다양한 스토리를 담고 있는 연재를 만나보세요.
[바이오 신기술] 줄기세포 논란 때마다 나오는 테라토마 (teratoma) (3)
Bio통신원(땡칠이닥터)
SUMMARY
2014년 1월 일본 줄기세포 연구원 Haruko Obokata는 25분간 pH 5.7 약산성 자극만으로 STAP (stimulus-triggered acquisition of pluripotency) cell 제작에 성공했다고 발표했다. 그러나 전세계에서 진행한 재현 실험에서 재현성이 없는 것으로 확인되었고 논문은 철회되었다. 2014년 일본 STAP 세포와 2005년 한국의 서울대 줄기세포 사건 때도 어김없이 등장했던 단어가 있었는데 바로 테라토마(teratoma) 였다. 테라토마는 1954년부터 Leroy Stevens에 의해 연구되어 줄기세포에 의해 만들어지며 테라토마를 형성하는 것이 줄기세포의 고유 능력임이 확인되어 지금도 줄기세포 관련 논문에는 빠짐없이 등장하고 있다.
“STAP세포는 있습니다….”
2014년 4월 9일, 오사카의 한 호텔에서 열린 기자회견장에서 Haruko Obokata 연구원이 STAP 세포가 존재하느냐는 기자의 질문에 한 대답이다. STAP (stimulus-triggered acquisition of pluripotency) 세포란 말 그대로 자극에 의해서 일반세포가 줄기세포로 역분화하는 것을 말한다.
처음 Obokata 연구원 (2015년 10월에 박사학위를 받았던 와세다 대학에서 2011년 제출한 Obokata 연구원 박사학위 논문에서도 연구부정이 있었다며 박사학위를 취소했다- 필자 주)의 논문이 2014년 1월에 세상에 나왔을 때 깜짝 놀란 것은 필자뿐만이 아니었을 것이다. 필자는 드디어 의학/생리학 분야에서 30대 노벨상 수상자가 나오겠구나 하는 생각을 했다. 1983년생인 Obokata 연구원이 30세의 나이로 Nature에 제1저자로 본 논문을 제출했는데 물론 오랜 기간 동안 해당 논문이 검증되고 다른 논문에 인용되어야 하겠지만 논문이 가지고 있는 가치와 논문에 제시된 유도 방법에 대한 검증이 의외로 간단해서 노벨상 수여를 결정하는데 그렇게 오랜 시간이 걸리지는 않을 거라고 생각했기에 30대에 충분히 노벨상 수상을 할 수 있을 거라 생각했다. 그만큼 Obokata 연구원의 연구성과는 대단해 보였다.
Obokata 연구원의 연구 성과는 왜 그렇게 주목 받았을까?
나중에 이 연재를 통해 하나 하나 리뷰를 하겠지만 줄기세포를 유도하는 방법은 크게 두 가지가 있었다. 배아(embryo)를 만들어 줄기세포를 얻는 배아줄기세포 제조 방법이 있고 또 하나는 일반 체세포에 여러 가지 전사인자 (transcription factor)를 넣어서 줄기세포를 얻는 유도성체줄기세포 제조방법이다. 그런데 이 두 가지 방법은 모두 조금씩 문제가 있었다. 만약 필자에게 신경에 이상이 있어 줄기세포 치료를 받고자 한다고 가정해 보자. 필자 몸 중 일부 세포를 아주 조금 떼어서 세포배양을 한 다음 배양된 섬유아세포(fibroblast)를 난자에 넣어서 적절한 전기충격(?)을 주어 새로운 배아로 키워 줄기세포를 추출해내면 면역거부반응을 전혀 걱정하지 않아도 되는, 그야 말로 최고의 맞춤형 줄기세포 치료제를 만들 수 있다. 만들 수만 있다면 최고의 줄기세포 이식 재료가 아닐까 생각한다. 그럼에도 불구하고 문제도 없지 않다. 체세포 복제에 필요한 사람 난자를 어디서 구하는가 하는 문제이다. 동물의 경우 도축장에서 난소를 채취해 미성숙 난자를 주사기로 뽑은 다음 체외배양장치(incubator)에 넣어 24~44시간 성숙시켜 복제에 사용하면 된다. 개, 고양이 같은 반려동물은 좀더 복잡하고 어려워서 난포를 인위적으로 발생시키는 호르몬 처리를 통해 과배란을 유도해서 난자를 얻으면 된다. 그런데 사람은? 일단 난자가 있어야 원래 난자의 핵을 빼고 필자의 귀세포를 집어넣어서 수정란처럼 만들어 2 세포기, 4세포기, 8세포기… 등으로 키워 맞춤형 배아줄기세포를 뽑을 텐데 본인 치료 받자고 다른 사람에게 난자를 공여해 달라고 부탁하기도 어려운 게 현실이다. 맞춤형 배아줄기세포는 줄기세포로서 최고의 응용력이 있음에도 불구하고 난자 공급의 한계를 가지고 있으며 이 이외에도 중요한 문제가 하나 더 있는데 인간 복제 가능성이라는 윤리적 문제를 가지고 있다는 점이다. 인간 복제 가능성에 대해서는 별도의 연재로 다룰 예정이다.
2006년에 일본 교토대학 Shinya Yamanaka 박사팀이 개발한 유도만능줄기세포 제작법은 이러한 난자를 이용한 체세포 복제과정 없이 Oct3/4, Sox2, c-Myc, Klf4 등 4개인 전사인자(transcription factor)를 레트로바이러스를 이용해서 유전자를 도입, 일반 체세포를 줄기세포로 만들 수 있었다 (Takahashi and Yamanaka 2006). 필자는 세포를 실험실에 보내는 것 만으로도 필자 세포유래로 신경 치료에 쓸 수 있는 줄기세포를 얻을 수 있는 셈이고 필자 세포 유래로 만들어 거부반응을 걱정하지 않아도 되기 때문에 혁신적이라고 할 수 있겠다. 그런데 여기에도 문제는 있다. 정상세포에 전사인자를 처리하는 과정 중에서 레트로바이러스 벡터를 사용하고 전사인자 때문에 세포에 변성이 올 수 있기 때문에 과연 이 세포가 치료제로 쓰기에 안전한지에 대한 충분한 검증이 필요하다.
Haruko Obokata 연구원의 연구가 획기적이라고 생각되었던 이유는 바로 여기에 있다. 간단히 pH 5.4~5.8사이에 25분 처리를 하는 것 만으로 쉽게 유도만능줄기세포를 만들 수 있기 때문에 이제 유도만능줄기세포가 의학계의 판도를 바꾸는 것은 시간 문제로 보였기 때문이다 (Obokata, Wakayama et al. 2014). 그러나 결국 그녀의 연구는 2014년 1월 말에 논문으로 발표되고 나서 불과 1개월 만에 전세계 줄기세포 관련 저명 학자 10명이 논문에 나온 방법대로 재현을 시도했으나 실패해서 재현이 쉽지 않다는 의혹이 나오기 시작하더니 논문이 나온 지 6개월만에 Nature는 논문 철회를 결정하게 된다 (Obokata, Wakayama et al. 2014).
Nature에 등재될 정도로 전세계가 주목할 만한 연구결과이기 때문에 전 세계 실험실에서 실험 재현에 나설 것이 확실했고 줄기세포를 유도하는 방법조차 복잡하지 않았기 때문에 결과를 조작했다는 것은 쉽게 이해할 수 없는 부분이다. 그리고 Obokata 연구원은 2014년 4월의 기자회견장에서도 “STAP 세포는 존재한다”고 주장했다. 조작된 정황과 증거가 노출되었음에도 왜 Obokata 연구원은 STAP 세포가 존재한다고 주장했을까… 필자로서는 쉽게 이해할 수 없었다. Obokata 연구원 논문에 대한 자세한 내용은 나중에 유도만능줄기세포 부분에서 다시 한 번 자세히 다루도록 하고 오늘 연재의 주제로 돌아가서, STAP 세포 연구 논문 2차 조사 보고서 요약 (웹진 사이언스 온 기사 참조 – 2014년 12월 29일 오철우 기자)에 보면 “STAP 세포에서 발달한 것이라고 주장하는 테라토마는 실제로는 배아줄기세포 FES1에서 발달한 것일 개연성이 크다.”고 적혀진 부분이 나온다.
Figure 1. 이미지 보기(연결 이미지 중 i 이미지)
Figure 1. Haruko Obokata 연구원 논문에 실린 Teratoma 사진. 테라토마는 줄기세포를 검증함에있어 매우 중요한 역할을 하는데 STAP 세포 연구 논문 2차 조사 보고서 요약에 보면 “STAP 세포에서 발달한 것이라고 주장하는 테라토마는 실제로는 배아줄기세포 FES1에서 발달한 것일 개연성이 크다.”라고 적혀져 있다.
테라토마…. 상당히 귀에 익은, 많이 들어본 이름이다. 테라토마는 지금으로부터 10년 전, 서울대 줄기세포 진위를 밝히는 과정 중에서도 오랫동안 주목받았었다. 도대체 테라토마가 무엇이길래 이토록 줄기세포와 관련된 사건에서 빠지지 않고 등장하는 것일까? 테라토마와 관련된 history는 무려 60년 전으로 거슬러 올라간다. 1954년 미국으로 시간을 거슬러 가보자.
약 60년전, 마우스에서 발견된 테라토마 (1954)
1954년, 미국 메인주에 위치한 Jackson Laboratory의 Leroy Stevens은 strain129 순종 마우스 계통 총 3,557 마리의 수컷 마우스를 조사했는데 이중 30마리에서 자연적으로 발생한 정소 (testis) 테라토마가 발견되었다. 물론 이 논문이 발표되기 이전에도 사람과 말 등을 포함한 여러 동물종에서 이상한 종양이 발견되어 테라토마라고 부르고 있었지만 Leroy Stevens가 발표한 논문의 테라토마는 기존의 단순한 테라토마 증례 보고 수준이 아니었다. 테라토마(teratoma)는 테라토(terato-)라는 어근에 종양(암)을 의미하는 어미 (-ma)가 붙어서 만들어진 말인데 terato는 고대 그리스어로 괴물(monster)를 의미한다. 뒤에 figure에도 나오겠지만 종양안에 털, 이빨, 뼈, 심지어는 조직의 일부가 나오는 종양 덩어리를 보고 “괴물”이라고 불렀던 것은 어쩌면 당연한 일이었을지도 모른다.
Figure 2. 1950년대 미국 Jackson lab에서 담배에 대한 안전성 평가 과정 중 strain 129에서 우연히 발견된 테라토마. 이 테라토마를 계기로 Leroy Stevens는 테라토마에 대한 연구를 시작했다 (Stevens and Little 1954).
Leroy Stevens은 전체 테라토마에 대해서 어떤 조직들이 발견되는지에 대한 체계적인 분석을 했는데 분석 결과 테라토마를 구성하는 여러가지 종류의 조직이 테라토마가 발견된 30마리 모두에서 거의 큰 차이 없이 대동소이하다는 것을 알게 되었다 (Stevens and Little 1954). 발견된 조직은 신경조직(nerve tissue), 여러 종류의 상피, 연골, 골수가 발달된 뼈, 근육, 지방, 선조직 (glandular tissue) 등의 빈도로 발견되었다. 부검을 통해 발견된 테라토마를 손으로 만져보았을 때 딱딱한 뼈나 연골 조직 같은 것이 만져졌다고 한다.
이 연재에서 Leroy Stevens과 그의 논문이 중요하게 다뤄지는 것은 그가 단순히 테라토마에 대한 조사만 한 것이 아니라 발견된 테라토마 중 15개를 다시 잘게 썰어서 테라토마가 분리된 strain129 마우스의 피하에 이식하는 실험을 했기 때문이다 (Stevens and Little 1954). Strain129 마우스에 이식한 15개의 테라토마중에 유독 한 개의 테라토마는 계속 잘자라는 종양이 되었을 뿐만 아니라 형태학적으로도 이식 전 테라토마의 구조를 거의 유사하게 유지했다.
사실 Leroy Stevens가 마우스에 테라토마를 이식해 보았던 이유는 힘들게 얻은 테라토마에 대한 연구를 계속 하기 위해서 세포 유지 차원에서였다. 이와 같은 내용은 그의 ‘The Scientist’ 인터뷰에도 잘 나타나 있다. “ (생략) … 우리는 이 암세포를 살아있는채로 오랫동안 유지해서 연구를 할 수 있게 하고 싶었어요. 그러나 성공하기까지 오랜 시간이 걸렸죠….(생략)”
추가적으로 Leroy Stevens 연구팀이 테라토마 조각을 마우스의 복강 안에 주사했을 때 그의 연구팀은 놀랍게도 이식한 테라토마가 배아와 아주 비슷한 조직으로 자란다는 것을 관찰할 수 있었는데 배아와 아주 비슷한 조직은 마치 무언가 정밀한 유기체가 될 것 처럼 보였다. 그는 1954년 논문의 말미에 “이러한 조직은 pluripotent한 배아 유사 세포에서 유래한 것으로 보인다 (It is suggested that differentiated elements stem from pluripotent embryonic-type Cells)”라고 적었다.
Leroy Stevens가 줄기세포 관련, 일궈낸 성과는 대단한 것이어서 지금도 Jackson Lab 홈페이지에 가보면 Leroy Stevens의 연구를 Jacson lab의 대표 성과들중 하나로 언급하고 있는 것을 볼 수 있다. 그런데 Leroy Stevens가 처음부터 테라토마나 줄기세포에 대해서 관심을 가지고 있었던 것은 아니었다. 그 기회는 아주 우연히 찾아왔다. 2000년 3월 Scientist에 난 기사를 인용해 옮겨본다.
…Leroy Stevens가 실험실에 근무하기 시작한 것은 1953년 이었는데 완전 신참 발생생물학 전공자로 분자생물학이 본격화되기 전이어서 주로 ‘눈’으로 관찰하던 시대였다. 연구소 계약서에 서명한 것을 두고 나중에 그는 ‘미친짓’이었다고 회고했다. 그 당시 Jacson lab은 담배회사로부터 연구비를 받고 있었는데 연구소에서는 담배가 (건강에) 문제를 일으키지 않는다는 연구성과를 보여주길 바라고 있었기 때문에 Leroy Stevens도 어쩔 수 없이 담배를 잘라서 실험동물인 마우스에 노출시키는 일을 하고 있었다. 그러던 어느날, Leroy Stevens는 사타구니가 크게 부풀어 있는 마우스를 발견하고 이에 관심을 갖게 된다. Leroy Stevens가 일했던 실험실에서 오랜시간 동안 테크니션으로 일했던 Don Varnum는 이렇게 회고했다.
“우리는 그 마우스를 안락사해서 부검을 하여 정소를 관찰했습니다. 그런데 그 안에는 정말 이상한 것들이 들어 있었습니다.” 그 안에는 머리카락과 이빨 등 여러 조직이 뒤죽박죽 들어 있었던 것이다. 그것은 테라토마(teratoma)였는데 (조사를 해보니) 다른 strain 129 마우스도 테라토마를 가지고 있는 개체가 있었다. Leroy Stevens는 테라토마를 연구하기 위해 연방 지원금을 신청했고 연구비를 지원받을 수 있었다.
이 당시는 아무도 테라토마에 대해서 주목하지 않았지만 Leroy Stevens는 직감적으로 이 테라토마가 예사롭지 않은 연구주제라고 느끼고 있었던 것 같다. Leroy Stevens의 테라토마 연구는 본격적으로 이렇게 시작되었고 테라토마에 대한 연구는 곧 줄기세포에 대한 기초연구로 자연스럽게 이어졌다. 지난번 유전자가위 연재에서도 그랬지만 어떤 과학적 중요한 성과가 나오기 위해서는 그 배경이 되는 선행 연구가 반드시 있다. 그 배경이 되는 역사적 사실을 잘 알면 더 좋은 연구를 할 수 있다고 필자는 믿는다.
Leroy Stevens은 1954년 논문발표 이후로도 여러 편의 테라토마 관련 논문만 1~2년 간격으로 계속 발표를 하고 있었는데 1968년 후배 줄기세포 과학자들에게 영향을 주었을 만한 중요한 연구결과를 발표했다. 테라토마의 기원과 테라토마가 어떻게 발달하는지를 알고 싶어서 마우스의 초기 배아를 마우스의 정소에 이식을 해보았는데 놀랍게도 거기서 테라토마가 높은 비율로 발생하는 것을 발견한 것이다. 애초부터 Leroy Stevens이 이 실험을 하게 된 동기 자체가 ‘테라토마가 어떻게 만들어지는지를 알고 싶어서’ 였는데 마우스 정소에서 만들어진 테라토마는 오랜 기간동안 유지되었다. 처음에는 테라토마를 형성하는 성질이 배아가 가진 특성일 뿐이라고 단순하게 이해되었다 (Stevens 1968). 초기 배아를 정소에 주입하였을 뿐인데 테라토마가 만들어질 뿐만 아니라 만들어진 테라토마를 다시 복강에 주입했을 때 초기 마우스 배아에서 나타나는 것과 유사한 조직이 만들어지는 것을 보고 Leroy Stevens는 초기 배아에 다른 조직으로 분화가 가능한 만능배아 줄기세포 (pluripotent embryonic stem cell)가 들어 있는게 아닌가 추측하기 시작했다 (Stevens 1970). 미분화 만능줄기세포가 무한 분열하여 형성되는 테라토마는 줄기세포의 대표적 부작용이 될 수도 있지만 거꾸로 미분화 만능줄기세포가 갖는 고유의 특징일 거라고 예상한 것이다. 하지만 이때까지는 정소에서 자란 세포가 줄기세포인지 의심만 할 뿐 줄기세포라는 것을 명확히 밝힐 수는 없었다. 11년이 지난 1981년 7월, 마우스 배아에서 줄기세포가 분리되었는데 마우스에 접종을 하자 테라토마가 만들어지며 정상적인 염색체를 갖고 있는 것이 논문으로 발표 (Evans and Kaufman 1981) 되었고 같은 해 12월에도 배아유래 줄기세포가 테라토마를 형성할 뿐만 아니라 만들어진 테라토마 유래 세포를 발생중인 배아에 주입을 했을 때 완전한 정상 마우스가 만들어짐을 확인 (Martin 1981)하여 줄기세포는 테라토마를 형성하며 이는 만능줄기세포가 갖는 고유의 특징임이 증명되었다. 결정적으로 1998년 11월, 사람 배반포 유래 줄기세포가 분리되었는데 karyotyping을 해보았을 때 정상적인 염색체 및 줄기세포 특이 세포 표면 마커들 (SSEA-3, SSEA-4, TRA-1-60, TRA-1-81, alkaline phosphatase)을 가지고 있었으며 체외에서 4~5개월간 배양 후 (14~16 계대 배양 후) 에도 다섯개의 줄기세포주 모두가 테라토마를 형성하는 것이 확인되었다 (Thomson, Itskovitz-Eldor et al. 1998).
줄기세포가 수립되면 거부반응을 인위적으로 없앤 마우스에 줄기세포를 접종하여 테라토마를 확인하는 검증방법이 줄기세포 연구 분야에서 표준 프로토콜로 자리를 잡은 것이다.
Figure 4. 1998년 11월 사람 배반포 유래 줄기세포가 분리되었는데 karyotyping을 해보았을 때 정상적인 염색체 및 줄기세포 특이 세포 표면 마커들 (SSEA-3, SSEA-4, TRA-1-60, TRA-1-81, alkaline phosphatase)을 가지고 있었으며 체외에서 4~5개월간 배양 후 (14~16 계대 배양 후) 에도 다섯 개의 줄기세포주 모두가 테라토마를 형성하는 것이 확인되었다 (Thomson, Itskovitz-Eldor et al. 1998).
EPILOGUE
테라토마는 줄기세포 관련 연구에서 매우 중요한 부분 중에 하나였다. 그런데 그런 테라토마를 발견했던 과정은 매우 극적이었다. 저 유명한 Jacson lab이 담배회사로부터 연구 프로젝트를 수주하지 않았더라면, 다른 학문도 아니고 마침 발생학을 전공했던 Leroy Stevens 가 Jacson lab에 들어가지 않았더라면, Leroy Stevens가 마우스에 담배를 노출시키는 실험을 하지 않았더라면, 또 Leroy Stevens가 사타구니가 크게 종대된 마우스를 관심없이 지나쳤더라면 지금 우리는 줄기세포에 대해서 이만큼 알고 있지 못할 수도 있다. 과학은 그런 것 같다. 큰 연구비를 쏟아 붓는다고 반드시 좋은 성과가 나오는게 아니라 매사를 궁금하게 생각하고 작은 부분도 놓치지 않고 물고 늘어지는 과학자에게 좋은 성과를 낼 수 있는 기회가 주어지는 것 같다. 유전자가위의 개발 과정 곳곳에도 그런 기회가 있었고 특유의 집념과 끈기로 그 기회를 잡은 훌륭한 과학자들이 있었는데 줄기세포도 마찬가지인 것 같다. 본 연재에서는 그런 과학자 분들을 주인공 삼아 선배 연구자 분들의 발자취를 가능한 데까지 따라가 볼 것이다. 그리고 마지막으로… 오늘도 유례없는 무더위 속 열악한 연구실에서 열심히 연구에 몰두하고 있는 연구자 분들이 바로 대한민국 의약학, 바이오 분야 미래의 주인공이라는 말씀을 한번 더 드리고 싶다.
관련연재
1편 - 누가 최초로 줄기세포란 멋진 이름을 붙였나? / 줄기(stem)의 일부만 심어도 완전한 개체로 복구될 수 있는 식물의 놀라운 능력 / 줄기세포 (stem cell)라는 용어를 인류 최초로 사용한 과학자 Ernst Haekel (1868년) / 다른 세포로 분화되는 능력을 가진 세포를 줄기세포라 명명한 Valentin Häcker (1892년) (2016년 8월 9일 연재)
2편 - 매일 하루에 2333억개의 적혈구를 만들어내는 줄기세포 (2)/ 생각보다 일찍 시작된 혈구에 대한 연구 / 100년전 발견된 혈액에서의 줄기세포 (stem cell)라는 개념을 생각해낸 100년전 과학자 알렉산더 A. 막시모프 (2016년 8월 17일 연재)
참고문헌
Evans, M. J. and M. H. Kaufman (1981). "Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos." Nature 292(5819): 154-156.
Martin, G. R. (1981). "Isolation of a pluripotent cell line from early mouse embryos cultured in medium conditioned by teratocarcinoma stem cells." Proceedings of the National Academy of Sciences 78(12): 7634-7638.
Obokata, H., T. Wakayama, Y. Sasai, K. Kojima, M. P. Vacanti, H. Niwa, M. Yamato and C. A. Vacanti (2014). "Retraction: stimulus-triggered fate conversion of somatic cells into pluripotency." Nature 511(7507): 112-112.
Obokata, H., T. Wakayama, Y. Sasai, K. Kojima, M. P. Vacanti, H. Niwa, M. Yamato and C. A. Vacanti (2014). "Stimulus-triggered fate conversion of somatic cells into pluripotency." Nature 505(7485): 641-647.
Stevens, L. C. (1968). "The development of teratomas from intratesticular grafts of tubal mouse eggs." Development 20(3): 329-341.
Stevens, L. C. (1970). "The development of transplantable teratocarcinomas from intratesticular grafts of pre-and postimplantation mouse embryos." Developmental biology 21(3): 364-382.
Stevens, L. C. and C. C. Little (1954). "Spontaneous testicular teratomas in an inbred strain of mice." Proceedings of the National Academy of Sciences 40(11): 1080-1087.
Takahashi, K. and S. Yamanaka (2006). "Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors." cell 126(4): 663-676.
Thomson, J. A., J. Itskovitz-Eldor, S. S. Shapiro, M. A. Waknitz, J. J. Swiergiel, V. S. Marshall and J. M. Jones (1998). "Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts." science 282(5391): 1145-1147.
본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다.
[기사 오류 신고하기]