이제 줄기세포라는 단어를 모르는 사람은 굉장히 드물다. 당장 TV 뉴스를 틀어도, 인터넷 기사를 봐도 줄기세포라는 단어는 굉장히 흔하게 사용된다는 사실을 알 수 있다. 예를 들자면 이런 것이다. 줄기세포에 관련된 연구가 성공했다, 줄기세포를 이러한 치료에 사용했다. 혹은 전혀 상관없는 제품들 - 화장품, 영양제, 앰플 등 - 에도 줄기세포라는 단어가 포함되어있다. 이러한 뉴스와 광고들을 살펴보면 줄기세포가 매력적인 소재로 쓰이고 있다는 것을 잘 알 수 있다. 그 신빙성은 따져봐야 할 문제지만 말이다.
기회가 있어 신경 줄기세포에 대해 공부를 하게 되었을 때, 배경지식 조사로 줄기세포의 의학적 효용성을 찾아본 적이 있다. 그 내용을 본 나는 그저 감탄할 수밖에 없었다. 줄기세포라는 이름을 익히 들었듯, 그 간단한 역할에 대해서는 알고 있었지만, 이렇게 자세한 내용을 살핀 것은 처음이었기 때문이다. 특히 IPS는 더욱 놀라웠다. 새로운 만능 의학기술의 발견, 영웅의 등장. 나에게 그 내용은 이렇게 느껴졌다.
난치병 치료의 열쇠, IPS의 발견
생물이라면 누구나 늙어가고, 이는 우리의 세포 또한 마찬가지이다. 우리 몸의 조직은 사용하며 손상을 입고, 이를 보충하기 위해 우리 몸은 세포분열을 통해 새로운 세포를 끊임없이 만들어낸다. 그러나 모종의 이유로 인해 이 손상이 심각한 경우 조직 세포의 세포분열만으로는 복구할 수 없다. 이러면 대책이 될 수 있는 것이 줄기세포 치료이다. 다른 세포로 분화할 수 있다는 줄기세포의 특성을 이용하여 손상이 간 조직을 대체하는 것이다. 그러나 이에도 한계가 있다. 줄기세포의 두 종류 중 하나인 성체줄기세포의 경우 분화가 제한적이기 때문에 적용이 힘들고, 배아줄기세포의 경우 면역반응이 우려되기 때문이다.
2012년 노벨생리의학상으로 그 공헌을 인정받은 유도만능줄기세포, 즉 IPS는 위의 문제를 해결했다. IPS란 이미 분화를 마친 성체체세포를 유도하여 인공적으로 만든 만능줄기세포이다. IPS의 시작을 연 것은 존 거든이다. 현재 자신의 이름을 딴 거든 연구소를 기반으로 활동하고 있는 거든은 ‘세포를 역분화시키는 것이 가능하다’라는 것을 입증하는 역할을 했다. 그는 개구리의 알세포에서 핵을 제거하고, 올챙이의 장세포에서 추출한 핵을 핵이 사라진 개구리의 알세포에 집어넣었다. 실험 결과는 당시 과학계를 뒤집어놓았다. 세포의 분화는 일방통행이라는 당시의 관념을 깨고, 이미 분화가 완료된 세포의 핵으로부터 정상적인 올챙이가 발생하였기 때문이다. 이 연구의 성공은 성숙한 체세포도 모든 형태의 조직으로 자랄 수 있다는 사실을 세계에서 처음으로 입증한 사례이다. 대체된 핵의 세포 시계가 거꾸로 돌아가는 것을 확인한 후 과학자들은 핵치환을 통해 동물을 복제하는 방법을 연구하기 시작했다. 이는 세포의 분화과정에서 세포의 유전정보가 손실되지 않는다는 것을 의미한다고 할 수 있다.
그러나 여기에는 한계가 있었다. 실험의 성패가 운에 달려있다는 부분이다. 과학자들은 운에 따른 실험의 성공에 만족하지 않았다. 그들은 역분화 시스템의 효율을 높임과 동시에, 그 분자적 메커니즘을 증명하기 위해 노력해왔다. 야마나카 신야가 공헌한 것은 이곳이다. 2006년 야마나카 교수는 다 자란 쥐의 피부세포를 이용해 난자를 이용하지 않고도 생명체의 초기 단계의 배아 세포를 만들었다고 국제학술지 셀지에 발표했다. 배양된 실험용 쥐의 세포를 이용하여 배아세포를 미성숙 상태로 유지하는 유전자를 찾아냈다는 결과였다. 유레카! 드디어 IPS의 등장이다.
야마나카 신야의 경우 난자를 사용하지 않고 줄기세포를 만들었기 때문에, 수정란을 이용하던 기존 인간 배아줄기세포 연구의 문제점을 해결할 수 있었다. 야마나카 신야 교수가 발표한 논문은 무려 8천 회나 인용될 정도로 사람들의 이목을 집중시켰다. 이 논문이 현대 IPS 연구의 근간이 되었으며, 그 불꽃은 현재까지도 식지 않고 있다.
변화해나가는 IPS
2007년에는 야마나카 신야 교수가 다음 논문을 발표하였다. 바로 인간의 세포로 IPS를 만드는 방법에 대한 논문이었다. 인간의 IPS가 발견되고, 또 사용되기 시작하면서 사람들의 병을 치료할 수 있다는 희망 또한 생겨났지만, 의학이 아닌 생물학 분야에서도 효용성은 탄생하였다. IPS 세포로 만든 다양한 세포를 계속 배양함으로써 질병에 대한 연구를 더욱 더 쉽게 만들 수 있기 때문이다. 체내에서 질병이 진행되는 과정을 재현하고 감염 전후 세포에는 무슨 일이 일어나는지를 확인함으로써 인체와 질병에 대한 심층적 연구가보다 쉬워졌다고 할 수 있다. 기존 세포는 배양에 한계가 있다는 점이 연구를 가로막았으나, IPS의 경우는 시간과 장소, 그리고 돈만 있다면 거의 무한대로 증식할 수 있기 때문에 이 또한 장점이 될 수 있다.
물론 아직 IPS 기술이 걸어야만 하는 길은 멀고도 멀다. 야마나카 신야 교수는 앞으로 해결해야 할 3가지 문제점으로 이러한 내용을 뽑았다. 암세포로 변이할 가능성, 단일세포에 문제가 생긴 경우에만 치료할 수 있다는 것, 다양한 부작용을 배제할 수 있는 새로운 기술이 없다는 것. 그러나 줄기세포 기술은 이제 겨우 10년이란 시간을 겪었다. 과학기술은 연구가 거듭되며 점진적으로 발전한다. IPS 또한 인류를 구원할 하나의 열쇠가 될 것이라 생각한다.
바라던 바이오 2019 봄호
작성자: 18-101 정예진
분야: 세포생물학
참고문헌
[1] The Science Times - 노벨 생리·의학상에 거든, 야마나카
[2] 한겨레 - 2012 노벨의학상이 선정한 유도만능줄기세포란?
http://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/556892.html
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