우리얘기

LIN28 단백질은 줄기세포 치료의 핵심 기술인 유도만능줄기세포(iPS Cell) 생산에 사용되는 것으로 잘 알려져 있습니다.

유도만능줄기세포는 배아줄기세포와 비슷한 수준의 분화능력을 지니고 있으면서도 수정란이나 난자를 사용하지 않아 윤리문제에서 비교적 자유로워 '꿈의 기술'로도 불립니다.

또 LIN28에 이상이 생기면 당 대사와 사춘기 시기 조절 및 간암과 난소암 등에도 영향을 미치게 됩니다.

때문에 LIN28이 다른 유전자의 발현을 조절하는 원리를 완벽하게 알아낸다면, 줄기세포의 이해와 관련 질병 연구, 치료에 새로운 돌파구를 마련하는 셈입니다.

국내 연구진이 줄기세포에서 에너지를 분배하고 세포 간의 의사소통의 양과 속도를 조절하는 원리를 처음으로 규명했습니다.

이는 마이크로RNA를 조절하여 줄기세포의 성질을 간접적으로 유지하는 것으로 알려진 단백질(LIN28)의 기존 기능과는 전혀 다른 새로운 기능을 규명한 성과입니다.

■ 서울대 김빛내리 교수팀은 기존에 알려진 LIN28이 마이크로 RNA를 조절하여 줄기세포의 성질을 간접적으로 유지하는 기능 이외에도 추가적인 기능에 대한 단서를 확인했습니다.

연구팀은 살아있는 줄기세포에 강한 자외선을 쬐어서 단백질과 RNA를 엉겨 붙게 한 다음, 이 RNA에 담긴 정보를 차세대서열분석기로 분석, 총 58기가베이스를 읽어 LIN28이 붙어 조절하는 RNA 전체를 일괄적으로 조사했습니다.

58기가베이스는 A4용지에 인쇄해서 쌓으면 2028m로, 이는 한라산보다도 높은 막대한 분량입니다.

이 같은 방법은 클립시크(CLIP-seq)라고 부르는데, RNA를 조절하는 단백질에 대한 대단위 연구에서 각광받고 있는 기술로, 세계적으로 10여 개 연구실에서만 성공한 신기술입니다.

이 기술은 전통적인 RNA결합 단백질 연구에 비해 세포에 있는 모든 LIN28 단백질 주변의 RNA를 한꺼번에 사진을 찍듯 볼 수 있어 상호작용 전체 지도를 그릴 수 있습니다.

이 실험에서 김 교수팀은 LIN28이 조면소포체에서 일어나는 단백질 생산 전체를 조절한다는 실마리를 얻었습니다.

이후 세포 전체 단백질의 생산 속도를 관찰할 수 있는 리보솜 흔적 조사법을 활용해 LIN28이 실제로 조면소포체에서 생산하는 단백질 모두를 억제한다는 사실을 밝혀냈습니다.

리보솜 흔적 조사법(ribosome footprinting)은 세포 내 전체 mRNA(전령RNA)에 결합된 리보솜의 위치를 분석하여 단백질의 합성속도를 추측하는 방법입니다.

조면소포체는 세포 안에서 막으로 싸인 소기관으로, 사람의 단백질 3만 5000종 중 약 7000종이 여기서 생산됩니다.

이렇게 생산된 단백질들은 △세포와 세포의 연결 △각종 물질의 분비와 수송 △세포 사이의 신호 전달 △면역 반응 등에서 핵심적인 역할을 합니다.

자외선을 이용한 RNA결합 단백질 연구 (CLIP-seq 기술)

연구팀은 LIN28이 조면소포체 단백질의 생산을 줄여, 이 에너지를 세포의 양적 성장에 집중시키고, 세포 간의 의사소통도 줄여서 성체 세포로 발달하는 시기를 충분히 늦추는 역할을 할 수 있을 것으로 보고 있습니다.

또 연구팀은 암세포 전이에서 중요한 역할을 하는 단백질의 상당수가 조면소포체에서 생산되므로, LIN28이 조면소포체 전체 단백질을 조절하여 암 전이에도 일조할 수 있을 것으로 예측하고 있습니다.

이는 줄기세포의 정상적인 발달과 당(糖) 대사 및 사춘기 시기 조절 등에 관여하는 LIN28 단백질의 알려지지 않은 직접적인 조절 원리를 밝혀냄으로써, 향후 줄기세포의 유도와 관련 질병의 치료 기술 개발에 새로운 실마리를 제공하는 것입니다.

또한 간암, 난소암 등 여러 종류의 암 발생과 전이에서도 자주 발견되는 LIN28 단백질의 이상 조절에 대처할 수 있는 새로운 치료법 개발에도 가능성을 열고 있습니다.

이번 연구는 서울대 김빛내리 교수 주도로 조준, 장혜식 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했고,  연구결과는 세계 최고 권위의 생명과학 전문지인 'Cell'지 온라인 속보(10월 25일자)에 발표되었습니다.
(논문명: LIN28A is a Suppressor of ER-associated translation in embryonic stem cells) 

<연 구 개 요> LIN28A is a suppressor of ER-associated translation in embryonic stem cells Jun Cho, Hyeshik Chang, S. Chul Kwon, Baekgyu Kim, Yoosik Kim, Junho Choe, Minju Ha, Yoon Ki Kim, and Narry Kim (Cell, Vol 151, Issue 4)  LIN28은 발생 과정, 당 대사와 발암 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 분자기작 수준에서 LIN28은 let-7 마이크로RNA의 신생성을 억제하고, 특정 mRNA 몇 종류의 번역을 증진하는 기능이 밝혀졌다. 이 연구에서는 LIN28의 두 paralog 중 하나인 LIN28A가 생쥐 배아 줄기세포에서 어떤 RNA를 대상으로 작용하는지 알기 위해 CLIP-seq (crosslinking immunoprecipitation-sequencing)과 리보솜 흔적 조사법 (ribosome footprinting)을 수행했다. 우리는 이 연구에서 let-7의 전구체뿐만 아니라 온전히 절단된 mRNA에도 대량으로 붙는 것을 발견했다. LIN28A는 AAGNNG, AAGNG와 비교적 적은 빈도로 UGUG를 인식하는 것으로 밝혀졌는데, 이 모티프 서열은 주로 작은 머리핀 구조의 끝 루프에 위치하였다. 또한, LIN28A이 특징적으로 조면소포체에서 번역되는 단백질에 많이 결합하여 번역을 저해하는 현상이 관찰되었는데, 여러 조사 결과 LIN28A가 예상 밖으로 조면소포체 주변에 다량 분포하고 있고, 신호인식물질(SRP)에 의해 조면소포체로 이동하여 번역되는 단백질이 아니면 LIN28A에 의해 인식되지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 우리의 연구 결과, LIN28A는 조면소포체에서의 번역에 특이적인 번역 조절을 하고 있으며, 배아 줄기세포에서 단백질 배출 경로를 전체적인 수준에서 조절하는 의외의 기능을 갖고 있다는 사실이 제시되었다.

 용   어   설   명

LIN28 단백질
미국 톰슨(Thomson)팀에서 성체 세포에서 줄기세포를 유도할 때 사용한 4가지 유전자 중의 하나에서 만들어지는 단백질로, 줄기세포의 특성 유지에 중요한 것으로 알려져 있다. 2009년과 2010년에 김빛내리 교수 연구팀에서 LIN28가 마이크로RNA를 조절하여 세포 발달 단계를 조절한다는 것을 밝혀냈으며, 줄기세포와 발달 초기 세포들과 아주 소수의 성체 세포에 존재한다. 한편, 암으로 발달된 세포에서 과발현되는 경우가 흔해서, 암세포가 되는 과정에서 암세포의 성장을 유도하는 요인 중 하나로 받아들여지고 있다.   

마이크로RNA (microRNA 혹은 miRNA)
마이크로RNA는 21~23 뉴클레오티드 정도 길이의 아주 작은 단일가닥 RNA이다. DNA에서 RNA로 전사된 이후 여러 단계의 프로세싱 과정을 거쳐 완성되며, 단백질로 번역되지 않고 RNA상태로 세포 내에 존재한다. 마이크로RNA는 주로 다른 유전자들의 발현을 조절하는 기능을 하는데, 자신의 염기 서열과 상보적인 메신저RNA(mRNA)에 결합하여 그 메신저RNA가 단백질로 만들어지는 과정을 억제한다. 인간에는 수백종류 이상의 마이크로RNA가 존재하며 각각이 발생, 성장, 노화, 사멸 등의 생명 현상에 관여한다. 

차세대서열분석기 (Next Generation Sequencer)
DNA 서열을 대량으로 분석할 수 있도록 개발된 분석기계. RNA도 분석할 수 있어서, 기존에 불가능했던 대단위 RNA 연구에서 최근 필수적으로 사용되고 있다.

기가베이스 (gigabase)
서열분석기에서 해독한 염기서열(4가지 알파벳으로 이루어진 문장)의 양을 나타내는 단위. 1기가베이스는 10억 글자에 해당하며, 대략 책 5천 권 정도의 정보에 해당한다. 인간 유전체 전체 길이는 3.13 기가베이스 정도다.  

조면소포체 (rough endoplasmic reticulum)
단백질 중 세포막이나 세포 밖, 세포소기관의 막, 핵막 등에 수송될 단백질들을 합성하는 세포내 소기관. 전체 단백질 중 대략 15~20% 정도가 조면소포체에서 합성되어 수송된다. 특히, 막 단백질과 세포 밖으로 수송되는 단백질을 합성하기 때문에, 세포 간 신호전달과 외부 환경 인식, 면역 반응에서 매우 중요한 역할을 담당한다.

리보솜 흔적 조사법 (ribosome footprinting)
세포내 전체 mRNA(전령RNA)에 결합된 리보솜 위치를 분석해서 모든 단백질의 합성 속도를 추측할 수 있는 방법으로, 차세대서열분석기를 활용한 최신 기법이다.

Cell지
생물학 전 분야에서 최고 권위를 인정받는 저널로 피인용지수(Impact Factor)는 32.403로 Science지(31.201)보다 높은 편이다.

<김빛내리 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 서울대학교 생명과학부 2. 학력  ○ 1988 - 1992    서울대학교 학사  ○ 1992 - 1994    서울대학교 석사  ○ 1994 - 1998    英 Oxford University 박사   3. 경력사항  ○ 1999 - 2001  美 University of Pennsylvania Postdoctoral Fellow  ○ 2001 - 2004 서울대학교 연구조교수  ○ 2004 - 2008   서울대학교 생명과학부 조교수  ○ 2008 - 현재     서울대학교 생명과학부 부교수  ○ 2007 - 2011  교과부?연구재단 지정 창의연구단장 (MicroRNA 연구단)  ○ 2010 - 2012 교과부?연구재단 지정 국가과학자  ○ 2012-  현재     기초과학연구원 (IBS) RNA 연구단 단장   4. 전문 분야 정보  ○ 호암상 (2009)  ○ L'Oreal-UNESCO 세계여성생명과학자상 (2008)  ○ 올해의 여성과학자상 (2007)  ○ 젊은과학자상 (2007)

<조준 박사과정생>  1. 인적사항  ○ 소속: 서울대학교 생명과학부   2. 학력  ○ 2003. 03 - 2007. 02 서울대학교 생명과학부 학사 졸업  ○ 2008. 09 - 현재 서울대학교 생명과학부 박사과정 재학 (수료)

<장혜식 박사과정생>                                           1. 인적사항  ○ 소속 : 서울대학교 생명과학부                 2. 학력  ○ 1998. 03 - 2007. 02 연세대학교 기계전자공학부 졸업 (정보산업공학전공)  ○ 2007. 03 - 2009. 02 KAIST 바이오및뇌공학과 석사과정 졸업  ○ 2009. 09 - 현재  서울대학교 생명과학부 박사과정 재학 3. 경력사항  ○ 2001 - 2005  리눅스코리아(주) 솔루션개발팀 사원  ○ 2001 - 2010 공개운영체제 FreeBSD 개발팀  ○ 2002 - 현재   공개프로그래밍언어 Python (파이썬) 개발팀  ○ 2004 - 현재   Python Software Foundation 지명회원   4. 전문 분야 정보  ○ 소프트웨어산업발전유공자 정보통신부장관상 (2008)

체내의 모든 세포로 분화될 수 있는 배아줄기세포는 치매 등 난치성 질환을 치료할 수 있는 무한한 잠재력이 있습니다.
 
그러나 면역 거부반응과 같은 부작용과 난자를 이용해야 하는 윤리적 문제로 인해 그 사용이 제한되고 있습니다.

이 같은 문제점을 해결하고자 환자로부터 얻은 체세포를 배아줄기세포와 유사한 상태로 유도하는 체세포 역분화 연구가 활성화되고 있습니다.
  
특히 지난 2006년에는 일본 쿄토대 야마나카 교수팀이 체세포 역분화 유전자를 삽입하여 배아줄기세포와 매우 흡사한 유도만능줄기세포 생산에 성공하기도 했습니다.

그러나 유도만능줄기세포는 분화과정에서 소량의 미분화세포가 잔류해 세포를 이식하는 과정에서 종양이 생성될 수 있는 문제점이 있습니다.

따라서 최근에는 역분화과정을 거쳐 유도만능줄기세포로 만들지 않고, 직접적인 세포치료를 위한 체세포로의 직접전환(리프로그래밍)을 유도하기 위한 기술개발이 진행되고 있습니다.
 
하지만 이 기술도 세포들이 이미 최종단계까지 분화되어 자기재생능력이 없는 세포들로서, 시험관에서 일정기간 이상 배양이 어려워 세포치료에 필요한 충분한 양의 세포를 확보하는 것이 현재 기술로는 불가능했습니다.

그런데 신경줄기세포의 특이적인 유전자를 이용해 '유도신경줄기세포'를 생산, 기존의 배아줄기세포와 유도만능줄기세포를 대체할 세포치료의 한계가 극복되었습니다.
 
■ 건국대 한동욱 교수팀은 독일 막스플랑크연구소와 공동으로 기존 문제점을 개선한 '유도신경줄기세포'를 개발하고, 치매 등 퇴행성 뇌질환 치료에 새로운 가능성을 열었습니다.
 
 한 교수팀은 생쥐의 체세포에 신경줄기세포의 특이적인 유전자를 삽입하여 뇌 조직으로부터 나온 신경줄기세포와 유사한 세포를 생산해냈는데, 이를 '유도신경줄기세포'라고 이름 붙였습니다.
 

유도신경줄기세포로의 직접 리프로그래밍 기법 모식도.체세포에 신경줄기세포 특이적인 유전자를 도입, 체외와 체내에서 정상적인 분화능을 가진 유도신경줄기세포의 생산이 이루어짐.

 한 교수팀이 개발한 유도신경줄기세포는 시험관에서 1년 이상 장기 배양이 가능하여 자기재생능력이 증명되었고, 분자생물학적 측면에서도 뇌 조직으로부터 나온 신경줄기세포와 일치했습니다.

직접 리프로그래밍 기법으로 생산된 유도신경줄기세포.체외에서 장기간 배양이 가능하여 자기재생능을 획득했음이 증명되었으며, 형태학적으로 뇌조직 유래 신경줄기세포와 매우 유사함.

유도신경줄기세포의 체외 분화능.직접 리프로그래밍을 통해 생산된 유도신경줄기세포가 신경세포, 성상세포, 희돌기교세포로 분화가 이루어져 정상적임 분화능을 가지고 있음이 증명됨.

또한 생쥐의 뇌 조직에 주입하자, 어떠한 종양도 형성되지 않고 다양한 신경세포로 분화되어 정상적인 분화능력도 확인되었습니다.

신경줄기세포로의 직접 리프로그래밍 기술은 분화 및 자기재생 능력을 겸비한 성체줄기세포 중에서도 줄기세포 분야 블루칩으로 각광 받는 기술입니다.

이번 연구는 체세포를 성체줄기세포로 직접 역분화를 유도한 첫 번째 사례로서, 기존의 유도만능줄기세포를 이용한 치료의 가장 큰 문제점인 종양 형성의 문제점을 극복한 획기적인 방법으로 평가받고 있습니다.

이번 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 '셀(Cell)'의 자매지인 '세포줄기세포지(Cell Stem Cell)' 주요 논문으로 온라인 판(3월 22일)에 게재되었습니다.
(논문명: Direct reprogramming of fibroblasts into neural stem cells by defined factors)

한동욱 교수(왼쪽)

 용  어  설  명

배아줄기세포(Embryonic stem cells, ESCs) :
수정란에서 유래 가능한 줄기세포로서, 전분화능 (pluripotency, 전능성)을 가지고 있어서 우리 몸을 구성하는 모든 종류의 세포로 분화 가능한 세포이다.

유도만능줄기세포(Induced pluripotent stem cells, iPSCs) : 
체세포에 4가지 전사 유전자 (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)를 도입하여 만든 세포로서 전분화능을 비롯한 다양한 측면에서 배아줄기세포와 유사한 세포이다. 2006년 일본 쿄토대학의 신야 야마나카 연구진이 개발하였다.

리프로그래밍(Reprogramming) :
일반적으로 분화가 이루어진 체세포를 여러 가지 실험적 방법을 이용 다시 배아줄기세포화 시키는 방법이다. 최근 체세포를 전혀 다른 형태의 체세포로 바꾸어 주는 과정 역시 직접 리프로그래밍(Direct reprogramming, Direct conversion, Transdifferentiation)이라고 부른다.

신경줄기세포 (neural stem cells, NSCs) :
뇌조직이나 척수에서 유래 가능한 성체줄기세포로서 자기재생능을 가지며 신경, 성상세포, 희돌기교세포로 분화가 가능한 다능성을 가진다.

세포줄기세포(Cell Stem Cell)지 :
Cell지의 자매지인 Cell Stem Cell지는 줄기세포분야 최고 권위(인용지수 impact factor 26.967)지로서 주로 다양한 줄기세포에 대한 연구내용을 다룬다.

<한동욱 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 건국대학교 의학전문대학원 줄기세포교실         2. 학력   1994-2001  건국대학교 학사 (축산학)   2001-2003  건국대학교 석사 (가축번식학)   2005-2008 건국대학교 박사 (생명공학)       3. 경력사항   2008 - 2011  독일 Max Planck 연구소, 박사후 연구원   2011 - 현재  건국대학교, 총장석학교수   2011 - 현재  건국대학교 의학전문대학원 줄기세포교실 부교수   4. 전문 분야 정보   - 연구 분야    1) 생쥐의 배아줄기세포와 외배엽줄기세포, 인간 배아줄기세포를 기반으로 하는 전분화능의 기작에 대한 연구    2) 유도만능줄기세포의 생산과 역분화 기전에 대한 연구    3) 유도만능줄기세포를 이용한 신약개발과 질병발생 기작에 대한 연구    4) 체세포를 다른 형태의 체세포 혹은 성체줄기세포로 직접 리프로그래밍을 유도하기 위한 연구    5) 직접 리프로그래밍 기법을 이용 임상수준의 유도만능줄기세포와 성체줄기세포의 생산에 대한 연구    6) 역분화 과정과 생식세포의 발달, 분화과정 그리고 개체의 발달과정에서 수반되는 후생유전학적 리프로그래밍의 기작에 대한 연구 - 수행 과제    2011-현재 : 교육과학기술부(한국연구재단) 일반연구자지원사업(우수신진연구)    2011-현재 : 교육과학기술부(한국연구재단) 원천기술개발사업 (바이오.의료기술개발사업) - 연구 논문    SCI 및 SCI(E) 28편