비대칭적 자기복제(Asymmetric self-renewal)는 소수의 조직특이적 성체줄기세포와 다수의 분화된 조직세포들의 지속적인 생성과 유지를 조절하는 특수한 세포분열 과정이다. 성체줄기세포는 비대칭적 자기복제의 다소 독특한 세포분열방식을 통해 두 개의 딸세포 중 오직 한 개의 딸세포에게만 줄기세포 고유의 ‘불멸유전정보(immortal DNA)’를 전달한다.

때문에 고유한 유전정보를 전달받지 못한 세포는 분화 후 사멸에 이르게 되는데 외부 자극요인에 의해 대칭적 자기복제에 따른 비정상적 성체줄기세포 분열이 우세할 경우 암 발생이나 노화진행이 증가한다.

인체 중요 질병의 원인을 제공하기 때문에 비정상적 성체줄기세포 분열은 매우 중요한 연구 분야로 일컫는다. 하지만 이러한 생물학적 중요성에도 불구하고 비대칭적 자기복제를 조절하는 분자적 기전에 대해서는 학계에서 거의 밝혀진 바가 없는 상황이다.

면역세포화학염색법 이용한 분석법 개발

이런 가운데 국내 연구진이 인체 내 극소수로 존재하는 성체줄기세포의 고유한 세포분역 특성을 분석하는 분석법을 개발해 주목을 받고 있다. 허양훈 한국기초과학지원연구원 전자현미경연구부 박사팀이 성체줄기세포의 비대칭적 자기복제 현상을 분석, 그 성과를 인정받아 자연과학분야의 세계적 권위지인 ‘미국 국립과학원회보’에 게재했다. 

허양훈 박사팀은 단백질 생체표지분자와 면역세포화학염색법을 이용한 바이오이미징 기법을 활용, 성체줄기세포의 고유 특성을 분석하고 향후 성체줄기세포의 표지와 분리시키며 대량 배양할 경우 이를 이용한 질병치료 응용연구수행에 새로운 전기가 마련될 것으로 예측되고 있다.

“생물학적 중요성에도 불구하고 성체줄기세포의 비대칭적 자기복제를 조절하는 분자적 기전에 대해서는 거의 밝혀지지 않고 있는 상태였습니다. 이유는 성체줄기세포와 비대칭적 자기복제에 대한 생체표지분자가 없었고, 비대칭적 자기복제를 응용해 성체줄기세포를 식별해내는 유용한 실험분석법이 없었기 때문입니다. 때문에 성체줄기세포의 분열 원리를 이용해 성체줄기세포를 식별하는 분석기법 개발이 절실했던 것이죠.”

이를 실험하기 위해 허양훈 박사팀은 실험실에서 생명공학적으로 제작된 성체줄기세포 모델세포와 생쥐 모낭 성체줄기세포를 이용, 조직특이적 성체줄기세포의 비대칭적 자기복제를 조절하는 분자기전을 규명했다.

기존연구는 성체줄기세포의 불멸유전자가 선택적으로 딸세포에 전달되는 양상을 어떻게 효과적인 실험 결과로 보여줄 것인가에 대한 질문의 답을 찾지 못했다. 더불어 불멸유전자가 선택적으로 전달되는 양상을 식별할 수 있는 생체표지분자는 과연 무엇인지에 대한 고민 역시 답을 내리지 못한 상태였다.

“이것은 아마 많은 연구자들이 성체줄기세포보다 배아줄기세포 연구에 집중했기 때문이 아닌가 싶어요. 또 기초연구보다 줄기세포를 이용한 응용연구에 집중한 나머지 가장 기본적인‘성체줄기세포 분열기작연구’ 분야에 큰 관심을 가지지 않았기 때문에 우리 연구팀이 이러한 좋은 결과를 얻을 수 있던 것 같습니다.”

허양훈 박사팀은 새로운 성체줄기세포 바이오마커 후보분자와 기존에 알려진 불멸유전자 표지분자에 이중면역형광염색을 동시에 실시한 후 바이오이미징 분석을 시도해 기존의 풀리지 않았던 질문에 답을 내릴 수 있게 됐다.

성체줄기세포 분열시 분화와 사멸 운명인 딸세포에 비해 성체줄기세포가 될 운명인 딸세포의 불멸유전자 DNA 상대적으로 훨씬 많이 분포함을 밝히고, ‘5-hydroxymethylcytosine’이 성체줄기세포를 특이적 효율로 표지할 수 있는 바이오마커임을 보고했다.

성체줄기세포 고유 분열 원리에 착안한 연구

허양훈 박사팀의 이번 연구는 광범위한 전체 줄기세포 연구 중 극히 일부분을 차지하는 분야다. 하지만 줄기세포 연구에서 가장 먼저 풀어야 할 기본과제이기에 그 중요성이 강조되곤 한다.

“아직도 줄기세포 연구에서 ‘과연 불멸유전자가 존재하는가’의 여부는 갑론을박이 매우 뜨거운 초미의 관심 분야입니다. 불멸유전자를 어떻게 표지하고 또 그 바이오마커에는 무엇이 있는가에 관한 연구 역시 매우 활발하게 진행되고 있어요. 이번 연구 성과의 가장 큰 장점은 성체줄기세포의 고유한 분열 원리에 착안해 성체줄기세포를 쉽게 식별 및 분리할 수 있는 분석기법과 생체표지분자를 개발했다는 데 있습니다.”

허양훈 박사는 이번 연구를 진행하며 겪은 어려움으로, 생물정보학을 이용해 구축한 성체줄기세포 생체표지분자 후보 라이브러리에 있는 단백질 분자들을 하나하나 분석했던 경험을 이야기했다. 실제 성체줄기세포를 표지할 수 있는 분자일 가능성이 있는지 여부를 일일이 분석하는데 굉장히 많은 시간을 소요해야 했기 때문이다.

“이번 분석 기술 개발은 성체줄기세포의 고유한 분열 원리에 착안해, 성체줄기세포를 쉽게 식별하고 분리할 수 있는 유용한 분석기법을 개발했다는 것이 가장 의미 있는 일이라고 할 수 있어요. 앞으로 해당 기술을 이용하면 인체에 존재하는 소수의 성체줄기세포를 손쉽게 표지할 수 있는 근본적이고 유용한 분석기술을 제공하게 될 것입니다.

또한 향후 성체줄기세포 표지 바이오마커의 지속적인 추가 발굴 연구 및 성체줄기세포 표지, 분리, 대양배양 등의 관련 연구 뿐 아니라 나아가 성체줄기세포를 이용한 세포노화방지기전 연구나 손쉽고 효과적인 암 초기진단 분석법 개발 등의 연관 후속 연구에도 큰 기여를 할 것으로 기대하고 있어요.”

앞으로 지금까지의 선행연구결과를 토대로 ‘초고전압전자현미경(HVEM)과 3차원 전자토모그래피 분석기법 기반 성체줄기세포 염색체의 크로마틴 조절단백질 3차원 분자구조연구’를 진행할 계획이라는 허양훈 박사.

그는 향후 지속적으로 성체줄기세포 바이오마커를 발굴하고 나아가 바이오마커를 이용해 성체줄기세포 분리, 배양, 세포주 확보 및 응용에 이르는 일련의 연구를 진행할 계획이라고 이야기 했다.

“이와 함께 줄기세포 관련 연구 주제와는 별도로 현재 알츠하이머병과 파킨슨씨병의 발병‧진행과 관련해 야기되는 세포 내 소기관의 3차원적 초미세구조 및 기능 변화에 관해서도 연구를 진행하고 있어요. 초고전압전자현미경(HVEM) 기반 3차원 전자토모그래피 및 면역금표지 분석 기법을 이용해 연구하고 있는 상황이죠.”