줄기세포(배아줄기세포, 성체줄기세포)

줄기세포(stem cell) 

                                                  김진국
1. 줄기세포(stem cell)

 줄기세포(stem cell)란 세포분열을 하여 조직이나 기관으로 분화될 수 있는 세포로 간(幹) 세포라고도 한다. 
줄기세포 종류로는 배아줄기세포(embryonic stem cell:ES)와 성체줄기세포(adult stem cell), 그리고 일반세포를 인공으로 유도한  유도만능 줄기세포(Induced Pluriotent Stem cells, IPS cell)가 있다.

2. 줄기세포(stem cell) 연구

1908년 막시모프(Alexander Maksimov, 1880 ~ 1952, 러시아)가 베를린에서 열린 혈액학회에서 줄기세포(stem cell)라는 용어를 처음 제안하였다.
1952년 미국의 브리그스(Robert Briggs 1911 ~ 1983)와 킹(Thomas Joseph King,1921 ~ 2000)은 개구리의 체세포 핵을 다른 수정란에 이식하는 핵치환을 성공시켜 개구리를 복제하였다.
1961년 캐나다의 어니스트 맥컬럭(맥컬로치, Ernest Armstrong McCulloch, 1926 ~ 1911)과 제임스 틸(James Till, 1931 ~)이 생쥐에서 혈액 줄기세포(조혈모세포, Hematopoietic stem cell, HSC)를 발견했다.
1963년 캐나다의 어니스트 맥컬럭(맥컬로치, Ernest Armstrong McCulloch, 1926~1911)과 제임스 틸(James Till, 1931 ~)이 쥐의 골수에서 자가 증식하는 세포를 발견함으로써 줄기세포의 존재가 밝혀졌다.
1978년 영국의 스텝토(Patrick Steptoe, 1913 ~ 1988)와 에드워즈(Robert Geoffrey Edwards, 1925 ~ 2013)는 시험관 아기(test-tube baby)를 최초로 성공시켰다. 그리고 혈액 줄기세포(조혈모세포, Hematopoietic stem cell, HSC)를 인간의 제대혈에서 발견했다.
1981년 영국의 에반스(Matin John  Evans, 1941~)와 카프먼(Matthew H. Kaufman, 1942~)은 배반포 단계 쥐의 배아에 형성되는 내부 세포 덩어리에서 만능세포를 발견하고 배아줄기세포(embryonic stem cells)라고 이름을 붙였다.
1996년 영국의 이언 윌머트(Ian Wilmut, 1944 ~ ) 등은 체세포 복제로 복제양 돌리를 탄생시켰다. 
1998년 미국의 톰슨(James Thomson, 1958 ~)은 인간의 배아줄기세포를 분리하여 배양하는 데 성공했다.

3. 줄기세포 종류

가. 배아줄기세포(embryonic stem cell:ES)

 생명체는 수정란이라는 한 개의 세포로부터 체세포 분열을 하여 세포가 많아지고 각 세포들은 분화하여 기관을 형성한다. 수정란이 분열을 시작하여 2개의 세포로 그리고 4개, 8개의 세포로 분열을 할 때까지 각각의 세포들은 전능(全能, pluripotent, 전형성능, 全形成能, totipotency)을 가지고 있다.
전능(全能, pluripotent)이란 포로 분열을 할 때까지도 각각의 세포들은 전형성능을 가지고 있어 모든 기관으로 분화할 수 있데 이런 세포를 배아줄기세포(embryonic stem cell:ES)라 한다.
동물의 종류에 따라 몇 세포기까지 전형성 능력을 유지하고 있는지는 각각 다르다.
사람이 속하는 양막류는 수정란 기원의 배(胚)가 배반포(胚盤胞, blastocyst, 난할이 끝난 배, 포배기) 시기가 되면 세포들(영양외배엽)이 한 층으로 내 세포집단(Inner cell mass,내부세포)를 싸게 되는데 영양외배엽은 나중에 태반으로 되고 기관으로 발생되지는 않는다. 내 세포집단(Inner cell mass, 내부 세포)이 배아로 발생되며 이 세포들을 배아줄기세포로 이용한다.
사람에서는 보통 수정한지 14일이 안된 배반포의 내 세포집단(Inner cell mass)을 배아줄기세포(embryonic stem cell:ES)라 하며 장차 인체를 이루는 모든 세포와 조직으로 분화할 수 있는 전능한 세포이다. 그러나 체세포 분열이 계속 진행될수록 각 딸세포(체세포분열로 생성된 세포)들은 각각 특별한 기능을 가지는  다양한 종류의 세포로 분화를 한다. 완전히 분화된 세포는 더 이상 체세포분열을 하지 않는다.
 발생과정에서 어떤 세포가 어떤 조직으로 분화하는지는 여러 가지 요소에 의해 결정되는데 먼저 중력에 의해 영향을 받고, 먼저 생성된 세포의 물질이 다음 생겨나는 세포의 모양과 작용을 결정하게 되는데, 각 세포들 사이의 신호전달에 의해 제어된다.
 보통 동물에서는 수정란이 분열(난할)하여 형성된 세포(할구) 덩어리는 비눗방울 모양의 포배기나 주머니 모양의 낭배기 시기에 어떤 세포가 어떤 기관이 될 것인지가 결정되는데 이때 각 세포들이 어떤 위치에 존재하는가에 따라 분화되는 기관이 달라진다.
 일단 발생이 진행되어 어느 시기에 세포가 어떤 기관이 될 것인가가 결정되고 나면 더 이상 바뀌지 않는다.
 어떤 기관에 문제가 있는 사람이 그 기관을 다른 사람으로부터 이식받으면 이식받은 기관에는 우리 몸에 항원으로 작용하는 물질이 있기 때문에 항체가 생성되어 항원-항체 반응이 일어나 이식받은 기관이 죽게 된다. 이를 거부반응이라 한다. 그러나 자기 기관을 이식받으면 문제가 없다. 그래서 자기와 같은 복제 인간을 만들어 필요한 기관을 사용하고자 시도하였다. 여성으로부터 기증받은 난자에 환자의 체세포 핵을 이식시켜 배양하면 수정란과 같이 모든 기관으로 분화될 수 있는 배아줄기세포(embryonic stem cell:ES)가 된다. 이렇게 체세포 핵을 난자에 이식하고 조직 배양하여 세포가 분화된 상태의 포배기로 발생시켜 원하는 기관이 될 예정인 조직을 배양하여 원하는 기관을 만들어 사용할 수 있다. 이렇게 인위적으로 복제 인간을 만들어 배아 줄기 세포(embryonic stem cell:ES)를 얻을 수 있다. 배아줄기세포(embryonic stem cell:ES)는 몸을 구성하는 200종 이상의 모든 세포로 분화될 수 있다.
 배아 줄기 세포(embryonic stem cell:ES)를 이용하여 당뇨병을 치료하기 위해 인슐린 생산 세포를 만들어 내거나 척추부상으로 마비된 환자의 기능을 회복시킬 수 있는 신경세포를 길러내는 것이 가능하게 될 것이다.

나. 유도만능 줄기세포(Induced Pluriotent Stem cells, IPS cell)

 사람의 배아줄기세포(embryonic stem cell:ES)는 여러 종류의 줄기세포를 얻을 수 있고 환자에게 거부반응이 일어나지 않는 장점이 있지만 사람의 새 생명을 이용하기 때문에 윤리적 문제가 따른다.
 그래서 체세포를 이용하여 줄기세포를 만드는 방법이 개발되고 있다. 다 자란 체세포를 원시상태로 되돌려 만든 줄기세포를 유도만능 줄기세포(Induced Pluriotent Stem cells, IPS cell)라 한다. 유도만능 줄기세포(IPS)는 배아줄기세포(embryonic stem cell:ES)처럼 인체의 다양한 세포로 자랄 수 있으면서도, 기존 배아줄기세포(embryonic stem cell:ES)와 달리 난자나 수정란을 파괴하지 않고도 얻을 수 있어 윤리적 문제가 없다.
환자의 피부 세포를 배아줄기세포 상태로 즉 전문용어로 초기화(re-programming)하여 유도만능 줄기세포(IPS)를 만드는 데 성공하였다.
 유도만능 줄기세포(IPS)가 배아줄기세포(embryonic stem cell:ES)처럼 다양한 세포로 자랄 수 있는 비밀은 유전자가 아니라 유전자와 단백질이 결합된 염색체의 물리적 구조에 있었다.
염색체에서 DNA가 단백질에 감겨 있는 것을 크로마틴(chromatin, DNA가 히스톤 단백질을 둘러싸고 있는 단위를 뉴클레오솜(히스톤 8량체를 DNA가 감고 있음)이라 하는데 이것이 여러 개 모여 있는 것, 염색질)이라고 한다. 줄기세포에서는 크로마틴이 느슨한 상태로 있어 다양한 세포로 자랄 수 있는 능력을 갖는 것이다. 다 자란 세포를 유도만능 줄기세포(IPS)로 만드는 역분화는 크로마틴을 풀어주는 과정으로 체세포에 화학물질을 처리해 크로마틴을 느슨하게 했더니 줄기세포의 특성을 나타냈다.
사람의 혈관 근육세포에 4가지 유전자를 처리해 유도만능 줄기세포(IPS)를 만들어 같은 혈관 근육세포로 자라게 하여 두 세포를 비교했더니 유전자 자체나 유전자 이외의 요인에 의한 유전자 기능 조절이 흡사한 것으로 나타났다. 즉 유도만능 줄기세포(IPS)로 손상된 세포를 대체하는 일이 가능함을 입증한 것이다. 이미 유도만능 줄기세포(IPS)로 인간 혈액을 생성하는 돼지를 만드는 데 성공했다.

다. 성체줄기세포(adult stem cell)

 다양한 분화를 하여 더 이상 세포분열을 하지 않는 기관이나 조직에 전형성 능력을 잃지 않는 세포들이 일부 남아 있다.
이런 세포를 성체 줄기 세포(adult stem cell)라 한다. 성체줄기세포(adult stem cell)는 각종 장기,  중추 신경계 등에 미분화 상태로 존재하고 있다가 장기의 생장이 필요할 때나 손상이 되었을 때 세포분열을 하여 그 기관에 필요한 세포를 만들어 생장이나 재생하게 하는 등 기관의 조직으로 분화할 수 있는 세포이다.
 성체줄기세포(adult stem cell)는 조혈모세포 등과 같이 성체의 각 기관에 남아 있다. 혈액과 피부 세포는 수명이 짧아 줄기세포에서 계속 만들어져 보충되어야 한다. 적혈구, 백혈구, 림프구는 골수에 있는 조혈모세포(혈액 줄기세포)가 만들고, 피부는 표피층, 진피층, 피하조직(지방층)으로 구성되는데 표피 세포는 표피층의 하층에 해당하는 기저 세포라고 하는 성체줄기세포(adult stem cell)가 만들고 있다.
 분열한 성체줄기세포(adult stem cell)의 일부는 분화하여 혈액 세포나 표피 세포가 되지만 일부는 남아서 일생 동안 줄기세포(성체줄기세포)로 계속 분열한다.
 한번 생성된 뉴런(신경세포)은 다시 분열하지 않는다지만, 성인의 일부 뇌세포에는 줄기세포가 있다는 것이 알려졌다.
 아기의 탯줄(제대)에는 아기의 혈액이 들어 있는데 이를 제대혈이라 한다. 이 제대혈 속에는 혈액 줄기세포뿐만 아니라 다른 성체줄기 세포도 들어있다는 것이 밝혀졌다. 이를 이용하려는 연구가 진행되고 있으며, 산부인과 병원에서는 이 제대혈을 나중에 애기가 성장했을 때 사용할 수 있도록 보관해주는 사업을 하고 있다.

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