배경

인간 다능성 줄기세포(Human Pluripotent Stem Cells, hPSCs)는 인체의 모든 세포로 분화하는 잠재력을 지녔다. 특히 환자 맞춤형 유도다능성줄기세포(Induced Pluripotent Stem Cells, hiPSCs)는 뇌와 신장 등 장기 오가노이드(organoid)를 만드는 핵심 재료로 꼽힌다. 그러나 실제 연구 현장에서는 세포주마다 분화 효율이 크게 달라 연구 결과의 신뢰도를 떨어뜨리는 문제가 자주 발생해 왔다. 똑같은 조건에서도 일부 hPSC 세포주는 뇌 오가노이드로 잘 자라나지만, 다른 세포주는 뇌 대신 다른 조직으로 분화하거나 발달을 멈추는 탓이다. 학계는 이 원인을 밝히기 위해 DNA 서열 변화나 DNA 메틸화(DNA methylation) 같은 유전적 요인을 추적했으나 이것만으로는 분화 차이를 온전히 설명하기 어려웠다. 특정 세포주는 배양 과정에서 자연적으로 발생한 후성유전학적 변형 탓에 분화 능력을 잃어버리는 것으로 밝혀졌다. 특히 신경 세포로 향하는 경로가 차단되는 현상은 질병 모델링과 치료제 개발에 치명적인 약점으로 지목됐다. 줄기세포가 지닌 고유한 기억을 지우고 분화 능력을 되돌릴 기술이 요구되었던 이유다.

핵심 발견

영국 케임브리지대(University of Cambridge) 매들린 랭커스터(Madeline Lancaster) 박사 연구팀은 줄기세포의 분화 능력 한계가 염색질 수준에서 결정된다는 사실을 규명했다. 연구팀은 뇌 오가노이드 형성에 실패하는 세포주들이 배아 발달 과정에서 후방 조직을 형성하는 후방 배반엽 유사 상태(posterior epiblast-like state)로 굳어져 있음을 발견했다. 이들 세포는 전방 조직인 뇌로 분화하기 전에 척추나 꼬리를 만드는 유전자를 조기 발현하는 경향을 나타낸다. 연구진은 이러한 비정상적 상태가 유전자 발현을 조절하는 이가성 염색질(bivalent chromatin)의 손실에서 비롯됨을 확인했다. 연구팀은 염색질을 정상화하기 위해 화학물질을 활용한 염색질 복원(Chemical Chromatin Restoration, CHR) 프로토콜을 고안해 내기에 이른다. 3단계로 이루어진 이 기법은 염색질 억제 표지인 H3K9 메틸화 효소를 차단하고 세포 성장 인자 농도를 조정하는 방식으로 작동한다. 이 치료를 적용한 결과, hiPSC는 원래의 미분화 상태인 전방 배반엽 유사 상태(competent anterior epiblast-like state)를 성공적으로 회복했다. 이 세포주들은 대뇌 피질 오가노이드(cortical organoids)를 형성하기 시작했다. 구체적인 실험 수치도 이를 증명한다. 뇌 오가노이드 발달 지표인 SOX2 마커 발현율을 측정한 결과, 비정상 세포주였던 sojd3는 기존 4.44%에서 CHR 후 60.72%로 급격히 상승했다. burb1 세포주 역시 기존 2.75%에서 66.71%로 늘어났다. 신장 오가노이드 발달 마커인 PAX8 발현율은 sojd3 기준 기존 0.74%에서 42.68%로 상승했으며, 장 오가노이드 마커인 CDX2 역시 0.41%에서 14.21%로 대폭 증가했다.

의미와 전망

이번 발견은 줄기세포의 운명이 고정된 것이 아니라 화학적 조작으로 리셋할 수 있는 유연한 체계임을 보여준다. 특히 DNA 메틸화를 건드리지 않고 히스톤 변형만을 조절하여 세포의 분화 잠재력을 복원했다는 점은 안전성 면에서 고무적이라는 평가를 받는다. 연구진이 제시한 CHR 기법은 유전자 교정 없이 소분자 화합물 처리만으로 수행할 수 있어 산업적 활용 가치가 매우 크다. 분화 편향성으로 사용이 보류됐던 수많은 환자 유래 줄기세포주를 다시 연구 현장으로 불러들일 길이 열린 셈이다. 다만 이 기술을 표준 세포 치료제 생산 공정에 직접 도입하기까지는 해결해야 할 과제가 많다. 다양한 줄기세포주에 CHR 프로토콜을 일관되게 적용했을 때 장기적인 유전체 안정성이 유지되는지 철저히 검증해야 한다. 대량 배양 환경에서도 이가성 염색질이 다시 침식되지 않도록 배양 배지 조성을 정밀화하는 후속 연구가 뒤따라야 할 것이다. 장기 오가노이드의 성숙도를 성인 수준으로 높이기 위한 후성유전학적 미세 조정 기준을 마련하는 일도 중요한 연구 과제로 꼽힌다.