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브런치북 몸을 벗어난 생명 - 1 10화

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by 캬닥이 Feb 26. 2022

1.8. iPSC는 애플의 신제품이 아니다

iPS 세포를 배양하던 iPS 세포의 기억

2022.2.26 작성

2022. 3.2. 수정

우리나라가 세계 산업 혁명을 이끌 뻔한 순간이 있었다. 그것도 생명 공학으로. 2000년대 초 줄기세포는 세상을 바꿀 열쇠였다. 그 시절 줄기세포에 끓던 열기는 2020년대 인공지능에 거는 기대와 비슷한 수준이었다. 국민 영웅 황우석 박사가 생명 탄생의 비밀을 풀고 온 세상 난치병과 장애를 해결하리라 모두가 믿었다. 박사는 9시 뉴스에 나와 사지 마비 환자들의 손을 잡아주었고, 자라나던 아이들에게는 과학자의 꿈을 심어주었다. 그의 연구는 조작으로 판명났다. 2006년 1월, 학술지 사이언스는 황우석 박사의 2004∙2005년 논문을 철회했다. 한국의 생명과학 붐은 그렇게 꺼졌다.

줄기세포 연구는 한국과 상관없이 이어졌다. 2005년 일본의 과학자 야마나카 신야는 아무도 생각하지 않던 방식으로 줄기세포를 만들어 세상에 공개했다. 6년 후, 야마나카는 ‘iPS 세포’를 개발한 공로로 노벨상을 수상한다. 2005년에 나온 iPS 세포 논문은 2022년 기준 27000여 개의 연구에 인용되었다.

학술지 네이처는 'iPS세포' 하나를 독립된 페이지로 큐레이션한다.

줄기세포는 세포를 만드는 세포이다. 줄기세포의 종류는 다양하지만, 황우석과 야마나카의 줄기세포는 혈액, 근육, 피부 등 몸을 구성하는 모든 세포가 되는 만능 줄기세포이다. 이것과 제일 가까운 생명 현상은 배아줄기세포(Embryonic Stem Cell, ES Cell)이다. 정자와 난자가 결합해서 수정란이 되고, 수정란은 곧 여러 세포로 분열한다. 분열한 세포 중에서는 태반처럼 배아를 보조하는 기관이 될 세포도 있고, 배아 자체를 구성하는 배아줄기세포도 있다. 수정란처럼 모든 세포를 만들지는 못하지만, 신경, 혈구, 피부처럼 환자에게 도움이 되는 부분은 배아줄기세포를 이용해 만들 수 있다.

인간 배아줄기세포와 배양을 보조하는 생쥐 섬유아세포. 자세히 보면 중앙에는 동그란 줄기 세포가 알알이 모여있고, 바깥의 보조 세포는 길쭉한 모양이다. 위키피디아

줄기세포를 마음대로 다룰 수만 있다면 만병통치약이 될 것이다. 사지마비 환자에게는 신경 세포를 만들어 척수를 연결하고, 백혈병 환자에게는 건강한 백혈구를 만드는 ‘조혈 세포’를 만들어 골수에 넣으면 된다. 전신에 화상을 입어도 피부 세포를 만들어 몸에 입힐 수 있다. 언젠가는 자신의 세포로 된 간이나 콩팥을 키워 이식할 수 있다. 2000년대에 한국인들의 희망이 줄기세포에 모인 데는 이유가 있었다.

그러나 배아줄기세포의 시대란 대의를 위해 누군가의 희생도 묵인하던 시절이었다. 황우석 사건을 폭로한 언론은 MBC의 PD수첩이었다. 이들은 연구 조작에 앞서 불법 난자 사용을 먼저 보도했다. 환자 맞춤 배아줄기세포를 만들기 위해서는 체세포를 수정란 상태로 바꾸어줄 난자가 필요하다. 졸업을 볼모로 잡힌 대학원생, 형편이 어려운 여성, 난치병 환자의 가족들까지 수 많은 이들이 몸을 망가트리는 과배란 주사를 맞으며 난자를 내놓았다. 그럼에도 PD수첩의 보도를 본 많은 사람들은 윤리보다 과학이 우선이라며 되려 PD수첩 광고주 불매 운동을 벌였다.

다행히도 오늘날 줄기세포 연구에 사람 난자가 쓰이는 일은 거의 없다. 2005년 야마나카 신야의 발표 이후로 대부분의 줄기세포 실험실은 iPS 세포(유도 만능 줄기세포, induced Pluripotent Stem Cell, iPS Cell)를 사용한다. iPS 세포는 백혈구나 피부 세포 같은 보통 세포를 배아줄기세포같은 상태로 되돌려 만든 세포이다. 세포의 유전자가 직접 발현해서 줄기세포가 되기 때문에 다른 사람의 난자는 필요 없다. 새로운 발견을 한 과학자에게는 현상이나 개념에 이름을 붙이는 특권이 생긴다. ‘iPS 세포’라는 이름은 야마나카가 직접 지었다. i를 소문자로 쓴 이유는 뒤에 P를 붙이며 애플의 신제품 같은 느낌을 주고 싶었기 때문이란다.

야마나카의 2005년 논문에 실린 iPS 세포의 모습. 현미경의 배율이 달라서 그렇지 배아줄기세포가 뭉친 사진과 모양이 비슷하다. 덩어리 사이 삐죽삐죽한 세포는 배양 보조 세포이다

줄기세포를 이용한 난치병 연구도 배아줄기세포 대신 iPS 세포가 많이 쓰인다. 2020년 5월 하버드 의대 김광수 교수는 iPS 세포를 이용해 파킨슨병 환자를 치료했다고 발표했다. 파킨슨병은 70세 이상 노인 100명 중 두 명이 걸리는 퇴행성 뇌 질환이다. 환자는 걷기나 글씨 쓰기 같은 단순한 행동도 어려워하다가 영영 움직이지 못하게 된다. 파킨슨 병은 뇌의 특정 신경세포가 줄어들며 생긴다. 김광수 교수 연구진은 환자의 피부 세포를 채취해 iPS 세포로 만들었다. iPS 세포는 배아줄기세포처럼 몸을 구성하는 어떤 세포로도 분화할 수 있다. 연구진은 iPS 세포를 신경 세포로 분화시켜 환자의 뇌에 이식했다. 김광수 교수의 연구 외에도 iPS 세포는 코로나19 치료제부터 약물 시험용 세포까지 다양한 분야에 활용된다.

iPS 세포를 이용해 파킨슨 병 환자를 치료하는 모식도. 환자의 세포를 뉴런으로 바꾸어 뇌에 이식할 수 있다

대학원에 입학한 후 연구실에서 맡은 일과는 iPS 세포를 유지하는 일이었다. 이론적으로 줄기세포는 늙지 않아서, 관리만 잘 하면 다른 세포주처럼 무한히 배양할 수 있다. 그래서 내가 iPS 세포를 유지하면 다른 연구원이 일주일에 한 번씩 일부만 떼어내 다른 세포를 만드는 씨앗으로 사용했다. 오래 배양하면 세포 속에 어떤 돌연변이가 생길 지 모르니 몇 달 배양한 후에는 폐기했다.

우리 실험실의 줄기세포 배양 방식은 돈은 많이 들어도 연구자는 고생하지 않는 방법이었다. 원래 줄기세포를 키우기 위해서는 주변에 보조 세포를 함께 깔아주어야 하는데, 500mL에 50만원은 하는 비싼 배지를 사용하면 보조 세포 없이 줄기세포만 안정적으로 키울 수 있었다. 그럼에도 실험실 줄기세포는 가끔씩 아무 이유 없이 다른 세포로 분화했다. 줄기세포의 본성은 다양한 세포로 분화하여 몸을 구성하는 것이니, 줄기세포가 줄기세포인 채로 있는 것이 자연스럽지 않는 일이었다.

줄기세포는 다른 세포들과는 모양이 다르다. 줄기세포 상태를 잃어버리면 되면 동그랗던 세포가 삐죽삐죽해지며 바로 티가 난다. 분화한 세포는 이웃 세포도 분화시킨다. 배양 접시 안의 모든 줄기세포가 도미노 쓰러지듯 분화해버릴 수도 있다. 줄기세포가 사라지면 냉동된 줄기세포를 녹여 다시 배양해야 한다.

매일 아침 줄기세포의 배지를 바꾸고, 현미경으로 분화한 세포를 찾아 없앴다. 클린벤치의 바람 소리를 들으며 배양 접시를 이리저리 돌려가며 줄기세포 덩어리를 관찰했다. 삐죽삐죽한 세포가 보이면 볼펜 주둥이 비슷하게 생긴 파이펫 팁으로 세포를 긁어냈다. 단순한 작업이었다. 딴 생각 하기에 딱이었다. 몸은 실험을 하고 있었지만 머리로는 앞으로 무엇을 할지 고민했다. 고민거리는 많았다. 박사과정에 진학할지 석사만 하고 끝낼지, 졸업하고서는 무슨 일을 할지 모든 것이 막막했다. 눈에 보이는 것이 iPS 세포밖에 없으니 스스로가 iPS 세포가 된 것 같았다.

학생 시절은 모두가 줄기세포였다. 무엇이든 될 수 있다는 가능성이 있었다. 너무 많은 가짓수 앞에서 고민에 빠졌다. 늦은 밤까지 편의점 앞 테이블에서 친구들과 가능성을 이야기했다. 연구실 입학, 의학전문대학원, 수능 다시보기까지 별 이야기가 다 나왔다. 누군가는 일찌감치 길을 정해서 학점을 관리하고 봉사활동을 다녔다. 누군가는 분화의 시기를 미루며 끝까지 학생으로 있으려 했다. 우여곡절 끝에 회사에 들어간 후에도, 진로를 고민하는 동기와 후배들의 이야기를 들어주었다. 회사 생활이 힘들어지자 입장 바꿔 그 친구들에게 상담을 청했다.

회사를 그만두고 학생 신분으로 돌아오니 마치 iPS 세포가 된 것 같았다. 줄기세포였다가, 회사원 세포였다가, 다시 줄기세포로 돌아온 셈이었다. 무엇이든 될 수 있다는 줄기세포의 만능성이 ‘아무것도 아닌 상태’로 느껴졌다. 간세포가 독을 중화하는 효소를 만들고, 신경 세포가 온몸 구석구석 신호를 전달할 때, 줄기세포는 무엇이든 될 수 있는 상태를 유지할 뿐 아무 일도 하지 않았다. 회사에서의 나는 부품 중 하나일지언정 기능이 있는 세포였다. 대학원생이 되니 다시 ‘무엇이든 될 수 있지만 아무것도 아닌’ 상태가 된 것 같았다.

줄기세포 불안증은 졸업 후 연구를 그만두며 사라졌다. 함께 입학했던 동료들은 박사 과정 학생이 되었다. 연구실 밖에서 보는 그들은 과거의 나와 비슷하면서도 달랐다. 그들은 줄기세포가 맞았다. 다들 포기하고 싶은 마음, 분화하고 싶은 본성을 참으며 연구하고 있었으니까. 다만 아무것도 아닌 상태는 벗어나 있었다. 열에 일곱은 실패하는 연구에 열 번 매달리며, 왜 실패했는지 고민하고 한 걸음씩 앞으로 나아가는 그들은 이미 과학자였다.

아래는 유도만능줄기세포에 대해 더 알고 싶은 분을 위한 글

줄기세포를 정의하는 두 가지 특성은 분화와 자기복제이다. ‘분화’는 세포가 다른 세포로 변하는 능력이다. 수정란은 세포 분열을 반복하며 안팎의 세포 구성이 달라진다. 안쪽에 있는 배아줄기세포는 외배엽·중배엽·내배엽 세포가 된다. 세포가 분화하며 뇌나 소화 기관처럼 세부 장기를 구성하는 세포가 된다. 분화는 한쪽 방향으로만 진행한다. 완성된 개체는 수정란 상태로 돌아갈 수 없다.

‘분화’ 개념의 고전인 와딩턴의 언덕 (Waddington’s Hill) 그림. 갈래길을 내려온 공이 위로 올라오지 못하듯, 사람들은 분화된 세포는 돌이킬 수 없다고 생각했다

‘자기복제’는 줄기세포의 특징을 그대로 유지하며 분열하는 능력이다. 수정란이 몸이 되기 위해서는 끊임없이 세포의 수가 늘어야 한다. 줄기세포에 자기복제 능력이 없다면 아무리 수가 많아도 어느 시점에서 고갈될 것이다. 우리 몸의 줄기세포는 둘로 분열하거나 다른 세포로 분화하며 되며 몸을 만든다.

위 글에서는 배아줄기세포와 iPS 세포를 주로 설명했다. 이러한 만능 줄기세포는 완성된 몸에는 존재하지 않지만, 성체에도 여러가지 줄기 세포가 존재한다. 골수 깊숙한 곳에서 적혈구가 끊임없이 생겨나는 것도, 손상된 근섬유가 회복되어 두툼한 근육이 자라는 것도 줄기세포 덕분이다. 이런 줄기세포들은 배아줄기세포처럼 모든 세포로 분화하는 능력은 없지만, 기관 깊숙한 곳에서 조직에 필요한 세포를 만들어낸다. 심지어 한 번 죽으면 회복되지 않는다는 신경 세포 중에서도 줄기세포가 발견되었다. 뇌의 해마에는 신경 줄기세포가 있어서 매일 새로운 신경 세포를 만든다.

분화능에 따른 줄기세포의 분류. 다능 세포 (Multipotent cell)이 발생 후 존재하는 줄기세포. ‘Nullipotent cell’은 분화 능력이 없는 보통의 체세포이다

야마나카 신야는 세포를 ‘역분화(reprogramming)’하는 방법으로 만능 줄기세포를 만들었다. 분화가 끝나 쓰임새가 결정된 세포의 시계를 거꾸로 돌린 것이다. 분화는 한 방향으로만 일어난다고 했다. 역분화는 자연에서는 일어나지 않는 현상이다. 어느날 손가락이 줄기세포 덩어리로 바뀌고, 그 줄기세포가 간세포로 바뀐다고 상상해보라. 이런 일이 생기지 않는 덕분에 우리는 어제의 몸을 유지하며 오늘을 살아간다. 그렇다면 야마나카는 어떻게 역분화라는 아이디어를 떠올리고 세포에 실현했을까?

세포가 지닌 유전정보는 모두 같다. 피부 세포든 뇌세포든 모든 세포의 근원은 정자와 난자가 만나 탄생한 수정란이다. (생식 세포만 예외이다. 정자와 난자에는 유전 정보가 절반만 있다. 그렇지 않다면 세대를 거듭할 때마다 유전정보가 두 배씩 늘어날 것이다.) 그런데도 어떤 세포는 손가락이 되고 어떤 세포는 인슐린을 만든다. 방대한 유전정보 속에서 세포마다 켜진 유전자가 다르기 때문이다. 사람들마다 백과사전이 한 권씩 있어도, 누구는 과학 분야만 읽고 누구는 미술 분야만 읽으면 말하는 내용은 전혀 다를 것이다. 야마나카는 모든 세포의 유전정보가 같은 만큼, 줄기세포 상태를 유지하는 유전자도 존재하리라 예상했다. 그 유전자를 찾아 작동시킬 수만 있다면 어떤 세포든 줄기세포로 돌아갈 수 있을 것이다. 야마나카는 세포의 백과사전에서 어딘가에 있을 ‘다른 분야 읽는 법’을 찾아 나섰다.

야마나카는 선행 연구를 참고하며 줄기세포에서만 발현하는 유전자 후보를 찾아냈다. 그렇게 찾은 유전자 스물 네 개 중 넷을 선정했다. 이제는 ‘야마나카 인자’로 불리는 유전자 넷을 피부 세포에 발현시켰더니 피부세포가 줄기세포로 변했다. 황우석 박사를 비롯한 수 많은 과학자들이 몸에서 수정란을 꺼내 줄기세포로 만들 방법을 찾는 동안 야마나카는 어떤 세포든 줄기세포로 바꾸는데 성공했다. 이렇게 만든 iPS 세포는 난자나 수정란을 희생한 결과물이 아니니 윤리적 문제도 없고, 환자의 체세포를 바로 줄기세포로 바꿀 수도 있어 질병 치료 전망도 더 좋다. 아이디어 하나가 세상의 판도를 바꾼 예시로 이만한 것이 없다.

iPS 세포는 발상도 흥미롭지만, 논문에 쓰인 아이디어도 단순 명쾌하다. iPS 세포를 개발한 논문은 야마나카 신야와 그의 제자 다카하시 가즈토시 두 사람이 썼다. 세포를 줄기세포로 바꾸는 아이디어는 야마나카의 비전이지만, 실험 아이디어는 다카하시가 냈다. 당시 줄기세포 상태를 만들 후보 유전자는 24개나 찾은 상태였다. 24개 유전자 중 진짜 줄기세포를 만드는 유전자를 찾아야 하는 상황이었다.

야마나카 신야와 다카하시 가즈토시 위키피디아, The New York Stem Cell Foundation

다카하시는 줄기세포에 유전자 24개를 세포에 한꺼번에 집어넣었다. 알고 나면 아무것도 아닌 것 같지만, 보통 연구자들은 생각하지 못하는 방법이다. 연구자가 세포에 유전자를 주입해도 100% 성공한다는 보장이 없다. 성공률이 90%라고 쳐도 24개 유전자가 전부 발현하는 경우는 1%도 되지 않는다. 다카하시는 확률을 묻지 않고 실험을 진행헀고, 놀랍게도 일부 세포가 줄기세포처럼 변했다. 이후 다카하시는 24개 유전자를 하나씩 빼면서 세포를 관찰했다. 24개 유전자 중 1번 유전자를 뺀 23개 유전자만 발현한 세포가 줄기세포가 되지 않는다면 1번 유전자는 줄기세포 상태를 유지하는 데 필수적인 유전자리라는 발상이다.

같은 실험을 반복하며 마침내 줄기세포 상태를 유지하는 필수 유전자 넷을 찾아냈다. 네 가지 유전자 중 하나만 빠져도 줄기세포 상태를 잃어버린다. Oct4, Sox3, Klf4, c-Myc, 이 네 가지 유전자를 과학자들은 ‘야마나카 인자’라 부른다. 야마나카 신야는 자신이 직접 이름을 붙인 iPS 세포가 전세계에 퍼진데 더불어, 자신의 이름까지 세상에 남는 영광을 누리고 있다.

24개 유전자 후보를 하나씩 빼며 상태를 관찰하고(A), 후보를 10개로 줄였다(B). 네 후보 하나라도 빠지면 덩어리 수가 크게 줄었다(C). 최종 유전자 넷이 '야마나카 인자'

야마나카는 실험이 끝나고도 1년이 지난 후에야 논문을 발표했다. 황우석 박사의 논문 조작 스캔들 때문이었다. 같은 분야에서 초유의 연구 조작 사건이 일어났는데 심지어 바로 옆 나라 일이니, 자신의 연구 결과를 사람들이 믿지 않을까 걱정이 된 것이다. 야마나카와 다카하시는 논문을 발표하기 전 1년 동안 누구에게도 연구 내용을 이야기하지 않고 같은 실험만 반복하며 결과를 견고하게 다졌다. 노벨상을 받을 연구를 하고서도 발표를 하지 못하는 채로, 누군가 같은 연구를 하지 않기만 바라며 1년을 버틴 것이다. 앞서 황우석 사건과 상관없이 줄기세포 연구가 이어졌다고 했지만, 사실은 iPS 세포야말로 황우석 사건에 여파를 가장 크게 받은 연구였다.

참고문헌 및 각주

커버 이미지는 Cell stem cell의 2020년 10일자 표지이다.Issue: Cell Stem Cell

https://www.nature.com/subjects/stem-cells/nature

Takahashi, K., & Yamanaka, S. (2006). Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. cell, 126(4), 663-676.

이미지 출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Stem_cell#/media/File:Human_embryonic_stem_cell_colony_phase.jpg

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%99%A9%EC%9A%B0%EC%84%9D_%EC%82%AC%EA%B1%B4#2004%EB%85%84

네티즌,황우석 보도 MBC PD수첩 집중공격에..노대통령 "도 넘었다" - 국민일보 https://news.v.daum.net/v/20051127191608258, 2022.3.3. 확인

[황우석 사태 그후 1년] 난자 제공자들 “남은건 상처뿐” - 경향신문 (khan.co.kr). 2022.2.26 확인 https://www.khan.co.kr/article/200611150817311 "황우석 연구는 '매매된 난자'를 사용했다" – 프레시안, 2022.2.26 확인. https://www.pressian.com/pages/articles/31571#0DKU

카이스트 보도자료, 우리 대학 졸업생 김광수 미 하버드 의대 교수, 맞춤형 줄기세포로 파킨슨병 임상 치료에 세계 최초로 성공. https://news.kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=8150 2022.02.26 확인

Kim, J.Y., Nam, Y., Rim, Y.A. et al. Review of the Current Trends in Clinical Trials Involving Induced Pluripotent Stem Cells. Stem Cell Rev and Rep (2021). https://doi.org/10.1007/s12015-021-10262-3

Sonntag, K. C., Song, B., Lee, N., Jung, J. H., Cha, Y., Leblanc, P., ... & Kim, K. S. (2018). Pluripotent stem cell-based therapy for Parkinson’s disease: Current status and future prospects. Progress in neurobiology, 168, 1-20의 그림을 변형

Waddington’s Hill. Waddington, C. H. (1956). Principles of Embryology

Tewary, M., Shakiba, N., & Zandstra, P. W. (2018). Stem cell bioengineering: building from stem cell biology. Nature Reviews Genetics. doi:10.1038/s41576-018-0040-z의 그림을 변형

야마나카 신야가 역분화 줄기세포를 발견하는 과정은 그의 논문과 책 <가능성의 발견>을 참고했다.