학위 논문 소개 제26회 · 타카하시와 야마나카, 2006년 · 셀 126(4): 663-676 · DOI 10.1016/j.cell.2006.07.024

제가 논문을 읽기 전에 가지고 있던 의문입니다.

여러분은 이런 질문을 생각해 본 적이 있습니까: 왜 상처가 치유된 후에는 새로운 피부가 아닌 흉터가 남는 것일까요?

피부에 상처가 생기면, 몸은 그 부위를 수리할 수 있지만, 같은 조직을 다시 만들 수는 없습니다. 줄기세포가 피부 세포로 분화되면, 그 피부 세포로 영원히 남아있고, 다시 원래 상태로 돌아갈 수는 없습니다. 세포 분화는 일방적인 길처럼, 오직 앞으로만 나갈 수 있고, 되돌아올 수는 없습니다.

이 논문을 읽기 전에 제가 세포 운명에 대해 가장 깊이 간직하고 있던 생각은 이것입니다.

2006년, 일본의 교토대 연구진들은 세포 잡지에 게재된 14쪽의 논문을 통해 한 가지를 입증했습니다.세포의 운명은 고정되어 있지 않습니다.일반적인 피부 세포는 4개의 유전자 스위치만으로 배아 상태로 되돌아올 수 있습니다.

올해는 그 논문이 출판된 지 20주년이 되는 해입니다. 그리고 6년 후에 그 논문은 노벨 상을 받았습니다.

오늘 저는 이 논문을 분석하여 그 주제, 연구 방법 및 이 연구가 여러분에게 어떤 의미인지 알아보려고 합니다.

원래 길은 왜 통하지 않았을까?

2006년 이전에 과학자들은 신체 내 모든 세포로 변할 수 있는 ‘마더 셀’이라는 세포가 존재한다는 것을 알고 있었는데, 그것은 바로 배아 줄기세포였습니다. 이 세포는 무한히 증식하며, 동시에 모든 세포로 변할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

문제는 이러한 모체 세포를 채취하는 것은 배아를 파괴해야 하고, 윤리적인 문제가 있고, 공급원이 매우 제한적이라는 것입니다. 환자가 자신의 세포로 치료를 받아야 할 경우에는 거부 문제도 발생하며, 타인의 세포가 몸에 들어가면 면역체계가 그것을 공격할 것입니다.

배아 없이 환자의 정상적인 세포만 사용하여 줄기세포를 만들 수 있을까요?

이 문제는 수년 동안 전 세계의 과학자들을 괴롭혔습니다. 이미 존재하는 증거는 두 가지 방법을 가리키고 있습니다. 하나는 성체 세포의 핵을 난자 세포 내에 넣는 것(복제), 다른 하나는 성체 세포와 배아 줄기세포를 합치는 것입니다. 두 방법 모두 세포 내에 특정한 ‘재설정’ 메커니즘이 존재한다는 것을 보여주었습니다. 하지만 이 재설정을 어떤 요인들이 일으키는지 아무도 모릅니다.

이 논문의 초점이 바로 여기에 있습니다.

이건 더하기가 아니고, 빼기입니다.

연구자들의 접근 방식은 매우 단순합니다.

배아 줄기세포 내의 일부 유전자들이 특히 활발하고 모체 세포의 특성을 유지하고 있다고 가정할 때, 그 반대의 경우를 고려해 보자면, 이 유전자들을 일반 세포에 도입하면 그 세포가 다시 모체 세포로 변할 수 있을까요?

그들은 먼저 24개의 후보 유전자를 선정했습니다. 이 유전자들은 배아 줄기세포에서 높게 발현되거나, 기존 연구에 의해 줄기세포 특성과 관련되어 있다고 알려져 있습니다.

그런 다음 그들은 제가 아주 좋아하는 일을 했습니다.그건 더하기가 아니고, 빼기입니다.

우선 24개의 유전자를 일반적인 마우스 배아 섬유아세포(피부의 구조 세포라고 생각할 수 있습니다)에 모두 導入하여 그것들이 모체 세포가 되도록 하였습니다. 결과: 가능했습니다. 22개의 복제체가 생존했고, 그중 일부는 배아 줄기세포와 정확히 같았습니다. 원형, 큰 핵, 적은 세포질 등입니다.

다음으로, 어떤 유전자를 제거하면 세포가 더는 생존할 수 없는지 하나씩 확인해 보자.

24명으로 이루어진 팀처럼, 하나씩 떠나게 되고, 그들 중 하나가 떠나면 프로젝트가 무너지고 - 그 사람이 바로 핵심입니다.

이 실험의 아름다움은 그것이 ‘무엇을 추가해야 하는가?‘가 아니라 ‘누가 없어도 되는가?‘라고 묻는 것입니다.

여러 라운드의 선발 끝에 정답이 나왔습니다.오직 4개의 인자만이 필요합니다. Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc입니다.

세포는 세 개만 가지고도 생존할 수 있지만, 모체 세포처럼 자라지도 다른 세포로 변할 수도 없습니다. 하나도 없으면 안 됩니다. 이 네 개의 이름은 한 번만 기억하면 되고, 나머지는 모두 ‘이 네 개의 스위치’라고 일컬을 것입니다.

제 해석은 이 네 개의 스위치가 임의로 선택된 것이 아니라는 것입니다. Oct3/4와 Sox2는 배아 줄기세포가 ‘만능’ 상태를 유지하는 데 중요한 역할을 하는 전사인자로, 2006년 이전부터 알려져 있었습니다. 하지만 두 개의 ‘도움자’, Klf4와 c-Myc는 암과 관련된 유전자로 알려져 있었는데, 암 유전자가 세포 재프로그래밍에 관여하다니, 당시에는 매우 놀라운 일이었습니다.

확실한 증거: 되돌아온 세포는 정말 어떤 세포로도 변할 수 있습니다

‘비슷하다’고 하는 것만으로는 부족합니다. 이 되돌아온 세포들이 ‘신체 전체의 다양한 세포로 변할 수 있는’ 능력을 정말 회복했다는 것을 어떻게 입증할 수 있겠습니까?

연구진은 이 세포들을 생쥐의 피부 아래에 주입하는 매우 단순한 실험을 진행했습니다.

그 결과 특이한 종류의 종양인 기형성 종양이 자라났습니다.

상상해 보세요: 한 조직에서 신경 조직, 연골, 근육이 자라나오는데, 이 조직들은 원래는 아무 관련이 없었어요. 피부 세포 한 관에서 비롯된 것입니다. 절단해 보면, 외부 배아 층(신경), 중간 배아 층(연골과 근육), 내부 배아 층(기둥 모양의 상피 세포)이 모두 보입니다.

이 종양은 연구의 목적이 아니고, 검증의 수단입니다. 그것은 한 가지를 증명합니다. 되돌아온 세포들은 정말 ‘어떤 세포로도 변할 수 있는’ 능력을 회복했습니다.

더 흥미로운 점은 그들이 배아 세포만 사용한 것이 아니라는 것입니다.

연구진은 성체 마우스의 꼬리 끝에서 일반적인 피부 세포를 채취했습니다. 배아가 아니고, 새끼가 아니고, 7주와 12주 사이의 성체 마우스였습니다. 같은 4개의 스위치를 추가한 후, 이 성체 세포도 성공적으로 되돌아갔습니다. 마우스 배아에 주입한 후, 이 세포들은 정상적인 배아 발달에 참여하였으며, 각 배아 층의 조직으로 분화되었습니다.

성인의 세포도 되돌릴 수 있습니다.이것은 이 연구에서 저를 가장 놀라게 한 발견 중 하나였습니다.

해당 연구에서는 또한 하이브리드 실험의 결과를 보고했습니다. E7.5 배아 중 22개를 조사한 결과 세 개가 GFP 표시된 iPS 세포의 기여를 검출했습니다. 또 다른 E13.5 배아의 경우 18개 중 2개가 iPS 세포의 참여를 확인했습니다. 이 수치들은 비율이 낮아 보이지만, 매우 의미 있습니다. 이는 되돌아온 세포가 단순히 배양 접시 내에서 생존하는 것 그 이상의 의미를 가지며, 실제 발달 과정에 참여할 수 있다는 것을 증명합니다.

그러나, 27마리의 새끼 동물 중 하나도 이중 유전자 동물로 확인되지 않았습니다. 이 연구는 이에 대해 매우 솔직하게 설명했습니다. iPS 세포에서 Oct3/4의 표현이 완전히 침묵되지 않았고, 이것이 생체 이중 유전자 동물을 얻을 수 없었던 이유일 수 있습니다. 당시 연구에서는 이러한 정직한 설명이 드물었습니다.

정직한 고백: 비슷하지만, 완전히 같지는 않습니다.

다음에 제가 말하려는 부분은 이 논문이 가장 존경받아야 할 점이라고 저는 생각합니다.

연구진들은 되돌아온 세포가 진정한 배아 줄기세포와 정확히 같다고 주장하지 않았습니다. 그들은 전체 게놈 발현 프로파일 비교(DNA 마이크로어레이 분석)를 실시했고, 그 결과는 다음과 같습니다:

두 가지는 비슷하지만 완전히 같지는 않습니다.

특정적으로, 일부 유전자들은 배아 줄기세포에서 매우 높게 발현되지만, 되돌아온 세포에서는 상대적으로 낮게 발현됩니다. 이 연구에서는 이러한 유전자들을 세 그룹으로 분류했습니다. 첫 번째 그룹은 두 경우 모두 높게 발현되는 유전자들이며(예: Myb, Kit, Gdf3, Zic3), 두 번째 그룹은 배아 줄기세포와 iPS 세포에서 높게 발현되지만, iPS 세포의 품질이 낮은 경우에는 낮게 발현되는 유전자들이며(예: Nanog, Sox2 등), 세 번째 그룹은 오직 배아 줄기세포에서만 높게 발현되는 유전자들이며(예: Dnmt3a, Dnmt3b 등).

이러한 구별은 매우 중요합니다. 이는 우리에게 재프로그래밍이 ‘공장 설정으로 돌아가는 간단한 버튼’이 아니고, 불완전하고 단계적인 과정이라는 것을 가르쳐줍니다. 일부 유전자 스위치는 성공적으로 재설정되었지만, 일부는 아직 그렇지 않았습니다.

또 다른 문제는 바이러스 벡터입니다. 이 네 개의 스위치를 전달하는 역전사 바이러스는 세포 게놈에 약 20개의 복사본을 남긴다(서던 블로트 분석은 각 클론마다 약 20개의 통합 위치를 보여주었습니다). 이는 세포 DNA가 외부 유전자 조각들에 의해 ‘점령되었다’는 것을 의미합니다. 이는 연구에서는 용인할 수 있지만, 임상 적용에서는 위험할 수 있습니다.

또 다른 간과하기 쉬운 세부사항은 이러한 iPS 세포는 배양 세포 없이는 미분화 상태를 유지할 수 없다는 것이며, LIF가 있어도 마찬가지입니다. 이는 iPS 세포가 배양 환경에 대한 의존성이 배아 줄기세포보다 더 강하다는 것을 의미합니다. 이 연구에서는 이를 iPS 세포와 배아 줄기세포의 차이점 중 하나로 제시하였습니다.

이러한 세부사항은 이 기술의 한계, 즉 어디에서 성공했는지 아직 어려움이 있는지 여부를 결정합니다.

암 발생 위험: 피할 수 없는 장애물

네 개의 스위치 중 하나는 c-Myc라고 불립니다. 이것은 암을 유발하는 유전자입니다. 정상적인 몸 속에서 c-Myc는 세포의 성장과 분열을 촉진하는 역할을 합니다. 하지만 만약 그것이 과도하게 활발해진다면 암으로 이어질 수 있습니다.

해당 논문에서는 분명히 다음과 같이 명시되어 있습니다. “c-Myc의 사용은 임상 적용에 적합하지 않을 수 있습니다.”

이 경고는 아무도 예상하지 못한 것이 아닙니다. 연구 자체가 보고하고 있습니다. 일부 iPS 세포를 주사받은 마우스에서는 종양이 발생했습니다. 이상 배아 실험에서는 5개의 iPS-MEF10 클론, 3개의 iPS-MEF4 클론, 1개의 iPS-MEF4wt 클론 및 6개의 iPS-MEF3 클론을 알비노 마우스에게 주사했습니다. 그중 iPS-MEF3 클론은 분화의 흔적이 전혀 없는 완전히 미분화된 세포로 구성된 종양을 생성했습니다.

이 연구에서 암 발생 메커니즘에 대한 분석도 주목할 만합니다. c-Myc 단백질은 TRRAP, CBP, p300을 포함하는 HAT(HISTONE ACETYLTRANSFERASE) 복합체와 결합합니다. c-Myc의 결합 사이트는 포유류 게놈에서 25,000개에 달할 수 있고, Oct3/4와 Sox2의 결합 사이트보다 훨씬 많습니다. c-Myc는 역사적인 히스토네 아세틸화를 통해 Oct3/4와 Sox2가 그들의 특정 타깃에 결합할 수 있게 합니다. 이는 매우 정교한 메커니즘의 가정입니다. 그러나 이는 c-Myc의 영향이 너무 커서, 원하는 스위치만 켜주는 것이 아니라 모든 것을 일으키는 것을 의미합니다.

이 연구에서는 흥미로운 상관관계에 대해서도 설명합니다. Klf4는 종양 억제인자인 p53을 직접 억제하고, c-Myc는 세포 주기를 억제하는 인자인 p21을 억제합니다. 이 두 인자는 재프로그래밍 과정에서 어떠한 종류의 상호 제어 균형을 형성할 수 있습니다.하지만 이러한 균형이 체내에서 깨지면 암이 발생할 수 있습니다.

후속 연구팀은 c-Myc를 교체하거나 유전자를 더 안전하게 전달하는 방법(예: 리트로바이러스 대신 산다비루스나 플라스미드 사용)을 채택했습니다. 그러나 이러한 개선 사항은 후속 연구팀이 수행한 것이며, 이 논문의 내용이 아닙니다. 후속 결과를 이 논문에 기록하지 마십시오.

이것이 이 논문의 전체 모습입니다. 돌파구도 있고, 위험도 있습니다. 두 가지 모두 같은 논문 안에 쓰여져 있습니다.

학위 논문에서 노벨상까지: 6년이 무엇을 의미하는가

이 논문은 2006년에 발표되었고, 2012년에 노벨 생리학 또는 의학 상을 받았습니다.

6년.

학계에서는 이 속도가 거의 모든 사람들이 그 중요성을 즉시 인지하는 것과 같습니다. 노벨상은 대부분의 경우 발견의 영향력이 2~3년 동안 충분히 입증되어야 후보로 올라옵니다. 하지만 6년 만에 수상했다는 것은 심사위원들이 그 의의가 더 기다릴 필요가 없다고 판단했다는 것을 의미합니다.

오늘날 과학자들은 이러한 되돌아온 세포를 사용하여 여러 가지 일을 하고 있습니다. 파킨슨 질병 모형을 만들어 약물을 선별하고, 황반변화를 치료하기 위해 망막 세포를 배양하고 있습니다. 일본은 이러한 세포를 사용한 안구 질환 치료를 위한 임상 실험을 실시하고 있습니다. 전 세계적으로 여러 실험이 진행 중입니다.

제 표현을 조심하자면, 이는 진행 중입니다. 저는 이것이 어떤 질병을 치료할 수 있는지, 또는 노화를 방지할 수 있는지 말할 수는 없습니다. 이는 아직 실험단계이며, 결론을 내릴 수는 없습니다.

여러분이 아마도 본 적이 있는 ‘줄기세포 주사기’

이 점을 고려할 때, 여러분은 시장에서 이런 주장을 들어보셨을 것입니다. ‘줄기세포 항노화 주사’. 한 번에 수만 원씩 하는 이 주사는 사람들을 더 젊게 보이게 하고 나이를 되돌리는 데 도움이 된다고 주장합니다.

여기서는 조금 더 분석이 필요합니다.

과학적 기반은 확고합니다. 이 연구가 그 증거 중 하나이며, 여러 임상 실험이 진행 중입니다. 2006년부터 지금까지 이 분야는 매우 빠르게 발전해왔고, 새로운 임상 실험들이 계속 시작되고 있습니다.

그러나 시장에서는 일부 제품들이 ‘아직 연구 단계에 있는 기술’을 ‘이미 검증된 노화 방지책’으로 포장하고 있습니다. 이는 다른 것입니다. 연구에서 희망을 보는 것은 그것이 이미 효과적이라는 것을 의미하지 않습니다.

저는 어떤 브랜드나 치료법에 대해서도 의학적 조언을 제공할 수 없습니다. 여러분이 해야 할 것은 무엇이 실질적인 과학이고 무엇이 포장된 마케팅인지 구별하는 것입니다.

몇 가지 알아두어야 할 점들

이 논문을 읽은 후 몇 가지 특히 언급하고 싶은 점이 있습니다.

첫째, 재프로그래밍 효율이 매우 낮습니다.연구진은 스스로 4개의 인자를 발현시킨 세포 중에서 iPS 세포가 되는 비율이 매우 낮다고 인정했습니다. 그들은 여러 가능한 설명을 제시했습니다. ex. 4개의 인자 발현 수준이 특정 범위 내에 있어야 하고(연구진은 50%의 Oct3/4 단백질 수준 변화가 배아 줄기세포 분화를 일으킨다는 데이터를 인용했습니다.), 추가적인 염색체 변화가 필요할 수 있고, 역전사 바이러스의 랜덤 삽입으로 인해 특정 클론에서 올바른 유전자 조합이 활성화되었을 수 있습니다. 그러나, 효율 문제는 여전히 이 분야의 핵심 도전 과제입니다.

두 번째로, iPS 세포의 출처에 대한 결정적인 증거가 없습니다.이 연구에서는 한 가능성을 제시했습니다. iPS 세포는 직접 섬유아세포에서 재프로그래밍되었을 수 있지만, 오히려 배양 환경에 이미 존재하던 소수의 조직 줄기세포에서 변화했을 수도 있습니다(피부 세포 중 약 0.067%는 줄기세포로 알려져 있습니다). 하지만 그들은 이에 대해 반박했습니다. iPS를 유도하는 효율은 골수 기질(더 많은 간질성 줄기세포가 포함되어야 합니다)에서도 매우 낮았고, 3가지 인자에 의해 유도된 세포는 전혀 다능성을 가지지 못했습니다. 이 증거는 ‘조직 줄기세포가 iPS의 출처’라는 가설을 지원하지 않지만, 확실한 답변도 제공하지 않습니다.

세 번째로, 네 가지 요인들은 미묘한 상호제한관계에 있습니다.c-Myc는 세포 증식을 촉진하고, Klf4는 p53을 억제하지만 p21(세포 주기를 억제하는 인자)을 활성화시키며, c-Myc는 p21을 억제합니다. 이 연구에서는 ‘c-Myc와 Klf4 사이의 균형이 iPS 세포 생성에 중요할 수 있다’라고 제시되었는데, 이는 네 가지 요인이 서로 독립적으로 작용하지 않고, 복잡한 상호작용이 있다는 것을 의미합니다. 이 인식은 나중에 재프로그래밍 방법을 개선하는 데 도움이 되었습니다.

4번째로, 논문의 마지막 부분에는 한 방향이 언급되어 있습니다:그들은 Fbx15를 대신하여 나노그(Nanog) 유전자의 보고체계를 사용하여 선별을 할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 그들이 당시 이미 선별 방법을 개선할 수 있는 아이디어를 가지고 있었고, 더 엄격한 선별 기준을 사용하여 더 높은 품질의 iPS 세포를 얻을 수 있었을 것이라는 것을 의미합니다. 후속 연구들은 실제로 이 방향으로 상당히 진전되었습니다.

세 가지만 기억하세요

처음 제기한 질문을 기억하십니까? 상처는 왜 흉터로만 남아있고, 왜 다시 완전한 피부로 회복되지 않습니까?

세포 분화는 일방적인 과정이며, 적어도 2006년까지는 우리는 이렇게 생각했습니다.

14페이지의 이 논문은4개의 스위치로 일반 피부 세포를 원래 상태로 되돌릴 수 있다는 것을 입증합니다. 이것은 은유가 아니고, 실제 실험 결과입니다.

첫째, 세포의 운명은 고정되어 있지 않습니다. 네 개의 유전자 스위치만으로도 성체 세포를 배아 상태로 되돌릴 수 있습니다.

두 번째로, 이것은 공상 과학이 아닙니다. iPS 세포를 기반으로 한 임상 실험이 진행 중이며, 아직 성공적인 치료법은 아니지만, 방향은 분명합니다.

셋째, 모든 ‘줄기세포’가 같지는 않습니다. 시장 프로모션과 과학적 사실 사이에는 명백한 차이가 있습니다.

우리는 논문을 끝까지 읽는 사람들입니다. 만약 여러분도 이 네 개의 스위치가 어떻게 병원에 들어갔는지 알고 싶다면 팔로우를 하세요. 다음 에피소드에서 계속 되겠습니다.

참고문献

Takahashi, K. & Yamanaka, S. (2006). 특정 인자들에 의해 마우스 배아 및 성체 섬유아세포 문화에서 다능한 줄기세포 유도. Cell, 126(4), 663-676. DOI: 10.1016/j.cell.2006.07.024