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처음으로 코끼리에서 유도줄기세포를 생성하는 데 성공

클론 매머드를 향한 첫걸음?
연구진이 처음으로 코끼리에서 유도줄기세포를 생성하는 데 성공했다.

생명공학의 혁신:
수년간의 시도 실패 끝에 처음으로 코끼리의 성체 세포를 줄기세포로 전환하는 것이 가능해졌다. 이러한 미분화 세포는 전체 유기체를 생산할 수 있기 때문에 생명공학 육종 전략뿐만 아니라 멸종 복원을 통한 멸종된 매머드의 "부활"을 위한 전제 조건으로 간주된다. 매머드 화석의 DNA 잔해와 코끼리 줄기세포가 결합돼 매머드 번식의 기초가 될 수 있다. 

▲ 이 아시아 코끼리 새끼는 자연적으로 태어났다. 미래에는 생명공학적 방법을 사용하여 코끼리는 물론 매머드까지 만들어질 수 있을 것이다. © Blue Barron Photo/ Getty images

“쥬라기 공원”은 비록 허구일지라도 현대 유전공학 방법의 도움으로 공룡에서 매머드, 태즈메이니아 호랑이에 이르기까지 멸종된 종들이 다시 살아날 수 있음을 보여주었다. 그러한 멸종 복원을 위해서는 DNA를 포함해 잘 보존된 신체 세포(예: 영구 동토층에 보존된 화석)가 필요하다. 이론적으로는 이 세포를 미분화 다능성 줄기세포로 다시 변환한 다음 전체 동물을 복제할 수 있다.

실제로 연구자들은 이미 살아있는 동물 종과 인간의 피부나 결합 조직 세포에서 이러한 유도 줄기세포를 생성하는 데 성공했다. 복제된 배아도 그러한 줄기세포에서 자라났다.

그러나 이러한 시도는 지금까지 한 포유동물, 즉 코끼리에 대해서는 실패했다. “과거 유도 코끼리 줄기세포를 만들려는 시도가 많이 있었지만 성공하지 못했다. 생명공학 회사인 콜로살 바이오사이언스(Colossal Biosciences)의 수석 저자인 에리오나 하이솔리(Eriona Hysolli)는 “코끼리는 매우 특별한 종이며 우리는 이제 막 그들의 기본 생물학을 해독하기 시작했다”고 설명했다.

이 미국 회사는 스스로를 “세계 최초의 멸종 복원 회사”라고 표현하며 매머드, 도도새, 태즈메이니아 호랑이와 같은 멸종된 종을 되살릴 계획을 가지고 있다. 그러나 이것이 매머드에 적용되기 위해서는 이들 코끼리 친척으로부터 유도된 줄기세포가 생산될 수 있어야 한다. 이것이 바로 Hysolli와 그녀의 팀이 여러 대학의 연구원들과 함께 또 다른 시도를 시작한 이유다. 그리고 성공했다.

첫 번째 단계: 화학적 칵테일

Hysolli와 그녀의 동료들은 “우리는 처음으로 아시아 코끼리(Elephas maximus)로부터 유도 만능 줄기세포를 생성했다”고 보고했다. 이는 연구자들이 두 가지 생명공학 방법을 결합했을 때만 가능해졌다. 첫 번째 단계에서 그들은 화학적 재프로그래밍을 사용했다. 성체 코끼리 혈관벽의 세포인 시작 세포는 다양한 성장 인자, 전달 물질 및 영양 용액의 정밀하게 맞춤화된 칵테일에 노출되었다.

▲ 실험실 배양에서 유도된 코끼리 줄기세포. 세포골격의 단백질은 빨간색으로 표시되고, DNA가 있는 세포핵은 파란색으로 표시다. © Colossal Biosciences

결과:
이 화학적 조작은 실제로 코끼리 세포의 세포 대사에 몇 가지 중요한 변화를 일으켰다. 그러나 생쥐나 돼지 등 다른 포유류와는 달리 세포를 미분화 상태로 되돌리기에는 역부족이었다. "필요한 전사체 변화의 90%가 화학 칵테일에 의해 달성됐지만 이것만으로는 충분하지 않았다"고 팀은 보고했다.

두 번째 단계: 유전자 도입

따라서 두 번째 단계가 이어졌다. 연구자들은 줄기세포에서 정상적으로 활성화되고 재프로그래밍을 촉진하는 특정 유전자를 전처리된 세포에 도입했다. “우리가 줄기세포의 전형적인 세포 형태와 성장 속도를 관찰한 것은 이러한 다능성 이식유전자를 도입한 후에야 가능했다”고 팀은 보고했다.

그러나 이러한 전환조차도 또 다른 최종 성분, 즉 코끼리 세포에서 특정 유전자의 활동을 억제하는 이식유전자 이후에만 발생했다. 이 TP53 유전자는 일반적으로 세포가 과도하게 성장하여 퇴화되지 않도록 보장한다. 대부분 포유류는 이 제어 유전자의 복사본을 한 개 또는 몇 개만 가지고 있는 반면, 코끼리와 기타 장비류(proboscidea, 長鼻類)는 게놈에 이 제어 유전자의 복사본을 최대 19개까지 가지고 있다. 이것이 바로 Hysolli가 설명하는 것처럼 세포를 재프로그래밍하는 것을 어렵게 만드는 이유다.

최초의 유도된 코끼리 줄기세포

마침내 때가 왔다. 최초의 유도된 코끼리 줄기세포가 실험실에서 만들어졌다. Colossal Biosciences의 공동저자인 Ben Lamm은 "이것은 중요한 단계다"고 말했다. 코끼리 줄기세포는 매머드의 부활을 위한 길을 열었을 뿐만 아니라 번식 연구와 생식 의학에도 도움이 된다. Lamm의 동료인 George Church는 “이는 외과적 개입 없이 이들 동물의 생식 세포와 기타 세포 유형을 보존할 수 있는 기회를 열어준다”고 말했다.

초기 번식 테스트에서 알 수 있듯이, 배양된 코끼리 줄기세포는 실제로 이 동물의 모든 조직과 세포 유형을 생산할 만큼 미분화되어 있다. “5~7일 이내에 우리 세포주는 세 가지 모두의 초기 특성을 가진 세포를 포함하는 배아를 형성한다”고 Hysolli와 그녀의 팀이 보고했다. 따라서, 이들 유도된 코끼리 줄기세포는 다능성이다.

다음 단계​​

다음으로, 연구자들은 유도된 코끼리 줄기세포의 생산을 더욱 최적화하기 위해 노력하고 있다. Colossal Biosciences의 주저자인 Evan Appleton은 “우리는 이 세포를 사용해 처음으로 실험실에서 생식 세포를 생성할 수 있기를 기대하고 있다”고 설명했다. 이러한 난자와 정자의 생산은 빙하기 매머드의 재번식을 향한 다음 단계다. 유도줄기세포로부터 생식세포를 추출하는 방법은 코뿔소에서 이미 성공했다.

그러나 살아있는 새끼 매머드가 되기까지는 아직 갈 길이 멀다. 이것이 성공하려면 가능한 한 온전하고 완전한 게놈을 가진 매머드 세포가 필요하다. 대안으로, 매머드 유전자를 코끼리 세포에 도입해야 한다. 이 매머드 세포는 줄기세포로 전환되어 배아로 성장해야 한다. 그런 다음 이를 대리모 코끼리에게 이식하고 그곳에서 성공적으로 성장해야 한다.
(BiorXiv Preprint, 2024; doi: 10.1101/2024.03.05.583606)
출처: Colossal

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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