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[바이오 신기술] 인류 최초의 시험관 아기 탄생과 배아줄기세포의 분리 (6)
생명과학 땡칠이닥터 (2016-09-13)

SUMMARY

1978년, Robert Edwards는 Louis Brown 이라는, 인류 최초의 체외수정 (In vitro fertilization) 시험관 아기를 탄생시켰다. 체외성숙, 체외수정, 체외배양 기법의 완성은 1981년 마우스에서 배반포 유래 배아줄기세포의 분리를 가능케 했다. 배아줄기세포는 전능성 (totipotent)을 가지고 있기 때문에 어떤 조직이라도 만들 수 있는 장점을 가질 것으로 예측되고 있었다. 한편, 1975년 Gurdon 박사는 발톱 개구리의 피부세포로 성체 개구리를 복제에 성공하였다. 이 연구성과는 줄기세포 연구에도 매우 큰 의미가 있다. 왜냐하면 양서류로 실험을 했지만 피부세포와 같이 분화된 세포의 유전자도 소실되거나 비가역적으로 불활화 되지도 않으며, 영구적으로 변하지 않는다는 사실을 확인하였기 때문이다. 이 연구성과는 수정란의 체외 배양 기법과 맞물려 1998년 인류최초 복제양 돌리가 태어나는데 큰 공헌을 하였다.

인류 최초 시험관 아기의 탄생 (1978년)

1978년 8월 12일, 역사적인 논문 한편이 “The Lancet”에 실린다 (Steptoe and Edwards 1978). 사람의 난자와 정자를 체외에서 수정시킨 다음 외과적으로 자궁에 착상시키는 방법으로 사람이 태어난 것이다 (원 논문 제목 : Birth after the reimplantation of a human embryo). 세상에는 시험관아기 (Test tube baby)라고 알려졌다. 시험관 아기… 누가 지은 이름인지는 알 수 없으나 정말 대단한 작명 능력이었다. 일반적으로 우리가 생각하는 길쭉한 시험관 안에서 수정이 이루어졌던 것이 아니라 실제로는 작은 사이즈의 납작한 배양접시에서 수정이 이루어졌다. 하지만 그렇다고 “배양접시 아기 (petridish baby)”라고 불렀다면 얼마나 웃겼을까?

실제로 정자와 난자가 만나는 것은 시험관이 아니라 사진에서 보는 것처럼 petridish에서 이루어진다
Figure 1. 실제로 정자와 난자가 만나는 것은 시험관이 아니라 사진에서 보는 것처럼 petridish에서 이루어진다. 시험관 아기… 누가 지은 이름인지는 알 수 없으나 정말 대단한 작명 능력이다. 실제로 시험관이 아닌 배양접시에서 수정이 이루어졌다고 “배양접시 아기 (petridish baby)”라고 불렀다면 얼마나 웃겼을까? 사진은 필자의 회사 연구소에서 수정란을 manipulator로 작업하는 장면을 찍은 사진으로 수정란은 사진 가운데 있는 물방울 모양 배양액 내에 들어 있다. 한 방울 정도 되는 용적의 배양액 내에서 배양되기 때문에 Drop culture라고도 한다.

Patrick Steptoe와 Robert Edwards가 1978년 성공한 시험관 아기는 난관이 막혀 9년동안 아기를 갖고 싶어도 가질 수 없었던 부부를 위한 시술법이었지만 이 시술은 단순한 불임시술의 경계를 넘어 배아줄기세포 연구를 가능케 한 중요한 사건이었다. DNA의 구조를 세계 최초로 밝힌 것 같아(? 필자가 왜 이렇게 썼는지 다 아실 것임) 노벨상을 탄 James Watson과 Franscis Crick의 논문도 겨우 세 페이지짜리 논문이었는데 두 과학자가 “The Lancet”에 실은 논문은 제목 빼고 겨우 36줄이었다. 2,000회 가 넘게 인용된 논문인데 분량은 반 페이지도 채 안 된다. 논문의 가치는 분량이 아닌 것이다. 그런데 Robert Edward 박사가 1978년 아무도 해내지 못한 과학사의 큰 사건을 36줄짜리 논문으로 완성하기 까지 무려 20년 넘게 기초 연구부터 시작해서 한 우물만 파고 연구했다는 사실을 아는 사람은 많지 않다. 수정란 아기가 태어나기 20년 전인 1958년, Robert Edward 박사는 사람 난자로 실험하기 전에 마우스 난자로 성숙, 배란, 수정, 난할 등 일련의 과정에 대한 체계적인 연구를 완료했다 (Edwards and Gates 1959). 1965년 사람의 난자가 정자와 만나 수정을 할 수 있도록 난자의 체외성숙 조건을 확립 (Edwards 1965)했고 1969년 정자가 난자를 수정시킬 수 있도록 정자에게 수정능력을 줄 수 있는 조건을 만들었다 (Edwards, Bavister et al. 1969). 1970년에는 드디어 수정된 난자가 체외에서 분할을 통해 4세포기, 8세포기가 되는 것을 확인했다 (Edwards, Steptoe et al. 1970). 그 이후로도 8년 동안이나 수정란의 이식 조건 등을 연구했으며 연구를 시작한지 20년 즈음인 1978년 8월 12일, 세계 최초로 시험관 아기를 탄생시킨 것이다.

1970년, Robert Edward는 수정된 난자가 사람의 몸 속이 아닌 체외 배양기에서 분할을 통해 4세포기, 8세포기가 되는 것을 확인했다
Figure 2. 1970년, Robert Edward는 수정된 난자가 사람의 몸 속이 아닌 체외 배양기에서 분할을 통해 4세포기, 8세포기가 되는 것을 확인했다 (Edwards, Steptoe et al. 1970). 사람 수정란을 체외에서 만들고 초기 분할체까지 만드는데 성공했지만 정상적인 아이로 출산하기 까지는 이로부터 8년이란 시간이 더 필요했다.

Mad Scientist 님이 과거 신문 기사를 하도 재미있게 소개하길래 찾아본 1978년 7월 26일자 동아일보 기사. 인류 최초로 영국에서 태어난 Louis Brown양에 대한 기사가 1면에 실렸다
Figure 3. Mad Scientist 님이 과거 신문 기사를 하도 재미있게 소개하길래 찾아본 1978년 7월 26일자 동아일보 기사. 인류 최초로 영국에서 태어난 Louis Brown양에 대한 기사가 1면에 실렸다. 기사를 읽어보면 종교계에서는 ‘창조원리를 거역한’ 무의미한 것이라는 의견을 밝혔다. 그러나 이 첫 번째 성공 이후 지금까지 전세계에서 약 4백만 명이 넘는 아이들이 체외수정 방법으로 태어난 것으로 추정 (2010년 Robert Edward 노벨상 수상 자료 참조) 되며 지금은 체외수정을 반대하는 사람은 찾아보기 어렵다. 체외수정 방법으로 태어난 인류최초 시험관 아기 Louis Brown은 정상적인(?) 방법으로 아기를 가졌다.

시험관 아기의 탄생의 바탕이 된 수정란 배양기술은 줄기세포 분야에서 세가지 측면에서 매우 큰 의미를 갖는다. 첫째, 수정란의 체외배양이 가능해 지면서 배아줄기세포를 추출할 수 있는 기반이 마련되었다. 시험관 아기가 탄생하고 3년뒤, 마우스에서 배아줄기세포가 추출되었다. 둘째, 체세포복제를 통해 복제동물의 생산이 가능해졌다. 1997년에 세상에 나온 복제양 돌리도 이 기법이 완성되지 못했다면 세상에 나오지 못했을 것이다. 셋째, 만들어진 줄기세포의 안전성 검증이다. 배아줄기세포, 만능유도줄기세포 등도 무한히 자랄 수 있는 기능 덕분에 안전성 검증에서 자유롭지 못하다. 하지만 줄기세포를 이용해서 정상적인 동물 (사람은 윤리적인 문제 때문에 불가능하다)을 출산시킬 수 있다면 이보다 더 확실한 안전성 검증 방법은 없을 것이다. 이 모든 것들은 수정란의 체외 배양 기술의 확립을 통해 가능했다. 이번 연재는 줄기세포라는 관점에서 연재가 진행되고 있기 때문에 우리의 과학사(科學史) 중에서도 줄기세포와 관련된 부분만을 집중해서 조명할 것이다.

Mouse 유래 배아줄기세포의 분리 (1981)

지난번 연재에서 소개해 드린 대로 1963년에는 골수유래 줄기세포의 개념이 확립되어 재생불량성 빈혈, 백혈병 등의 치료에 골수이식이 활발하게 적용되기 시작했고 현재는 전세계에서 연간 50,000건 정도의 골수이식이 실시되고 있는 것으로 파악된다 (자료출처 : WHO – Haematopoietic Stem Cell Transplantation HSCtx).

줄기세포의 일종인 조혈모세포를 이용한 골수이식 적용이 활발하게 실시되고 있던 1981년, 깜짝 놀랄만한 연구성과가 학계에 보고되었다. 영국 캠브릿지 대학교 유전학/해부학부의 MJ Evans와 MH Kaufman이 마우스 배아에서 줄기세포를 추출하는데 성공한 것이다 (Evans and Kaufman 1981). 이미 골수이식의 효능을 알고 있던 과학자들과 의학자들은 배아에서 줄기세포를 추출할 수 있다는 사실에 흥분했다. 골수이식에서 사용되는 다능성 조혈모세포 (Pluripotent hematopoietic cell)의 경우 혈액관련 세포로만 분화가 가능하지만 배아줄기세포의 경우 전능성 (totipotent)을 가지고 있기 때문에 어떤 조직이라도 만들 수 있는 장점을 가질 것으로 예측되고 있었기 때문이다. 1981년 영국 캠브릿지 대학교 연구팀이 분리한 줄기세포들은 체외배양에서 매우 빠른 배양 속도를 보였기 때문에 필수적으로 배아성 암종 (embryonal carcinoma)과의 비교가 필요했다. 배아성 암종이란 일종의 생식선 종양인데 줄기세포처럼 왕성한 분열능력을 보이지만 근본적으로 비정상적인, 종양의 성질을 가지고 있다. 그래서 분리된 세포가 정상적인 줄기세포인지, 아니면 배아성 암종인지를 구분하기 위해 가장 먼저 확인한 것은 염색체에 대한 이상 여부 검사(karyotyping)였다 (Figure 4. 참조). 배아 암종의 경우 정상적인 염색체에 이상이 있었지만 분리된 배아 줄기세포에는 염색체 이상이 검출되지 않고 모두 정상이었다. 두 번째는 세포 표면 항원에 대한 검사였다. 개, 말, 고양이, 거북, 양 등에서 발견되는 항원 중에 Forssman 항원이라는 것이 있는데 이 항원은 특히 양의 적혈구에서도 발견된다. 그런데 이에 대한 단클론항체(M1/22.25)가 마우스 유래 초기 배아, 줄기세포, 정자 등에서도 양성반응이 나타나는 것이 확인되었다 (Stern, Willison et al. 1978). 1981년도에는 아직 기초적인 수준이었지만 줄기세포의 세포 표면 항원이 일반 세포와는 다를 수 있다는 것을 알게 있었고 이를 바탕으로 다양한 세포표면 항원, 그리고 유전자 발현으로 줄기세포를 정의하려는 연구의 시작이 되었다. 추가적으로 지난번에 연재한 줄기세포 제3편 ‘줄기세포 논란 때마다 나오는 테라토마(teratoma)편’에 소개해 드린 것처럼 teratoma 생성 능력에 대한 검사를 실시했고 이러한 검증작업을 거쳐 마우스 배아세포 유래 줄기세포의 확립이 논문을 통해 발표되었다. 이 논문은 이제까지 7,761회 인용되었고 1998년 인간 배아줄기세포 분리에 큰 영향을 주었다.

마우스 배아에서 분리된 줄기세포에 대한 karyotyping 결과. XY 염색체를 가진 수컷 성별의 줄기세포로 총 20쌍의 염색체 모두가 정상으로 확인되었다
Figure 4. 마우스 배아에서 분리된 줄기세포에 대한 karyotyping 결과. XY 염색체를 가진 수컷 성별의 줄기세포로 총 20쌍의 염색체 모두가 정상으로 확인되었다 (Evans and Kaufman 1981).

복제양 돌리가 탄생하는데 결정적인 역할을 한 개구리 체세포 복제 실험 (1975년)

1981년에 마우스 배반포에서 배아줄기세포가 분리되고 16년 뒤인 1997년, 생물학계에는 엄청난 사건이 하나 더 있었다. 바로 복제양 돌리가 태어난 것이다. 일반 체세포 복제를 통해 포유류 동물이 태어난 건 처음 있는 일이었다. 줄기세포에 있어 체세포 복제의 성공 역시 매우 중요한 의미를 가지기 때문에 1998년 사람 배반포에서 배아줄기세포가 분리된 엄청난 사건을 다루기 전에 체세포 복제에 대한 역사를 간략히 살펴 보도록 하자. 

사실 동물 체세포 복제 시도는 1975년 이전부터 있어 왔다. 발톱개구리 (Xenopus)의 피부 세포를 개구리 수정란에 삽입하여 주입한 체세포로 발생이 되도록 하는 실험이었다 (Gurdon, Laskey et al. 1975). 1975년 발표된 논문의 제1 저자인 JB Gurdon은 서론에 이렇게 적었다.

 “핵이식 기술에 대한 연구의 원 목적중의 하나는 분화된 세포의 핵을 탈핵된 수정란에 넣었을 때 정상적으로 발생이 가능한지를 알아보는 것입니다. 즉, 이 연구를 통해서 세포가 분화되면서 핵이 비가역적인 변화를 겪는지 알아내는 것이 이 연구의 목적인 것입니다. “

1975년에 발표된 발톱개구리 (Xenopus)의 피부 세포를 개구리 수정란에 삽입하여 주입한 체세포로 발생이 되도록 하는 실험 전체 개요 (Gurdon, Laskey et al. 1975)
Figure 5. 1975년에 발표된 발톱개구리 (Xenopus)의 피부 세포를 개구리 수정란에 삽입하여 주입한 체세포로 발생이 되도록 하는 실험 전체 개요 (Gurdon, Laskey et al. 1975). 이 위대한 실험을 통해 비록 양서류이만 분화된 세포의 유전자가 없어지지도, 비가역적으로 불활화 되지도 않으며, 영구적으로 변하지 않는다는 사실을 확인하여 1997년 세계 최초의 복제양 돌리가 태어나는데 중요한 역할을 했다.

JB Gurdon은 완전 성체 개구리를 만드는데 까지는 실패했으나 올챙이까지 만들어내는데 성공했다. 물론 완전 성체 개구리까지 만드는데 성공했다면 더욱 좋았겠지만 중요한 것은 개구리를 만드는 게 아니었다. 이 연구가 정말 중요하고 가치 있었던 것은 비록 양서류이만 분화된 세포의 유전자가 없어지지도, 비가역적으로 불활화 되지도 않으며, 영구적으로 변하지 않는다는 사실을 확인 했다는 점이었다. 1975년에 수행된 연구 논문이라고 보기에는 너무나 목적이 명확하고 실험 내용 역시 정확한 논문이었으며 세상에 크게 알려진 논문은 아니지만 학계에 큰 영향을 준 논문임에는 틀림없었다. 논문을 읽는 내내 감탄했다. 이 실험과 연구 논문 덕택에 과학자들은 피부세포와 같이 고도로 분화된 세포에도 수정란과 똑 같은 염색체와 유전자가 있으므로 체세포로도 복제를 할 수 있을 거란 기대를 갖게 되었다.

1975년 Gurdon 박사가 양서류 피부 세포로 복제에 성공하여 다른 동물에서도 체세포 복제가 가능할거란 가능성을 보인지 22년이 지난 1997년, 영국 Roslin 연구소의 I. Wilmut 박사는 세계 최초의 포유류 복제 성공 논문을 발표했다 (Wilmut, Schnieke et al. 1999). 우리는 복제양 돌리의 논문을 세계 최초 복제양의 생산 논문으로 주로 기억하지만 사실은 단순한 케이스 리포트 수준을 뛰어넘는 굉장히 정교한 실험디자인 기반으로 작성된 논문이다. 인류 최초의 복제양 돌리에 대해서는 다음 연재에서 좀더 자세히 살펴보자

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)

3편 - 줄기세포 논란 때마다 나오는 테라토마 (teratoma) (3)/ “STAP세포는 있습니다….” / Obokata 연구원의 연구 성과는 왜 그렇게 주목 받았을까?/ 약 60년전, 마우스에서 발견된 테라토마 (1954) (2016년 8월 23일 연재)

4편 - 핵전쟁 발발 가능성이 골수이식을 가능케 하다 (4) / 1945년 8월, 일본의 두 도시에 핵폭탄이 터지다 / 혈액성분에 가장 먼저 영향을 미치는 방사선 (1949년) / 조혈에 중요한 부위에 대한 단서를 찾다 (1951년) / 방사선에 노출된 마우스에 세포를 이식해 보다 / 사람에게 골수를 정맥으로 주사한 첫 시도 (1957년) (2016년 8월 30일 연재)

5편 - 1963년, 드디어 줄기세포의 개념이 확립되다 (5)/ 인류 최초의 골수이식 – 절반의 성공, 절반의 실패/ 사람 골수이식에 결정적 역할을 한 살신성인 핵물리학자 Louis Alexander Slotin 박사 / Louis Slotin 박사의 엄청난 판단력 덕분에 알게된 방사선 조사 용량 / 임상실패를 딛고 다시 동물실험을 기초부터 수행하다 / 1960년, 캐나다 – 의학과 생물리학의 만남 / 드디어 확립된 줄기세포의 개념 (2016년 9월 6일 연재)

참고문헌

Edwards, R. (1965). "Maturation in vitro of mouse, sheep, cow, pig, rhesus monkey and human ovarian oocytes." Nature 208(5008): 349-351.

Edwards, R. and A. Gates (1959). "Timing of the stages of the maturation divisions, ovulation, fertilization and the first cleavage of eggs of adult mice treated with gonadotrophins." Journal of Endocrinology 18(3): 292-NP.

Edwards, R., P. Steptoe and J. Purdy (1970). "Fertilization and cleavage in vitro of preovulator human oocytes." Nature 227(5265): 1307-1309.

Edwards, R. G., B. D. Bavister and P. C. Steptoe (1969). "Early stages of fertilization in vitro of human oocytes matured in vitro." Nature 221: 632-635.

Evans, M. J. and M. H. Kaufman (1981). "Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos." Nature 292(5819): 154-156.

Gurdon, J., R. Laskey and O. Reeves (1975). "The developmental capacity of nuclei transplanted from keratinized skin cells of adult frogs." J Embryol Exp Morphol 34(1): 93-112.

Steptoe, P. C. and R. G. Edwards (1978). "Birth after the reimplantation of a human embryo." The Lancet 312(8085): 366.

Stern, P. L., K. R. Willison, E. Lennox, G. Galfrè, C. Milstein, D. Secher, A. Ziegler and T. Springer (1978). "Monoclonal antibodies as probes for differentiation and tumor-associated antigens: a Forssman specificity on teratocarcinoma stem cells." Cell 14(4): 775-783.

Wilmut, I., A. Schnieke, J. McWhir, A. Kind and K. Campbell (1999). "Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells." Clones and clones: Facts and fantasies about human cloning 21.

 

<그 동안 연재를 해주시던 연재자께서 지난번 연재인 "유전자가위"편 출간 준비로 인해 당분간 연재가 어렵게 되었습니다. 이점 양해 바랍니다.>

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땡칠이닥터(필명)이메일 보기
수의학박사, 주요 연구분야는 바이러스 유래 유전자 재조합 단백질, 이종이식 동물개발,  2016년부터 뜻한 바가 있어 어려운 바이오, 산업동물, 수의학 관련 학술 정보를 이해하기 쉬운 정보로 만들어 공유하는 일을 하고 있습니다. 
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  댓글 2 댓글작성: 회원 + SNS 연동  
회원작성글 coldtype  (2016-09-13 14:06)
1
관련 연구를 하고있는 학생 입장에서 너무 도움되는 글 항상 감사드립니다.
텍스트북이나 비교적 최근 논문으로만 공부를 하다보니 제한되는 부분이 많았는데
이렇게 읽기 쉽게 정리를 해주시니 너무 감사드리고 많이 배우고 있습니다.
회원작성글 땡칠이닥터  (2016-09-16 16:07)
3
연재자 땡칠이닥터입니다. 연구를 하다보면 과거 연구를 깊이 있게 알 필요가 있는데 수십편의 논문을 찾거나 다운로드 받아서 차분히 읽고 내용 파악하려면 너무 많은 시간이 소요되는 것 같습니다. 습니다. 그런 부분에 도움이 되고 싶어서 연재하기 시작했습니다. Coldtype님 처럼 도움이 된다고 하시는 분이 계시니 큰 보람을 느낍니다. 유전자가위 부분을 학생분들을 위해 단행본으로 만드는 작업을 끝낸 다음 다시 찾아뵙겠습니다. 감사합니다.
 
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