인 상황과 유사하게 그 과정을 재현한 다음, 어디에서 문제가 생기는 것인지를 볼 수 있었다는 점에서 의의가 있으며, 기존에는 모르고 오로지 가설에 그치는 것을 확실하게 확인할 수있었다는 점에서 의미가 있습니다.


과학동아의 기사에서는 마지막에 신약개발에 사용하기 위한 유도만능 줄기세포의 활용방안이 있었습니다. 방법은 간단하게 위에서 말한 것과 비슷하게 'iPS'를 특정 유전적인 질병을 앓는 환자에게서 얻은 다음, 인체의 다양한 장기를 구성하는 세포들로 분화시킵니다. 그리고 나서 신약이 될 후보물질을 이러한 다양한 종류의 세포들에게 노출을 시켜서, 효과가 있으면서 부작용도 동시에 알아 볼 수 있는 것입니다. 


이번 기사를 통해서 iPS가 단지 의료용으로만 가치가 있는 것이 아니라, 자연과학 연구에서도 가치가 있다는 것을 알 수 있었습니다. 다만 이러한 연구가 제대로 된 빛을 보기위애서는 환자 한두명이 아니라 다양한 환자에게서 iPS를 얻어야만 한다는 문제도 빼놓을 수 없다는 생각이 듭니다.

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과거에 약간 들은 적이 있기는 했는데 한동안 잊어 먹었다가, Newton 2017년 10월호에 있던 '근육이 아닌 세포를 근육세포로 바꾸어 심장을 치료!'라는 기사를 읽어 보니, 과거에 들은 적이 있었단 '리프로그래밍(reprogramming)'이라는 것이 생각이 났기에 이번 포스팅에서는 이에 대해서 소개를 하고자 합니다.



과거에 제가 보았던 때-그러니까 논문을 통해서 들은 적이 있었을 때는 '유전자'라고 해야 할까요? 유전자를 집어넣는 벡터(vector)를 일반적인 체세포에 넣어서 '줄기세포'로 만드는 것이었습니다. 다시 말하면, 이미 '분화'가 끝나서 더 이상은 새로운 인체의 다른 조직이 될 수 없는 세포를 '유전자 조작'을 해서 다시 '줄기세포'로 만드는 것이었습니다. 이때는 '줄기세포'를 만드는 것을 목표로 해서 연구를 하고 있던 시기였고, 거의 10년도 전이었습니다.




그런데 2017년 Newton 10월호의 기사를 읽어보니, 이제는 굳이 '줄기세포'까지 가지 않고서, 세포를 '리프로그래밍'을 어떻게 하는 지를 보여주고 있었습니다. 우선 '섬유화(Fibrosis)'라고 해서, 어떠한 이유로 장기의 일부가 굳어져 버려서 제 역할을 하지 않는 현상이 있습니다. 기사에서는 이 섬유화중에서 '심장의 섬유화'에 대한 것을 먼저 이야기를 하고 있습니다.



우선 '심장의 섬유화'가 진행이 되면, 당연히 심장의 기능을 방해받고, 환자는 죽음에 이르게 됩니다. 기존의 '배아 줄기세포'나 '유도만능 줄기세포(iPS)'를 이식하는 방법을 쓸 수도 있지만, 기사에서 소개된 '리프로그래밍'이라는 방법은 이런 줄기세포를 거치지도 않고서, 아래의 그림과 같은 방법을 사용합니다.



먼저 아데노 바이러스라고 DNA바이러스에 유전자인 DNA를 집어넣는다고 해야 할까요? 일단 '섬유화'된 심장세포에 필요한 '유전자'를 집어넣을 수 있는 바이러스를 제작합니다. 그 다음에는 이 유전자들이 '섬유화된 심장 세포'안에서 발현을 해서, 쓸모가 전혀 없는 섬유화된 세포를 '심장 근육 세포'인 심근세포가 되도록 유전자를 조작하는 것입니다.




기사에 의하면 이러한 방식의 치료가 흉부를 절개할 피요도 없이, 기존의 '카테터'를 이용해서 시술을 할 수가 있으며, 세포를 이식하는 것도 아니라서 '면역 거부반응'도 없다고 하는 것입니다. 다만, 이 '세포 리프로그래밍'에 들어가는 유전자를 맞추는 것이 쉽지가 않으며, 목표한 지점 외에 다른 곳에 들어갈 위험성은 여전하다는 생각이 듭니다.

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보통 인간을 비롯한 동물의 몸은 무수한 세포로 이루어져 있으며, 이 세포들 끼리 강하게 달라붙어 있다는 것을 아실 것입니다. 그냥 생각하면 당연하다면 당연 하다고 생각할 수도 있으나, Newton 2017년 10월호에 이에 대해서 자세하게 나와 있었습니다. '카드헤린(Cadherin)'이라는 단백질이 기사에서 소개되면서, 우리는 당연하게 생각했던 세포끼리 붙어 있다는 것이 사실은 '이유'가 있다는 것을 보여주고 있습니다.



이야기는 20세기 초로 거슬러 올라가는데, 동물에서 적출한 살덩이를 '트립신'이라는 단백질 수용액에 넣자, 살덩이를 이루고 있던 세포 덩어리들이 하나하나의 세포로 떨어지는 것을 확인하였다고 합니다. 참고로 이 '트립신(trypsin)'이라는 단백질은 일종의 다른 단백질을 절단하는 '효소'인데, 생명과학 연구-특히 단백질체 연구에서 정말 요긴하게 쓰이는 효소입니다.




본론으로 돌아와서 이 '트립신'에 의해서 '살덩이'를 이루던 세포 덩어리가 각자의 세포로 '분리'가 된다는 것에는 다음과 같은 의미가 있습니다. 바로 세포와 세포 사이의 결합에는 '단백질'이 관여한다는 강력한 증거가 되는데, 왜냐하면 '트립신'이라는 효소는 '단백질'을 분해하지, 세포의 다른 부분인 지질이나 당을 건드리지는 않습니다. 그래서 과거의 연구자들이 내린 결론은 세포막 외부에 있는 단백질이 세포와 세포 사이의 접착에 관여한다는 것입니다.



그럼 이 '카드헤린'이 어떻게 발견이 되었는가 했더니, 먼저 일본의 다케이치 마사토시 박사가 '칼슘'의 존재 여부가 세포간 접착에 영향을 준다는 사실을 알아 냈다고 합니다. 그 다음에는 이 단백질이 세포의 표면에 존재한다는 것을 알아 냈다고 기사에서 언급이 되어 있습니다.



위 그림은 대략적으로 '카드헤린'이 어떤 식으로 작용하는 지를 묘사한 그림입니다. 우선 카드헤린은 '세포막'이라고 위 그림에서 파란색 시트처럼 묘사가 된 막을 뚫고 나오며, 다른 세포의 '카드헤린'과 결합해서 세포끼리 붙게 만드는 것입니다. 그럼 여기서 아까전에 나온 '칼슘'과는 무슨 관계냐고 하실 건데요, '카드헤린'이라는 말 자체가 '칼슘(calcium)'과 '접착(adhere)'이라는 단어 2개가 결합한 단어 입니다.




기사에 따르면 현재까지 발견된 카드헤린의 종류만 해도 '100여종 이상'이라고 합니다. 그리고 '같은 종류'의 카드헤린 끼리 결합하는 성격이 강해서, 서로 다른 종류의 세포끼리 섞여 있어도 시간이 지나면 같은 종류의 세포끼리 서로 모여서 결합해 있는 것을 볼 수 있다고 합니다. 이 서로 다른 종류의 카드헤린의 예시는 아래의 그림과 같이 보실 수가 있습니다.



위 그림에서 왼쪽에 있는 것은 CDH1이라고 해서 E-카드헤린 이라고 불리는데, 여기서 'E'란 'Epithelium(상피)'의 머리 글자라고 합니다. 위 그림에서 우측에 있는 것은 CDH2라고 해서 N-카드헤린 이라고 불리는데, 'N'은 'Neuron(신경)'의 머리글자라고 합니다. 물론 위 그림에 소개된 '카드헤린'이 전부는 아니며, 다양한 종류의 카드헤린이 있습니다.




기사에서 가장 주목해야 할 부분은 바로 ''인데, 암이 발병했을 경우에 가장 치명적인 문제 중 하나가 '암의 전이'입니다. 그런데 '카드헤린'이 '암의 전이'에 관여되어 있다고 합니다. 다만 아직까지는 밝혀지지 않은 부분이 많기에 더 연구가 필요한 부분으로 보이며, 뇌 연구에서도 특이하게 '뇌의 부위'마다 관여되는 '카드헤린의 종류'가 다르다고 합니다. 이정도가 되니, 카드헤린이 단순한 접착제가 아니라 그 이상의 기능을 하는 듯 하다는 생각이 듭니다.

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지난달에는 iPS(유도만능 줄기세포)에 대한 포스팅이 조금은 올라 왔었는데, 10월달이 되면서 Newton의 기사에서는 '배아 줄기세포'를 가지고서 인체의 장기나 조직을 만드는 연구에 관한 내용이 올라 왔습니다. 이에 대한 내용을 포스팅 하기에 앞서서, 먼저 '배아 줄기세포'라는 것에 대해서 설명을 하여야 겠습니다.



위 그림을 보시면 알 수 있듯이 사람의 '난자'와 '정자'가 만나서 수정된 '수정란'이 나오며, 이 수정란이 자궁에 착상하면 바로 태아가 되고, 나중에 아기가 되어서 나오게 됩니다. 그런데 배아 줄기세포란 위 그림에서 붉은색 박스 안에 들어가 있는 곳에 나와있는 이 단계의 '수정란'으로, 자궁에 착상만 되면 사람이 되는 단계의 수정란을 해체해서, 내부에 있는 세포들을 꺼내서 사용하는 것입니다.




당연 사람이 될 수 있는 '수정란'을 사용하기 때문에, 인체의 그 어떤 조직으러도 분화가 가능하면서, 지금까지 수십건의 세포이식 사례가 있다고 합니다. Newton 10월호 기사에 따르면, 일본에서는 2017년 안에 최초의 '의료용 배아 줄기세포'를 완성시키기 위해서 연구가 진행 중에 있다고 합니다. 개인적으로는 이 대목에서 '황우석 교수 사태'가 얼마나 한국의 생명과학 연구에 악영향을 주었는지 알만 합니다.



다시 본론으로 돌아와서, 가시의 내용만 봐서는 일본이 이미 게임을 다 잡은 것처럼 보이지만, 게임을 다 잡기는 커녕 인류 전체가 해야만 하는 일이 아직도 많다고 해야 겠습니다. 왜냐하면, 일본 연구팀이 하는 일은 '배아 줄기세포'등을 확립한다는 것이지, 이를 어떻게 인체의 각 조직으로 분화시킬 것인가는 '또 다른 문제'입니다.



위 그림처럼 의료용 배아 줄기세포를 그냥 넣기만 해도 알아서 주변의 조직으로 분화하면 좋겠지만, 실패할 경우 그냥 암 세포가 되어 버릴 가능성이 존재 한다는 것이 문제라면 문제입니다.


링크 : 유도만능 줄기세포(iPS)는 암세포와 밀접한 관계가 있다고 합니다.


위 링크에서도 알 수 있듯이, 유도만능 줄기세포(iPS)나 배아 줄기세포나 제대로 된 분화가 일어나지 않으면 '암세포'가 되어 버리는 현상이 벌어지게 되기에, 일본이 이런 줄기세포를 가지고 하는 연구를 100% 끝냈다고 말 하기는 아직 이른 것으로 보입니다. 아니 다른 말로 하자면 이제부터 시작이라고 해야 할까요?




비록 문제가 많고, 또 환자에게 면역 거부반응을 일으킬 확율도 더 높은 것이 이 '배아 줄기세포'이지만, 그래도 지금까지 이 줄기세포를 가지고서 '인체'로 분화된다는 것을 알아낸 것만 해도 대단하다는 생각이 들었습니다. 다만 역시나 '윤리적 문제'와 더불어서, 이 수정란을 구하는 단계부터가 만만치 않을 것이라는 생각이 듭니다.

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  1. 공수래공수거 2017.10.09 09:51 신고

    대국민 사기를 친 황우석 아직도 생생합니다.
    연휴가 이제 막바지네요^^

안녕하세요?


암은 나이가 들어서 걸리기도 하지만, 젊은 나이에 걸릴 수도 있어서 상당히 무서운 질병인데, 과거에 이 블로그에서 암에 대해서 몇번 포스팅을 한적도 있기는 합니다.


링크 : 암-지독한 랜덤게임? 이라는 기사를 읽고나서


그런데 Newton 2017년 9월호에 암치료에 관한 최신 이야기가 싣려 있어서 이에 대한 치료방법 중에 '유전자 변형 T세포 요법'에 대해서 나와 있었기에 이에 대해서 포스팅을 하고자 합니다.



먼저 여기서 언급해야 할 것이 '세포독성 T 세포'라는 것이 있습니다. 위 사진에서 붉은색으로 동그라미 쳐진 것으로, Newton의 기사에서는 '세포 상해성 T 세포 (CTL)' 이라고 되어만 있는데, 일단 아래의 링크에 어느정도 설명이 되어 있기에 먼저 링크를 걸어 주도록 하겠습니다.


링크 : 적응면역 이야기 part3-T cell 이야기 part1


위 링크의 <면역학 이야기>에서는 아직 설명하지는 않았지만, cytotoxic T cell은 '암세포'를 인식해서 죽일 수 있는 기능도 있습니다. 어느정도 생명과학이 전공이시거나 의학쪽 전공이라면 짐작하실 수도 있지만, 바로 이 T 세포에 약간의 유전자 조작을 가해서 암을 공격하도록 만들 수 있습니다.




먼저 암환자의 혈액 속에서 '세포독성 T 세포'만을 추출한 다음, 유전자 조작을 통해서 환자가 걸린 ''에 특화가 되어 있는 유전자를 집어 넣고 발현이 되도록 합니다. 여기 Newton의 기사에서는 어떻게 '세포독성 T cell'만을 추출하며, 어떤 방법으로 '암에 특화된 유전자' 를 집어 넣었는지는 나와 있지 않았습니다.



충분한 숫자의 '암에 특화된' Cytotoxic T cell이 확보가 되었다면, 다시 환자의 몸에 되돌려 주는 단계에 들어가게 됩니다. 남은 것은 이제 세포독성 T 세포들이 '암세포'를 공격해서 죽인다고 해야 할까요? 암세포를 소멸시키기를 기다리면 되는 것이 남았다는 생각이 듭니다. 기사에 따르면 왜 이런 방법을 사용했는가 하면, 원래 암세포는 '정상적인' 체세포 였기 때문에, 세포독성 T 세포가 인식하기 어려운 문제가 있습니다.



이 치료법에 동원된 유전자 조작으로 인해서 '키메라 항원 수용체(CAR)'라는 것이 발현이 된다고 합니다. 이 부분에서 제가 많이 헷갈리기도 했는데, 이게 비록 세포독성 T 세포라고는 하지만, TCR을 건드리는 것이 아니라 별개의 세표 표면 수용체인 'CAR'이 발현되는 것이 특징이라고 합니다. 정확하게 어떻게 디자인을 했는지는 기사에서 나오지는 않았지만, TCR을 대신해서 'CAR을 발현'시키고, 이 CAR이 암세포와 세포독성 T cell을 '결합'시켜 준다고 합니다.



하지만 이 Newton에 소개된 기사만 가지고서는 정말로 핵심이 되는 CAR이 어떻게 디자인을 하며, 암에 특화된 세포 표면 단백질은 또 어떻게 해서 찾아 낼 수 있는지에 대해서는 나와있지 않았습니다. 단지 한가지 알 수 있는 것이라면, 이 CAR은 T 세포 표면에서 발현이 되는 '자역적인' 단백질은 아니라는 것을 알 수 있었습니다.




마지막으로 기사에서 언급하기로는 iPS(유도만능 줄기 세포)로 부터 만들려 연구하고 있다고 하는데, 아마도 '기성품' iPS로 부터 미리미리 세포독성 T 세포를 분화시켜 얻어서 준비시키고, 암환자가 발생할 때 마다 이 유전자 조작 T세포를 투약할 것으로 보입니다.


링크 : iPS(유도 만능 줄기세포)를 이용한 의료기술


이 '유전자 변형 T 세포 요법'이 근래 미국의 펜실베니아에서 약 90%의 환자에서 효과를 보았다고 언급하고 있습니다. 다만 아직까지는 환자 하나하나에 맞추어서 이 요법을 하려고 하면, 너무 시간과 돈이 많이 들 것으로 생각이 되는데, 앞으로는 기성품을 이용해서 일반적인 암 환자도 치료받을 수 있는 요법이 되기를 기대해 봅니다.

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지난번 포스팅에서 TCR이 다양한 유전적인 이유에 대해서 포스팅할 차례라고 언급을 하고 나서 끝을 냈었는데, 이번 포스팅에서는 먼저 T 세포 수용체(TCR)의 유전자 재배열에 대해서 포스팅을 하고나서, NK수용체에 대한 내용을 추가적으로 다루고자 합니다. 먼저 간단하게 αβ TCR에 대해서 다루겠습니다.



먼저 위 그림에 묘사가 된 것처럼 TCR을 구성하는 α사슬은 14번 염색체에 유전자 정보가 위치하고, β사슬을 구성하는 유전자는 7번 염색체에 위치를 하고 있습니다. 어디서 한번은 본적이 있다는 생각이 든다면 맞는 것이, 항체의 V(D)J recombination과 같이 흉선에서 T세포가 분화되어 나올 때 이러한 유전자의 재조합이 일어나고, 이어서 TCR의 발현까지 발현까지 영향을 주게 됩니다.




링크 : 항체가 다양한 이유-유전자상에서 일어나는 이야기 part2


위 링크에서 다룬적이 있었는 RAG복합체와 DNA변형 효소가 여기서도 동일하게 작용한다고 면역학 책에서 언급되어 있습니다. B세포와 마찬가지로 T세포 역시 V(D)J recombination이라는 동일한 과정을 이용해서 항체가 다양한 것처럼, T세포 표면 수용체(TCR)도 다양하게 만들 수 있는 것입니다.



위 그림은 β사슬의 유전자 재조합 과정에서 '기하학적 재조합(geometric recombination)' 이라는 것이 일어난다는 것을 보여주고 있습니다. 일반적으로 Dβ1이 사용되었다면, 한 세트(?)인 Jβ1시리즈가 올 것 같지만, 다음 세트(?)에 있는 Jβ2.2가 오는 식으로 생각지도 못하게 다양한 조합을 만들어 낼 수 있는 것입니다. 하지만 이것이 끝이 아닙니다.



예전에 항체의 '유전적 다양성'에 대해서 포스팅을 할 때 언급이 되었는 '이음부 다양성(junctional diversity)'가 여기서도 적응이 됩니다. 위 그림에서 묘사가 된 것처럼 V,D,J가 '가변 경계 재조합(variable boundary recombination)'으로 인해서 여러가지 '접합부 서열(junctional sequence)'가 나오게 됩니다. 즉, 접합부에도 이런 변화가 생겨서 다양한 형태의 TCR이 나오게 됩니다.



여기서 일전에 설명을 드린 γδ TCR에 대해서 궁금하실 건데요, 위 그림에서 δ사슬이 염색체 14번에서 어떻게 위치하고 있는지를 나타낸 그림입니다. 사람의 δ사슬은 14번 염색체의 Vα와 Jα 사이에 위치하고 있으며, 유전자가 재조합시에 필연적으로 δ사슬 좌위의 불활성화를 일으킨다고 합니다. 즉, 대다수의 경우에는 α사슬이 발현될 경우 δ사슬의 유전자는 자동으로 떨어져 나간다는 의미입니다.



반대로 7번 염색체에 γ사슬의 유전자가 위치해 있기는 하지만  δ사슬과는 다르게 β사슬의 유전자 좌위와는 아무런 관계가 없이 위치해 있다는 것이 문제입니다. 면역학 책에 서는 아직 γδ TCR에 대해서 그다지 규명된 것은 많지 않으나, '상피조직'에서는 우세한 T세포 집단이 될 수 있다고 합니다.




이제 NK세포(자연 살해 세포)의 수용체라고 해야 할까요? 이 NK세포에 관련이 되어 있는 일에 대해서 깊이 들어가 봐야 겠습니다. 예전 포스팅에서는 언급하기를, NK cell이 이미 '감염된 세포'를 자살시킨다고 하였습니다.


링크 : 선천적 or 내재적 면역 이야기 final-선천적 면역의 마지막 이야기


이 NK세포가 건강한 신체 조직을 공격해서 죽이면 안되기에, NK세포 활성 수용체 외에도 자실들의 기능을 억제하는 수용체 역시 가지고 있다고 합니다. 이 수용체들은 '내장된(hard-wired)' 수용체라고 해서, 다양성을 위해서 VDJ 재조합에 들어가지는 않는다고 합니다. 그래서 면역학 책에서는 '선천적 or 내재적' 면역 반응에서 언급된 적이 있는 '패턴인식 수용체'와 유사하다고 언급이 되어 있습니다.



위 그림은 정상적으로 자기 MHC class I를 발현하는 인체의 체세포와 만났을 때, NK 세포가 '무반응'하는 것을 묘사한 그림입니다. 그럼 이 MHC class I가 무엇이냐는 의문이 드실 것인데, 먼저 아래의 링크를 타고 내용을 읽어 주시기 바랍니다.


링크 : 적응면역 이야기 part3-T cell 이야기 part1


위 링크에 나온 내용에 의하면, 병원체에 '감염'되어 숙주가 된 인체의 세포는 MHC class I를 통해서 '세포독성 T 세포'를 끌여들이게 됩니다. 따라서 미생물들은 이 MHC class I을 아예 발현되지 못하게 만드는 전략을 취하기도 하는데, 이럴 경우 아래와 같은 그림의 상황이 벌어지게 됩니다.



위 그림에서 체세포는 바이러스와 같은 '항원'에 감염이 되어서 MHC class I이 전혀 발현이 되지 않은 상황입니다. 이 상황에서 '감염된' 체세포에서 '활성 리간드'까지 발현이 되면, NK세포가 망설일 것도 더 없이 표적이 된 세포를 공격해서 세포 자살이라는 apoptosis를 일으키게 되는 것입니다.




그런데 위 그림들에서 묘사한 NK세포들의 작용에 대한 것도 '가설'이라고 해서, MHC class I가 존재하면서도, NK 세포를 활성화 시키는 리간드가 존재하는 '모순'적인 상황이 발생하게 됩니다.



위 그림처럼 MHC class I와 활성 리간드가 동시에 존재할 경우에는 '억제'하는 신호의 강도와 '활성화'하는 신호의 강도 사이에서 어느쪽 신호가 더 강하느냐에 따라서, NK세포가 활성화 되어서 체세포를 '죽게'만들거나, 아니면 억제가 되어서 아무런 작용도 하지 않을 것입니다.



마지막으로 위 그림처럼 MHC class I와 활성 리간드 2개 모두 다 동시에 없는 경우 입니다. 이런 경우라면 NK세포가 반응을 아예 할 수 없어서, 면역학 책에서는 거의 '인식할 수 없는 (ignore)'라고 언급하고 있습니다. 이것으로 NK세포 매개 살해와 'missing-self'가설에 대해서 대략적으로 설명하였습니다.


원래라면 여기서부터 NK세포의 활성화 및 억제 수용체에 대해서 더 나아가야 하지만, 예상과는 달리 NK수용체에 대한 내용도 많아서 포스팅을 더 이어나가면 너무 길어지는 문제점이 있어 보입니다. 그래서 이번 포스팅은 이쯤에서 마치도록 하고, 다음 <면역학 이야기> 포스팅에서는 나머지 부분을 다루도록 하겠습니다. 긴글 읽어 주셔서 감사합니다.

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안녕하세요?


여기서도 2번인가 포스팅 주제로 다루어 본적이 있는 iPS(유도만능 줄기세포)에 대해서, 새롭고 흥미로운 내용이 Newton 2017년 9월호에 나와있어서, 이번 포스팅에서 의료용으로 어떻게 iPS를 만들어 내며 이게 iPS가 나왔다고 끝이 아니라, 얘네가 여러가지 인체를 구성하는 체세포만 골라 내는 기술에 대해서 다루고자 합니다.



먼저 2007년 시점에서 처음 iPS를 만들 때 사용한 방법에 대해 일부분을 묘사한 그림입니다. 위 그림에서는 '바이러스'를 묘사했는데, 실제로 동물세포의 유전자를 조작하기 위해서 '레트로 바이러스'라고 RNA가 유전자 정보로 있으며, 숙주가 되는 동물세포의 DNA에 바이러스의 RNA를 끼워넣는 기능이 있습니다.




문제는 이 바이러스 속의 유전자 정보가 체세포.... 그러니까 iPS의 DNA속에 들어갈 경우 잘못하면 '암세포'로 변할 위험성이 있다는 것입니다. 이 때문에 Newton에 소개되어 있기로는 아래의 그림과 같이 '레트로 바이러스'가 아니라 '플라스미드'라는 것을 사용한다고 언급이 되어 있습니다.



우선 '플라스미드'에 대해서 언급을 하자면, 세균의 세포내에 복제되어 독자적으로 증식할 수 있는 '염색체 이외의 DNA분자'를 총칭하는 말인데, 얘네는 앞서 소개된 레트로 바이러스와는 다르게 iPS의 DNA속으로 유전자 정보를 집어넣지 않고, iPS가 세포분열을 거듭하는 가운데 사라진다는 특징이 있습니다. 이쯤에서 왜 iPS를 유도하는데 쓰이는 유전자가 iPS의 염색체 속에 들어가면 안되는지 궁금 하시리라 생각이 됩니다.


링크 : 유도만능 줄기세포(iPS)는 암세포와 밀접한 관계가 있다고 합니다.


위 링크에서 보시는 바와 같이 iPS를 유도하는 유전자 중에 일부는 ''과 관련이 있는 유전자이기 때문에 반드시 중간에 제거되어야 할 필요성이 있습니다. Newton의 기사에서는 자세하게 언급은 되어 있지 않았지만, 위 그림처럼 '단핵구(Monocyte)'에 '플라스미드'를 넣기 위해 물리적으로 '전기충격'을 주거나, 화학적으로 '일시적인 구멍'을 뚫는 방법을 쓸 것으로 생각이 됩니다.



추가로 iPS를 배양이라고 해야 할까요? 키우는 방식에서도 기존 2007년 방식은 문제가 있는게, 우선 위 그림에서 표시된 '피더세포'가 사실은 '생쥐의 태아'레서 추출한 세포라는 것이 문제입니다. 같은 사람의 세포라도 이식될 경우 면역거부 반응이 우려되는데, 다른 동물에서 유래된 세포가 들어오면 말할 것도 없습니다.




거기다가 일반적으로 세포를 배양하는데 쓰이는 배양액에는 소혈청이 들어가 있어서, 2007년도 방식은 이런 면에서 의료용으로는 극히 부적절 합니다. 그래서 위 그림에서 묘사된 것과 같이, 합성된 단백질 분자를 바닥에 깔아놓고, 배양액에는 동물에서 유래된 성분을 최대한 배제한 것을 사용한다고 합니다. 그럼 이렇게 암이 되는 위험만 줄인다고 해서 끝이냐 하면, 그것도 아닌게 iPS가 분화하면서 온갖 종류의 세포가 되는데, 여기서 필요로 하는 종류의 세포만 추출해야 하는 일이 남아 있습니다.



우선 기사에 소개된 '원하는 세포만 모으는 기술'을 설명하기 위해서는 '마이크로 RNA(microRNA)'에 관해서 설명을 간단하게 하고자 합니다. miRNA의 주요기능은 일반적으로 '단백질'로 '번역(translation)'이 되기위해 필요한 mRNA의 기능을 차단하는 것입니다. 즉 miRNA가 mRNA의 기능을 차단하기 때문에, 이를 통해서 '유전자 발현'을 조절한다는 특징이 있습니다.


이 이야기가 왜 중요하냐 하면, 체세포의 종류-신경세포, 심근육세포, 뼈 세포 등에서 발현되는 miRNA가 다르기 때문입니다. 그래서 아래의 그림과 같이 설계된 RNA-아마도 세포 안에서 단백질로 번역(translation)이 되도록 설계가 되었는 mRNA로 보이는데, 아래의 그림과 같은 과정을 거친다고 합니다.



우선 원하는 세포에서만 '발현되는' miRNA를 알고 있다면, 위 그림에서 묘사되는 것처럼 '인공mRNA'를 합성해서 iPS가 분화한 세포들 안에 집어 넣도록 합니다. 여기서 원하지 않는 세포라면, 당연히 위 그림에서 나온 '인공mRNA'의 붉은색 부분에 결합할 miRNA도 없기 때문에 그대로 형광 단백질이 나와서 '원하지 않는 세포'라는 표식을 나타냅니다.




당연 여기서 '형광'이 나오는 세포를 모두 제거하면 남은 세포는 원하던 세포만 남게 되므로, 이와 같은 방법을 통해서 원하는 세포-예를 들면 시신경 세포만 골라내서 사용하고자 하는 경우, 이러한 방법을 통해서 iPS에서 분화되어 나온 다른 세포들, 예를 들면 근육세포나 혈액세포등을 제거할 수 있다고 합니다.


개인적으로는 이 인공mRNA를 세포 안으로 넣는 과정에서 세포가 손상이 되지 않을까 하는 우려가 있기도 합니다. 또 다른 방법으로는 '항체'를 이용해서 원하는 세포를 가려내는 것도 방법이 될 수 있을 것이라고 생각을 합니다만, 이러한 방법을 왜 사용하지 않는지는 잘 모르겠습니다. 

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안녕학세요?


지난번 포스팅에서 'B세포 표면 수용체(BCR)'에 대해서 포스팅을 마쳤고, 이번 포스팅부터 'T세포 표면 수용체(TCR)' 에 대해서 상세하면서도 알기 쉽도록 포스팅을 하고자 합니다. 얼마나 많은 포스팅이 나올지는 지금으로서는 알 수 없지만, TCR에 관한 내용이 상당히 많기 때문에, 한동안은 이 내용을 가지고서 <면역학 이야기>가 이어지리라 봅니다.



먼저 소개할 내용은 위 그림에서 보는 것과 같이, BCR은 항원의 3차 구조를 인식해서 결합을 하는 데 비해서, TCR은 항원의 2차 구조라고 해야 할까요?아미노산 서열(amino acid sequence)를 인식해서 결합을 하지, 항원의 3차원적 구조를 인식할 수는 없습니다. 우선 BCR, 항체와는 다른 이 특징에 대해서 설명을 하고 넘어가겠습니다.



위 그림은 TCR의 구조를 모식적으로 묘사한 그림입니다. 위 그림의 묘사처럼 TCR은 '헤테로다이머(hetro dimer)' 라고 해서 α와 β사슬로 서로 다른 두개의 다른 폴리 펩타이드 사슬로 구성되어 있다고 합니다. 그리고 이 α와 β사슬의 아미노산 서열은 항체처럼 '가변부위(V부위)'와 '일정부위(C부위)'로 나뉘어져 있습니다.




그리고 특이한 점이 있다면, 이 TCR은 이전에 포스팅에서 항체의 구조에 대해서 설명할 때 나왔던 'Fab'조각과 구조적으로 유사하다고 면역학책에서 언급이 되어 있습니다.


링크 : 항체에 대한 세부적인 이야기part1


다만 항체와는 다르게, 위 그림에서 빨간색으로 표시가 되었는 '상보성 결정부위(complementary_determining region, CDR)'이 단백질의 '2차 아미노산 서열'을 인식해서 결합한다는 차이점이 있습니다.



TCR은 혼자서만 작용하지 않고, TCR과 더불어서 공동 수용체 역할을 하는 막 단백질인 CD4 또는 CD8을 위 그림에 나와 있는 것처럼 발현을 합니다. 위 그림의 묘사처럼 CD4는 T세포 표면으로 부터 '긴 막대 형태'로 돌출되어 있으며, 4개의 '면역 글로불린(Ig)-유사 도메인'으로 구성된 단일 사슬 폴리 펩티드라고 합니다.


CD8은 α와 β 사실이 '이황화 결합'을 하였는 헤테로 다이머이며, CD4와 마찬가지로 '단백질 티로신 인산화 효소(protein tyrosine kinase)Lck'를 끌여 들여서 T세포에 'TCR신호'를 전달하는 역할을 하게 된다고 합니다. 위에 소개가 된 CD4와 CD8에 대해서는 지난 포스팅에서 간략하게나마 설명이 되었습니다.


링크 : 응면역 이야기 part3-T cell 이야기 part1


그때 나왔던 것처럼 CD4냐 CD8이냐에 따라서 T세포는 MHC class I의 펩티드 항원을 인식할 것인지, 아니면 MHC class II의 펩티드 항원을 인식할지 여부를 좌우한다고 합니다. 지난 포스팅의 내용과 같이 CD8+ T세포는 '세포 내부 유래(MHC class I)'분자를 통해 제시된 항원과 결합, 세포독성 T세포로 분화 한다고 합니다. CD4+ T세포라면, '세포 외부 유래(MHC class II)'의 펩티드 항원과 결합해서 보조 T세포로 분화 됩니다. 때문에 CD8과 CD4 분자들은 T세포를 매개로 하는 면역기능에 중요한 역할을 한다고 합니다.



위 그림에서 T세포에 TCR 활성 신호가 어떻게 전달이 되는지를 묘사한 그림입니다. 우선 여기서는 CD3라는 막 단백질이 나오는데, 여기서는 예전 포스팅에서 언급을 하였는 'ITAM'이 등장을 하게 됩니다.


링크 : B세포 표면 수용체(BCR)에 대한 세부적인 이야기 part2


위 링크의 BCR의 신호 전달과 같이, TCR도 γ, ε, δ, ε로 구성된 CD3를 통해서 활성화 신호 1번을 T세포에 보내고, CD4/CD8으로 활성화가 된 ζ의 CD3 사슬을 통해서 한번 더 또 다른 신호를 보내는 것으로 보입니다. 다만 이 이상의 자세한 설명은 면역학 책에서 나오지는 않았지만, 아마 책의 후반부에 가면 더 상세하게 다루어 지리라 생각이 됩니다.




TCR은 위에서 α와 β의 두개로만 구성되어 있는 것이 아니라, γ와 δ로 구성된 TCR이 있다는 것도 발견이 되었다고 합니다. 그래서 '흉선 개체 발생(thymic ontrogeny)'의 초기에 나타나는 γδ 수용체는 종종 'TCR1'으로 불리며, αβ수용체는 'TCR2'로 불린다고 언급을 하고 있습니다.



위 도표는 αβ T세포와  γδ T세포의 차이점에 대해서 간략하게나마 정리를 하였는 도표입니다. 아직까지는  γδ TCR인 TCR1에 대해서 그다지 알려진 것은 없는지 이 이상은 면역학 책에서는 자세하게 나오지는 않았습니다. 다만 위 도표에 나와있는 대로 MHC의 도움없이 '단백질이 아닌' 항원을 인식한다는 점만이 알려져 있을 뿐입니다.


이제 여기서는 왜 TCR이 유전적으로 다양한 이유에 대해서 설명을 들어가야 하지만, 이미 포스팅의 내용이 길어졌다는 생각이 듭니다. 그래서 아직 소개할 내용이 많이 남아 있기는 하지만, 이번 포스팅은 여기서 마치도록 하고, 다음번 포스팅부터 TCR의 유전적인 다양성 부터 설명에 들어 가도록 하겠습니다.

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안녕하세요?


이 블로그에서 이전에 '크리스퍼/캐스나인-Crispr/CAS9'에 대해서 소개를 한적이 있었습니다.


링크 : 유전자를 절단하는 효과적인 가위-크리스퍼/캐스나인-Crispr/CAS9에 대한 이야기


이번 '과학동아' 2017년 9월호에 재미있게도 이 생명공학의 이 기술에 관련된 '특허' 이야기가 올라와 있기에 관련된 내용을 포스팅 하고자 합니다.



먼저 기사에 따르면, 2022년까지 크리스퍼로 인한 수익이 연 평균 23억 달러(약 2조 6200억원)에 이를 것으로 전망을 하였다고 했습니다. 이 때문일까요? '미국 버클리 캘리포니아대(UC 버클리)'와 MIT와 하버드대가 공동으로 설립한 '브로드 연구소(Broad Institute of MIT and Harvard)'가 이 크리스퍼/캐스나인 기술에 대해서 특허분쟁 상태에 들어 갔다고 합니다.




재미있게도 UC버클리가 2012년 5월에 특허를 출원하고, 브로드 연구소는 같은해 12월로 UC버클리 보다 '더 늦게' 특허를 출원했다고 합니다. 그런데 미국 특허청(USPTO)의 '우선 심사제도'를 브로드 연구소가 이용했기 때문에 특허는 2014년 4월에 먼저 등록이 되었다고 합니다. 한마디로 특허에 등록하는 것 자체는 브로드 연구소가 성공했다고 볼 수 있습니다.



이에 UC버클리도 가만히 있지 않고서 '특허청 심판 위원회(PTAB)'에 저촉심사라고 해서, 기술을 먼저 개발한 쪽이 어느쪽인지 밝혀내는 심사를 요구했다고 합니다. 다른 말로 하자면 UC버클리쪽에서 '우리가 먼저 개발' 했으니, 특허의 권리는 브로드 연구소가 아니라 UC버클리 쪽에 있다고 하면서 소송을 건 것입니다. 그런데 다음과 같은 이유로 저촉심사를 할 필요가 없다고 심판 위원회가 결론을 내렸다고 합니다.



먼저 UC버클리가 Crispr/cas9을 '먼저' 발견한 것은 맞는데, 문제는 '미생물'의 유전자 변형에 적용한 것이고, 브로드 연구소의 크리스퍼/캐스나인은 '사람의 세포'를 유전자 조작 하는데 사용했다는 것 입니다. 그래서 미국 특허청에서는 UC 버클리와 브로드 연구소의 특허를 둘다 인정해 주었다고 합니다. 단, 포유류나 인간에게 이 기술을 적용하고자 하면 브로드 연구소의 특허를 사용해야 하기 때문에, 사실상 '브로드 연구소의 승리'라고 합니다.



실제로 위 그림을 보시면, 사용한 크리스퍼/캐스9의 설계라고 해야 할까요? 비유하면 UC버클리의 제품과 브로드 연구소의 제품 모두 기본적인 작동원리나 디자인은 같은데, 브로드 연구소의 Crispr/CAS9은 NLS(Nuclear Localization Signal, 핵 이동 신호)라는 모듈이 추가로 들어가 있다는 차이점이 있습니다. 실제로 NLS가 있어야 포유류나 사람의 세포처럼 '핵막'이 있는 세포의 핵속으로 CAS9단백질이 들어가서 DNA를 자를 수 있다고 합니다.




물론 미국 특허청의 결정에 UC버클리가 인정하지 않고 항소했기 때문에 2라운드에 돌입했다고 볼 수도 있습니다. 재미있게도 이 소송 결과에 따라 한국 기업인 '툴젠'도 영향을 받는다고 하는 것입니다. 브로드 연구소 보다 2개월 앞서서 '크리스퍼가 진핵세포(포유류나 인간의 세포등)에 작용'한다고 특허를 냈는데, 이 때문에 브로드 연구소가 UC버클리에 승소할 경우 '툴젠'이 조금 더 유리한 고지를 점령할 수도 있다고 합니다. 물론 이 특허 전쟁은 UC버클리와 브로드 연구소 말고 여러개의 다른 기관이 얽혀 있는데, 이를 생각해 보면 상당히 복잡한 일인듯 합니다.


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