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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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이 블로그에서도 예전에 한번 iPS(유도 만능 줄기세포)라는 것에 대해서 포스팅을 했는 적이 있었습니다. 그때는 iPS에 대해서 정말 간단하게 설명을 하고나서, 암과의 상관관계에 대한 내용을 포스팅 하였습니다.


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


Newton 2017년 9월호 기사를 읽어보니, 이 iPS세포를 이용해서 어떻게 활용하는 지에 대해서 나와 있었습니다. 상당히 유용하다고 판단되는 내용이 많기에, 이번 포스팅에서는 관련된 내용을 한번 포스팅 하고자 합니다.



위 그림은 '황반 변성'이라고 해서, 노인들이 시력을 잃는 질환의 대표적인 것 중에 하나인데, 일본의 연구팀이 iPS가 여러가지 장기로 분화하는 특징을 이용해서 망막 세포로 만든 다음 이식하는 연구를 하였다고 합니다. 다만 이렇게 자기 몸에서 떼어내서 나온 체세포를 iPS로 만들고, 이 iPS를 다시 망막세포로 만들어서 시력을 회복하는 치료는 약 1억엔(한화 10억원)이라는 비용이 드는게 흠이라고 합니다.




그래서 연구자들은 '기성품' iPS라는 것을 제작하기 위해서 시도를 하고 있다고 합니다. 무슨 말인가 하면, 위에서 말했다 시피, 환자의 체세포를 떼어다가 망막세포를 만들려 하면 약 10억원의 비용이 드는데, 이렇게 비싼 방법을 이용할 것도 없이 면역 거부 반응이 없는 '타인'의 iPS를 미리미리 만들어서 '이식할 준비'를 하는 것이라고 할 수 있어 보입니다. 말로는 설명이 어려우니 아래의 그림을 보아 주십시요.



위 그림처럼 '특이 유전자'를 보유한 사람의 체세포를 떼어다가 iPS를 만들고, 이 iPS를 원하는 세포로 '분화'시킨 다음 '타인'일 터인 환자들에게 이식을 하는 것입니다. 여기서 염려가 되는 것이 '면역거부반응'인데, 기존의 장기 이식과는 다른 점이라면, 저 '특이 유전자'를 지닌 사람의 몸에서 나온 iPS를 여러사람에게 사용한다는 점입니다. 그리고 저 '특이 유전자'는 이론적으로는 환자에게 '면역 거부반응'을 일으키지 않는다고 합니다. 그럼 여기서 한가지 의문이 드실 것입니다. 저 '특이 유전자'란 무엇인가?



사람의 염색체 6번에는 HLA(Human Leukocyte Antigen)이라는 유전자가 위 그림처럼 있습니다. 이 유전자는 백혈구에게 자기/비자기를 나타내는 표지인데, 기성품 iPS를 만들기 위해서 요구되는 조건이 바로 '부모로 부터' 받은 HLA유전자 쌍이 모두 같은 모양이 되는 것이라고 합니다. 조금 어렵게 느껴지실 분들을 위해서 아래의 그림을 보아 주시기 바랍니다.



6번 염색체는 아버지와 어머니로 부터 각각 하나씩 받는데, 대게의 사람들은 아버지쪽의 HLA와 어머니쪽의 HLA가 다른 '헤테로(Hetero)'라고 불리는 형질을 지니는데, 드물게 양쪽 부모로 부터 물려받은 HLA유전자가 '같은' 형질의 사람이 있습니다. 이런 형질을 '호모(Homo)'라고 부르며, 위에서 말한 '특이 유전자'란 이렇게 HLA가 '호모'인 사람들을 부르는 말이었습니다. 그럼 이게 왜 중요한지 의문이 드실 건데요, 지금부터 그 중요성을 설명하도록 하겠습니다.





'헤테로'인 HLA를 보유하면, 두 HLA유전자가 환자와 같아야 iPS를 이식할 수 있습니다. 하지만 이렇게 되면 '장기이식'과 마찬가지로 이식받을 환자에게 맞는 iPS를 구하는 것은 상당히 어렵게 됩니다. 하지만 위 그림에서 묘사된 것처럼 '호모'인 HLA를 보유한 '제공자'의 체세포로 만든 iPS라면, 환자에게 있는 한쌍의 HLA 유전자 쌍중에 하나만 일치해도 이론적으로는 면역거부 반응이 없습니다.


어떻게 쓰다보니 iPS를 가지고서 임상의학에서 주로 이용하는 이야기를 한다는 것이, 기성품 iPS를 만드는 것에 대해서 이야기가 되어 버렸습니다. 하지만 장기 기증과는 다르게 '기성품' iPS의 개발은 임상의학에서 상당히 중요한 것이, 자기 몸에서 세포를 떼어내서 iPS를 만들어서 쓰는데 10억원이나 하는 치료비는 너무 비싸다는 것입니다. 그래서 연구자들-Newton의 기사에 따르면 주로 일본에서 연구를 하는 것으로 보이는데, 이렇게 미리 만들어져서 환자에게 바로 쓸 수 있는 iPS를 연구하는 것 같습니다. 다만 이역시 실제로 임상에서 사용시 어떤 부작용이 나올지 알 수 없으며, 기성품 iPS가 오염되지 않도록 유지 관리하는 것도 중요하다고 합니다.

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이번 포스팅은 Newton 2017년 5월호에 있던 [초기화된 iPS세포와 암세포의 관계는?]이라는 기사를 읽고나서, iPS와 암세포와의 관계를 알기쉽게 설명해서, 그 내용을 포스팅 하고자 합니다. 우선 본격적인 포스팅에 들어가기 앞서서 iPS라는 것에 대래서 설명을 해야 겠다는 생각이 듭니다.



간단하게 설명을 하자면, 세포에 인공적인 자극을 가해서 다시 줄기세포와 같은 기능을 하도록 유도한 세포라고 하는 것이 간단합니다. 그래서 이름이 유도만능 줄기 세포라고 해서 Induced Pluripotent Stem cell의 약자로 iPS라고 부르는 것입니다. 일단 Newton 5월호의 기사에서 언급하기로는 4개의 전사 인자라고 해서, Transcription Factor, 즉 유전자의 발현이라고 해야 할까요? DNA상에 달라 붙어서 RNA를 만들어 내는 기작에 관여하는 단백질이 있는데 그 중에 4 종류를 언급하고 있습니다.


우선 인간의 피부세포를 배양하고서, 여기다가 4종류의 전사인자 (Oct3/4, Sox2, Klf4, C-Myc)를 집어 넣었다고 합니다. 이러면 세포 내에서 발현되는 유전자에 변화가 생겨서, 줄기세포처럼 다양한 장기로 분화할 수 있는 능력을 지니게 된다고 합니다. 이 iPS는 줄기세포가 지니는 단점과 마찬가지로, iPS역시 암세포가 될 가능성이 존재 합니다.



실제로 iPS를 유도하기 위해 들어간 전사인자 중에 하나인 C-Myc라는 전사인자는 암을 일으키는 유전자로도 알려져 있습니다. 거기다가 iPS역시 암세포와 마찬가지로 텔러머라아제라고 해서, DNA끝 가닥을 복구하는 효소가 활성화된 점이 똑같습니다. 그래서 기사에서는 P53이라는 단백질이 중요하다고 언급을 하고 있습니다.



이 P53은 Apoptosis라고 해서 세포의 자살이라고 해야 할까요? 간단하게 설명을 하자면, 세포에 어떤 이상이 생기면-예를 들어서 멀쩡하던 세포가 암 세포가 된다거나 하면 P53이 DNA에서 발현이 되어서 세포가 사멸, 즉 세포가 죽도록 합니다. 이 P53에 이상이 발생하는지 여부에 따라서 iPS와 암세포가 나뉘어 진다고 합니다.



다만 기사에서 다루고 있는 사실만 가지고서는 모든 내용을 알기 어렵고, 거기다가 Newton 5월호의 기사에서는 P53만이 iPS와 암세포의 차이라고 언급을 하고 있습니다. 다만 이 기사를 읽음으로서 알 수 있었는 것은, 줄기세포와 암세포는 이웃해 있는 것처럼 밀접해 보이는 관계에 있기는 하지만, 그 결과는 크게 다르다는 것입니다.

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