생활 속 바이오(24) 태아의 탄생을 모방한 기술, 줄기세포 치료기술

24. 태아의 탄생을 모방한 기술, 줄기세포 치료기술

 

 

얼마 전 제주에서의 말 타기는 짜릿함을 넘어선 공포였다. 원래 겁이 많은 동물인 말과 내가 만난 게 문제였다. 바람소리에 놀란 말이 솟구쳤지만, 가까스로 낙마의 위기를 모면할 수 있었다. 말에서 떨어져서 심하게 다치면 평생 병상에서 살아갈 수도 있다. 1995년 영화 슈퍼맨의 주인공인 크리스토퍼 리브도 경마대회에서 낙마를 해서 목뼈의 신경이 끊어지는 사고를 당했다. 전혀 움직이지도 못하다가 불굴의 의지로 휠체어에 앉게 되었고 그 후 장애인을 위한 사회활동으로 상을 받기도 했다. 10만명당 5명의비율로 척추를 다치는 사고가 발생한다. 많은 경우, 신경의 절단으로 평생을 장애로 살아가야 한다. 이 신경을 연결해 줄 수는 없는가? 도마뱀은 급하면 꼬리를 잘라버리고 도망간다. 이 꼬리는 완벽하게 재생된다. 미물인 도마뱀도 이러한 재생기능을 가지고 있는데 만물의 영장이라는 인간, 이러한 재생기능을 모방하여 그들을 휠체어에서 일어나게 할 수는 없는가?

 

 

** 생명의 블랙박스, 분화의 문을 열다

 

 

도마뱀은 꼬리가 잘리면 그 부분에 있던 다른 조직이 자라나서 원래의 꼬리 모습대로 자라난다. 이 의미는 대단하다. 즉 꼬리를 만들고 있는 근육세포, 피부세포 등, 여러 형태로 자라는 능력을 가진 세포가 몸의 다른 곳에서 꼬리를 만든 것이다 (그림 참조 1). 아니면 꼬리가 잘리면서 이런 세포가 몸에서 생성되었을수도 있다. 도마뱀의 경우는 후자이다. 즉, 도마뱀에서 발견된 리버신이라는 물질은 도마뱀내에 원래 있던 세포들, 예를 들면 남아있는 몸통 부분의 세포를 변화시켜서 모든 세포로 변화시킬 수 있는 소위 만능 세포를 만든다. 이런 만능세포를 줄기세포라 부른다. 도마뱀에서 발견된 이 물질을 사람에게도 쓸 수 있다면 척추손상 뿐만 아니라 다리가 잘린 경우라도 다시 만들어 낼수 있지 않을까?

 

 

도마뱀에서 발견된 이 특이한 물질은 몸의 체세포, 예를 들면 근육세포를 만능줄기세포로 변화시킨다. 이것은 정상적인 과정, 즉 도마뱀의 수정란이 자라서 몸을 구성하는 세포들, 예를 들면 근육세포, 피부세포, 눈 세포등, 몸의 특정세포로 변하는 소위 분화(differentiation)과정의 반대이다. 이른바 역분화이다. 이 역분화 기술로 얻는 역분화 줄기세포는 기존에 알려진 2가지 줄기세포, 즉 난자에서 얻는 배아줄기세포와 인체의 뼈등에서 얻는 성체줄기세포와 함께 제3의 줄기세포로 등장한 것이다. 일본 과학자가 2007년 발견한 이 역분화줄기세포는 다른 2가지 줄기세포보다 유리한 점이 많아 보다 많은 활용이 기대된다.(그림 참조 2)

 

 

줄기세포의 가장 중요한 신비, 그것은 원하는 세포로 변화시키는 신비이다. 사람의 경우 이런 분화는 9달 동안 진행되고 드디어는 예쁜 아기로 태어난다. 인체의 생성은 신비 그 자체이다. 정자의 반쪽짜리의 유전자와 견고한 성내에 있는 난자의 반쪽 유전자가 합쳐져 하나의 세포, 즉 수정란이 된다. 한 시간 후 이 수정란이 분열을 시작하고 4일 후에는 배아세포가 된다. 배아세포는 세포외곽을 둘러싼 세포와 내부세포로 나뉘어서 서로의 운명이 달라진다.

(사진; 도마뱀의 꼬리 재생술; 적에게 잡힌 꼬리를 자르고 도망가는 도마뱀. 다시 자라나는 꼬리는 몸의 재생연구, 줄기세포 연구의 모방대상이다)

(그림; 역분화줄기세포; 환자의 체세포를 역분화시켜줄기세포로 만든뒤 원하는 세포로 다시 분화시키면 치료가 가능하다)

(그림; 배아에서 얻은 줄기세포; 만능세포(수정란)가 분열한 배아에서 분리한 전능세포(Pluripotent)가 혈액, 신경, 면역 기관으로 분화한다)

(그림; 유전자에 못질; 유전자에 붙어있는 히스톤 단백질. 또 하나의 유전자 조절인자?)

외곽을 지키던 세포는 태아의 태반을 형성한다. 내부에 있는 것들은 소위 배아줄기세포들이다. 이 배아줄기 세포들이 자라서 3개의 층을 형성하고 각각의 층은 피부와 뇌로, 뼈와 근육으로, 간과 폐로 자란다. 문제는 처음에 하나로 시작했던, 즉 하나의 수정란이 각각 다른 기능을 가진 피부세포, 근육세포, 간 세포로 어떻게 분화하는가이다. 현재까지 무엇이, 어떻게 이 분화를 조절하는 지는 분명치 않다. 수정란의 외곽에 있던 태반이 혹시 이 일을 할까? 아직 잘 모른다. 만약 이를 알고 정확히 조절할 수 있다면 우리는 줄기세포를 몸 안에 주입해서 고장 난 뇌세포를 다시 만들어서 뇌세포가 파괴된 파킨슨 병도 쉽게 고칠수도 있다.

 

 

수정란이나 피부세포같은 몸의 체세포는 모두 같은 유전자를 가지고 있다. 즉 피부세포나 심장의 근육세포는 25000개 정도의 유전자중에서 특정한 유전자들이 많이 발현해서 일을 하고 있다. 예를 들면 피부세포는 케라틴이라는 모발단백질을 많이 만들도록 해당 유전자들이 켜져 있어서 열심히 케라틴을 만들고 모발을 만든다. 반면 심장세포는 이런 유전자가 켜져서 작업을 하면 곤란해진다. 대신 계속 근육운동을 잘 해서 심장의 박동이 잘 되도록 근육단백질을 만드는 유전자들이 켜져 있다. 이렇게 켜지고 꺼져있는 것이 평생동안 잘 유지되어야 한다. 이런 조절이 깨지고 정상에서 벗어나면 그 세포는 조절할 수 없는 세포, 즉 암세포가 된다.

 

 

인체내의 모든 세포들의 유전자가 같다는 사실은 처음 수정란에서 몸의 각각의 기관으로 분화할 때 켜지면 안되는 유전자는 어떤 식으로든 못질을 해놓았다는 이야기이다. 즉 심장세포는 머리카락을 만드는 케라틴 단백질을 만드는 유전자가 켜지지 않도록 영구적으로 막아놓았다는 것이다. 못질을 하는 하나의 방법은 해당 유전자에 히스톤이라는 물질을 칭칭 감아 놓은 것이다 (그림 참조 4). 이 물질은 유전자가 뭉쳐있는 염색체를 감고 있는 물질로서 세포가 분열하면서 염색체가 두배로 불어날 때 풀리는 물질이다. 즉 평상시는 뱀처럼 감고 있어서 작동을 못하도록 하고 세포가 두 배로 증식하는 분화단계에서는 풀어주는 역할을 한다.

 

이런 못질이외에도 유전자에 외부에서 표식을 해놓은 정도를 다르게 하는 방법도 발견되었다. 즉 같은 유전자라고 해도 피부세포의 경우와 근육세포의 경우 유전자에 외부에서 표지해놓은 표식의 모양이 서로 다르다는 연구결과도 있다. 아직 분명치는 않지만 이런 못질, 이런 페인트칠 같은 표식이 유전자가 켜지는가 꺼지는가를 결정하는 역할을 한다고 볼 수 있다.

 

 

그러면 유전자에 못질해놓는 작업은 누가, 어떻게 조절하는 것인지에 대한 의문이 당장 몰려온다. 이런 정보는 어디에 있는가? 현재까지는 분화의 총사령관은 호메오 유전자라고 알려졌다. 생물들에게도 공통으로 존재하고 있어서 생쥐나 초파리에서 같은 호메오 유전자가 작용하면 같은 기관, 예를 들면 둘 다 모두 다리로 분화하는 공통성이 있어서 진화의 중요한 열쇠라고 알려졌다. 이른 바 생명의 블랙박스인 셈이다.

 

이 블랙박스를 잘 해독하면 우리는 수정란을, 정확히는 배아줄기세포를 원하는 세포로, 기관으로 분화시킬수 있다. 이른 바 줄기세포의 시대의 핵심 키이다.

 

 

**줄기세포, 인류의 구원의 메세지

 

 

자동차 사고로 척추의 신경이 손상되어 휠체어를 타고 다니는 강원래 가수의 공연을 본 사람은 인간의 의지에 놀란다. 휠체어에서도 예전의 댄스를 구사하는 모습을 보는 일반인들은 줄기세포의 연구결과가 속히 성공되어서 그가 두 다리로 댄스하는 모습을 보고 싶어 한다. 전선줄처럼 연결되었다가 끊어진 신경세포다발, 왜 이 세포들은 잘려진 도마뱀처럼 스스로 자라서 잘려진 부분을 잇지 못하는 것일까? 이런 기술을 모방할 수는 없는가?

 

 

우리 몸에는 3종류의 세포가 있다. 척추의 신경세포, 근육세포등 몸을 구성하고 있는 일반세포를 체세포라고 부른다. 몸에는 이런 체세포가 60조개나 있다. 이런 체세포이외에 끊임없이 분열해서 정자, 난자를 만들고 있는 생식세포가 있다. 그리고 몸의 구석구석에서 세포를 계속 생산해서 공급해주고 있는 줄기세포가 있다. 줄기세포는 몸에서 계속 소모되고 없어지는 세포들, 예를 들면 3-4일 사는 백혈구, 120일을 사는 적혈구등은 뼈속에 있는 줄기세포에서 끊임없이 만든다(그림 5). 이런 줄기세포를 분리해서 신경세포로 분화시켜서 척추를 이어주면 된다. 성공의 비결은 3가지이다. 줄기세포를 골라내는 '분리', 원하는 세포로 변화시키는 '분화', 그리고 인체에서 제대로 살게하는 '적응'이다.

 

 

첫 번째 관문은 줄기세포를 많은 세포 속에서 고르는 일이다. 줄기세포를 현미경으로 보면서 하나하나 분리하기에는 몸속의 성체줄기세포의 량이 너무 적고 무슨 특별한 모양차이가 나지도 않는다. 줄기세포는 나이에 따라 수가 감소한다. 태아의 경우 1만개중의 하나인 것이 성인이 되면서 100만개중의 하나로 감소한다. 이렇게 적은 수의 줄기세포를 고르기는 쉽지 않다. 가장 많이 쓰이는 방법은 줄기세포만이 가지고 있는 성질을 이용하는 방법이다. 한 예로는 줄기세포표면에만 붙어있는 단백질 덩어리에 달라붙는 항체를 만들어서 여기에 붙는 세포를 분리하면 된다(그림 참조 6). 이런 성체줄기세포의 분리방법에 비하여 배아줄기세포는 비교적 쉽다. 사용된 수정란의 내부에 존재하는 세포들을 모으기만 된다. 또한 최근에 성공한 역분화줄기세포는 체세포에 분화에 관련된 유전자를 강제 주입해서 만들고 거기에서 고르면 된다.

 

 

하지만 선발된 줄기세포가 진짜인지 아닌지를 고르는 확인 단계를 걸쳐야 진정한 줄기세포로 인정받는다. 첫째 자격시험은 인체의 신비를 모방한 확인기술이다. 인간을 비롯한 동물의 수정란은 분열하여 3개의 층을 형성하여 각각에 맞는 기관, 즉 피부, 뇌, 폐등으로 분화한다고 했다. 이처럼 줄기세포는 3개의 층을 형성해야 줄기세포라는 자격을 얻는다. 두 번째 자격시험은 계속 분열하면서도 다른 것으로 분화하지 말아야 한다. 뼈 속에서 피를 만드는 줄기세포는 분열을 해서 백혈구와 적혈구등을 만들지만 원래 자기 형태는 지니고 있다. 이 두 가지 시험, 즉 3층 형성 시험, 분열능력을 검증받으면 줄기세포로 확인되고 귀하신 몸이 된다.

 

 

 

줄기세포의 성공을 위한 두 번째 단계는 1단계에서 분리한 줄기세포를 원하는 세포로 분화시키는 작업이다. 이것이 만만치가 않다. 우선 문제는 무엇이 정확하게 줄기세포를 특정세포로 분화 시키는가를 정확히 모른다는 것이가(그림 참조 7). 또 줄기세포도 등급이 있어서 원하는 대로 다 분화하는 것이 아니다. 줄기세포 중에서 가장 으뜸은 분화해서 성체, 즉 인간, 초파리, 원숭이가 될 수 있는 줄기세포이고 이름도 전능세포(Totipotent)이다. 전지전능한 세포만이 아기로 태어날 수 있다는 것이다. 수정란속의 배아줄기세포는 당연히 전능세포이다. 두 번째로 능력이 높은 것은 모든 장기로까지 분화가 가능한 만능세포(Pluripotent)이다. 완전한 생명ㅊ가 되지는 못하고 일부인 장기까지만 변화가 딘다. 세 번째로는 특정한 세포나 장기로, 예를 들면 뼈속의 골수줄기세포는 백혈구만으로만 분화하는 다능세포(Multipotent)이다.

 

 

줄기세포를 원하는 세포로 분화시키려면 동물이 어떻게 하는가를 모방하면 된다. 하지만 생명의 블랙박스는 아직 완전히 개봉이 안 되었다. 동물의 정확한 분화조절 방법은 아직 연구 초기이다. 앞서 예를 들은 히스톤 단백질로 유전자에 못질하기나 유전자에 직접 페인트 칠같은 표식을 하기 등이 관찰되었지만 이를 직접 분리한 줄기세포에 적용하지는 못하고 있다. 그 대신 줄기세포의 성장에 영향을 주는 화학적 신호물질을 사용한다. 즉 세포와 세포사이의 신호물질은 줄기세포의 작용에 영향을 주어서 그 방향으로 분화하도록 한다. 동물은 상처를 입으면 상처를 혀로 핥는다. 침 속에 있는 신호물질인 피부성장인자는 상처 부근에 있는 줄기세포에 연락을 한다. 이 신호를 받은 피부 속 성체줄기세포는 부지런히 피부세포를 만들어내서 상처부위를 메꾼다. 이와 유사하게 줄기세포를 시험관에서, 신경세포로 혹은 피부세포로 분화시켜서 척추의 신경을 이어주는 지원군으로 또는 피부의 화상으로 없어진 피부세포로 만들어준다.

 

 

줄기세포를 적용하는 마지막 단계는 인체 내에서 살아남기 이다. 살아남기 위해서는 두 가지를 주의해야한다. 하나는 인체의 면역거부반응, 다른 하나는 원하는 세포로, 조직으로 만들어지는가이다. 본인의 성체줄기세포를 사용하면 본인의 몸에 주입시 당연히 면역반응이 없다. 따라서 가장 좋기는 본인의 줄기세포가 가장 많이 있는 탯줄에서 줄기세포를 분리, 분화시킨것을 사용하면 좋을것이다. 태아에는 성체줄기세포의 비율이 만분의 1로 가장 높기도 하다. 요즘 출생시의 탯줄을 보관해주는 사업이 성황을 이루는 이유이기도 하다(그림 참조 8). 다른 사람의 성체줄기 세포인 경우, 다른 사람의 세포외부에 있는 다른 물질, 즉 서로 다른 명찰을 달고 있기 때문에 금방 면역반응을 일으킨다. 이것을 넘어서려고 면역 억제제를 사용하면 감기등의 사소한 질병에도 위험해 질수 있다. 이런 현상은 장기이식에도 물론 적용된다. 최근 개발된 체세포의 역분화기술은 이런 문제에 시원한 답을 줄 수 있다. 즉 자기 몸의 세포, 예를 들면 피부를 떼어내서 이것을 거꾸로 분화시키면 원래의 피부의 줄기세포와 같이 된다. 새로운 이 기술은 면역의 걱정도 윤리의 문제도 없다.

 

 

***동전의 양면, 암과 줄기세포

 

 

권투선수 알리가 앓던 파킨슨 병은 뇌세포의 일부가 죽으면서 신경전달물질인 도파민을 생산하지 못하여 생기는 난치성질환으로 60세의 3%가 이 병으로 고생한다. 이 병을 치료하려면 어린 아이의 정상 뇌의 일부를 이식해야 하는 어려운 난치병이다. 만약 줄기세포로 도파민을 생산하는 뇌세포로 분화시켜서 뇌에서 적응, 살게 한다면 쉽게 치료될 수가 있다. 줄기세포는 이런 무한한 치료 가능성을 가지고 있다. 즉, 훼손된 장기, 작용을 못하는 기관을 원래상태로 치유할 수가 있다는 꿈을 보여주고 있다 (그림참조 9).

 

하지만 수정란에서부터 태아가 되기까지 각기 다른 기관, 장기로 분화되는 생명의 블랙박스를 완전히 이해하기 전까지는 넘어야 할 산이 많다. 계속 자라는 줄기세포, 이것을 정확하게 이해하고 조절되지 않는다면, 계속 자라는 또 하나의 세포인 암이라는 괴물을 만날 것이다. 암과 줄기세포는 동전의 양면이다. 그만큼 조심스럽지만 이만큼 암을 정복하기에 좋은 기회도 또한 없다. (끝)

(그림; 뼈속의 줄기세포; 적혈구, 백혈구, 혈소판을 계속 생산해낸다)

(그림; 줄기세포 분리; 줄기세포 외벽물질에 달라붙는 항체를 이용하면 쉽게 분리가능하다)

(그림; 줄기세포의 분화; 원하는 세포로 분화되어야 치료가 가능하다)

(그림; 탯줄보관 은행; 훗날 본인의 고장난 몸을 고칠수 있는 줄기세포가 있다)

(그림; 줄기세포의 적용분야; 뇌손상, 파킨슨 병, 피부 상처치료, 척추손상, 관절, 루마치스, 탈모, 시신경손상, 청각장애, 심장병, 당뇨병, 신체 암)