보건복지부(장관 정진엽)와 미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 가장 젊고 분화능력이 뛰어난 최상위 혈액-줄기세포의 선별 방법을 개발하여 “혈액-줄기세포를 마음대로 깨우고 재울 수 있는 획기적인 원천기술을 확보”하였다고 밝혔다.

서울대학교 의과대학 김효수 교수팀(서울대학교병원 허진 교수)이 주도하고 생명과학부 백성희 교수가 공동연구자로서 참여한 이번 연구는 보건복지부의 선도형 세포치료 연구사업단 및 연구중심병원 육성 R&D사업의 지원과 미래창조과학부의 줄기세포 선도연구팀 육성사업, 리더연구자 지원사업의 지원으로 이뤄졌고, 연구결과는 세계 최고 권위의 줄기세포 전문학술지인 ‘셀 스템 셀(Cell Stem Cell)’ 온라인판(3월 18일자)에 게재되었다.  

* (논문명) CD82/KAI1 maintains the dormancy of long-term hematopoietic stem cells through interaction with DARC-expressing macrophages

* (저자정보) 허진, 최재일, 이환(공동 제1저자), 백성희, 김효수(교신저자)

김효수 교수팀은 골수에 존재하는 혈액세포들의 조상인 혈액-줄기세포들 중에서, 가장 젊고 분화재생 능력이 뛰어난 최상위 혈액-줄기세포에만 카이-원(KAI1; CD82)분자가 특이적으로 발현된다는 것을 세계최초로 밝혀냈다. 

나아가, 이 카이-원 분자는 면역을 담당하는 대식세포(macrophage)의 다크 단백질(DARC; CD234)과 상호작용하여 최상위 혈액-줄기세포를 활동 없이 잠들어 있는 상태로 유지시킬 수 있음을 밝혔다. 

     

기존 연구에서는 골수 내에서 잠자고 있는 혈액-줄기세포들을 깨운 후에 그 수를 증폭시킬 수는 있었으나, 이런 방식으로 증폭된 혈액-줄기세포들은 장기적으로 혈액을 만들 수 있는 기능이 없어진다는 한계^*가 있었다.

     

본 연구 성과는 이러한 난제에 대한 해결책을 제시하고 있다. 즉, 최상위 혈액-줄기세포들의 증폭 과정 중 적절한 시점에 다크 단백질을 발현하는 대식세포 또는 재조합 다크 단백질을 처리하여 혈액-줄기세포들을 다시 기능과 젊음을 유지한 채로 잠재워서 저장할 수 있는 핵심 기술을 개발한 것이다.

젊음을 유지한 채로 최상위 혈액-줄기세포를 대량으로 증폭, 보관하는 방법이 상용화되면, 줄기세포가 필요한 환자들에게 신속하게 최상위줄기세포를 공여하는 혈액-줄기세포은행을 만들 수 있는 길이 열리게 된다. 

응용분야로서는, 면역-세포 및 인공혈액을 제작하는 곳에 이 기술을 이용할 수 있으며, 백혈병과 골수부전으로 인한 악성빈혈의 치료제를 개발하고, 골수이식 기술을 최적화하여 환자에 적용하는 시기를 획기적으로 앞당길 수 있다.

김효수 교수는 “본 연구성과는 백혈병, 악성빈혈과 같은 골수기능부전증의 치료제를 개발하고, 골수이식의 성공률을 높이는데 활용될 수 있다”고 하면서, 정부의 꾸준한 지원, 특히 ‘연구교수의 정원을 보장해주고 이를 영입할 수 있게 해준 「보건복지부의 선도형 세포치료 사업」’이 이러한 성과의 밑거름이 되었음을 강조하였다. 

보건복지부와 미래창조과학부는 이번 성과는 임상현장에 있는 병원 핵심연구진들이 연구 활동에 역량을 집중할 수 있도록 꾸준히 R&D를 지원한 결과로, 이런 원천기술들이 향후 치료제 개발이나 신의료기술로 적용될 수 있도록 꾸준히 R&D를 지원할 계획이라고 밝혔다.

  [  본 연구 결과를 한눈에 설명하는 그림  ]

[윗 패널: 평상시의 골수상태] 최상위 혈액줄기세포(아기 고양이)인 LT-HSC는 특이하게 카이-원(CD82)단백질을 발현하고 있는데, 이것의 파트너인 다크(DARC) 단백질은 대식세포(어미 고양이)의 표면에 발현한다. 즉 평상시에는 카이-원(CD82)-다크(DARC)의 결합으로 인해서 대식세포가 최상위 혈액줄기세포를 보호하여 동면상태에 있도록 배려한다.

[아랫 패널 : 골수가 파괴된 후 복구상태] 골수에 독성약물이나 방사선조사에 의해서 골수의 세포들이 전멸하게 되면, 구원세포로서 그동안 동면상태에 있던 최상위 혈액줄기세포의 표면에 카이-원(CD82)이 사라지면서 LT-HSC가 잠에서 깨어나 증식/분화를 시작한다. 그 결과 하위 혈액줄기-전구세포인(HSPCs; hematopoietic stem-progenitor cells) ST-HSC, MPP가 태어나고, 그 이하 모든 혈액세포들, 백혈구/적혈구/혈소판 등이 재생하게 된다.

즉, 카이-원(CD82)이 있으면 최상위 혈액줄기세포가 동면상태로 영원히 생명을 유지하게 되며, 골수가 파괴되어 혈액세포가 필요하게 되면, 카이-원(CD82)이 사라지면서 최상위 줄기세포가 증식/분화를 하게 되어 필요한 혈액세포들을 만들어 낸다는 것이다.

- Bone-marrow(골수): 뼈 사이의 공간을 채우고 있는 부드러운 조직으로 적혈구, 백혈구, 혈소판 또는 혈액-줄기세포 등으로 이루어져 있음

- Stem cell(줄기세포): 분열증식한 딸세포가 분화하여 성숙한 세포가 될 수 있는 다잠성인 어미세포. 후생동물의 조직 분화 과정에서 볼 수 있는 세포로, 모든 신체기관으로 전환할 수 있는 세포

- Stem cell niche(줄기세포 보금자리): 줄기세포의 자가증식 (self-renewal)과 생장정지(quiescence)를 생체 내 필요에 맞춰 엄밀히 조절하는 장소 

- Progenitor cell(전구세포): 줄기 세포보다 분화 앞선 단계의 세포이나 아직 완전히 분화가 안 된 세포를 지칭 

- KAI1(CD82, 카이-원): 세포막을 4번 통과하는 테트라스파닌(tetraspanin) 막 단백질 중 하나로 기존에는 암전이 억제 인자로 알려져 있었음. 본 연구에서 세계최초로 최상위 혈액-줄기세포의 마커임을 밝힘

- DARC(Duffy Antigen Receptor for Chemokines, CD234, 다크): 기존에는 적혈구의 표면에 위치한 막 단백질 중 하나로 알려져 있으며, 보통 케모카인(Chemokine)의 운송 역할을 하는 것으로 알려져 있음. 본 연구진이 대식세포에서도 발현하는 것을 세계최초로 규명하였으며, 혈액-줄기세포의 카이-원(CD82)과 상호작용하여 줄기세포의 휴면을 유지시키는 기능을 밝힘

- Hematopoietic stem cell(HSC, 혈액줄기세포): 자가 복제능을 가지며, 조혈 과정을 통해 모든 혈액세포로 분화하는 능력을 갖는 줄기세포임

- Long-term hematopoietic stem cell(LT-HSC): 최상위 혈액-줄기세포로, 자가 복제능을 가지고 체내에 존재하는 모든 혈액세포로 분화 가능함. 영구적으로 조혈계를 보충하도록 조혈 작용을 지속함

- Short-term hematopoietic stem cell(ST-HSC): 자가 복제능을 가지고 체내에 존재하는 모든 혈액세포로 분화하는 능력을 가지지만, LT-HSC와 달리 조혈 작용 지속 기간이 짧음

- Multipotent progenitor cell (MPP): 체내에 존재하는 모든 혈액세포로 분화하는 능력을 가지나, LT-HSC, ST-HSC와 달리 자가 복제능을 가지지 않음

- Leukocyte(WBC, 백혈구): 혈액세포의 한 종류로 외부 물질, 감염성 질환에 대항하여 신체를 보호하는 면역기능을 수행하는 세포를 말함

- Erythrocyte(RBC, 적혈구): 붉은색의 납작한 원반 모양의 혈액세포로, 핵이 없다는 점에서 체내의 다른 세포들과 차이를 보임. 혈관을 통해 전신조직에 산소를 공급하고, 이산화탄소를 제거함

- Platelet(Thrombocyte, 혈소판): 말초 혈액 내에 존재하며, 부착과 응집과정을 통해 지혈 기전에 관여하는 인자임

- Macrophage (대식세포): 백혈구의 한 종류이며 외부로부터 침입한 병원균 및 세포 파괴물 등을 포식하여 소화하는 식세포작용을 함

- Transforming growth factor beta1 (TGF-β1): 사이토카인의 한 종류로 세포의 성장, 증식, 분화 및 세포 자살을 조절하는 분비 단백질

- Smad3: 보통 TGF-beta에 의해 활성화되는 단백질로 기존에는 종양 성장에 관여한다고 알려져 있었음

- 골수기능부전증 (Myelodysplastic syndrome; 골수이형성증후군): 골수에 있는 혈액줄기세포에 이상이 생겨 적혈구, 백혈구, 혈소판 등의 혈액세포가 줄어들고 기능에 문제가 생기는 질환으로 빈혈, 감염, 출혈 등의 증상이 나타남

1. 기존에 알려진 혈액-줄기세포의 세포표면 단백질들은 그 기능을 이해하지 못하고 있었음. 본 연구는 혈액줄기세포 중에서도 가장 최상위 혈액줄기세포의 선별마커를 찾았을 뿐만 아니라, 이것의 기능을 밝혔고, 더 나아가 최상위 혈액-줄기세포를 잠재우고 깨우는 원천기술까지 개발한 성과임.

2. 기존 학계에서는, 잠에서 깨어난 혈액-줄기세포들은 환자에게 적용하여도 조혈 효과가 미미함을 알고 있었으며, 이를 극복하기 위해서는 증폭하여 많은 수를 확보한 후에 다시 잠재워서 저장하는 방법개발이 절실한 상황이었음. 본 연구 성과는 기존의 이러한 난제에 대한 해결책으로 대식세포의 다크(DARC) 또는 재조합 다크(DARC) 단백질을 처리하면, 대량증폭 된 혈액-줄기세포들을 다시 기능과 젊음을 유지한 채로 잠재워서 저장할 수 있는 핵심 원천기술들을 연구개발한 것임. 

기초연구로는 혈액줄기세포들의 자가증식과 분화에 관한 연구 발전에 기여할 것이며, 임상적, 산업적으로는 백혈병과 악성빈혈과 같은 골수기능부전증의 치료제개발, 골수이식 성공률 향상, 면역-세포 및 인공혈액 제작에 활용될 수 있음.

향후 5년 이내에 원천기술의 임상시험, 상용화가 목표임.

1. 인체에 가장 안정적, 효과적인 형태의 카이-원과 다크 단백질/펩타이드를 발굴해 내야 함. 

2. 임상적용이 가능할 정도로 신속/안전하게 원하는 혈액-줄기세포를 선별하는 시스템을 확립하여야 함. 이를 바탕으로 최상위줄기세포의 증폭키트, 저장키트를 제작해야 함. 

3. 마지막으로 생체 내, 외에서 효능시험, 안정성시험과 장기간 임상시험을 위한 안정된 연구비 확보가 매우 중요함.

지난 10년동안 혈관재생과 골수 기능 유지에 필수적인 줄기세포를 연구해 왔음. 그 일단계 과실로서, 5년 전 인간의 말초혈액 3차원 배양 원천기술을 개발하여, 인간 혈액줄기세포의 체외 증식을 유도하는 핵심 기술을 개발하였음 (Cell Research, 2011). 그 다음의 목표로서 혈액-줄기세포들을 상황에 따라 증식시키거나 휴면/동면을 유도할 수 있는 줄기세포-세포주기 조절 원천기술을 개발하고자 하였음. 더 나아가 줄기세포와 줄기세포-보금자리의 창의적 기초연구를 통한 혈액질환관련 치료제를 개발함으로써 고통 받는 환자분들께 희망을 드리고자 함.

1. 최상위 혈액줄기 세포는 뼈 안에 0.01%이하의 매우 적은 수로 유지되고 있음. 따라서 유전자/단백질 분석과 세포배양 등 거의 모든 연구들에 시간적, 기술적 어려움이 있었음. 특히 참여한 대학원생들이 실험을 하면서 단 하나의 세포도 손실되지 않기 위해 매우 긴장하면서 최선을 다해 연구에 임하였음.

2. 쥐의 뼈에 소수 존재하는 최상위 조혈줄기세포를 “있는 그대로” 보여주기 위해서, 뼈-전체의 면역형광염색기법을 최적화 하는데 오랜 시간이 걸렸음. 최상위 조혈줄기세포의 존재 위치를 다각도에서 증명하기 위해서 수많은 시행착오를 겪은 바 있음.

3. 논문의 리비젼을 수행하는 중에, 연구팀이 새 연구소로 이사를 가게 되서 많은 짐과 자료들, 배양하던 세포들을 안전하게 챙기고, 다시 실험실 세팅을 하는데 많은 난관들이 있었음.

4. 매우 오랜 시간이 걸리는 줄기세포 연구의 특성상 연구자들이 주말, 새벽까지 실험하는 경우가 대부분 이었고, 논문심사중 저널측에서 요청한 수차례에 걸친 논문보완실험들은 매우 힘든 작업이었음. 한여름 밤에 자동으로 꺼지는 에어컨 때문에 연구진들이 힘들어 했었고, 이를 연구소 관리팀에 요청해서, 우리연구팀이 나갈 때 까지는 항상 에어컨이 시원하게 가동 되게 조치를 취하였음. 덕분에 지치지 않고 연구를 잘 마무리 할 수 있었으며, 협조를 해준 서울대학교병원 의생명연구원/의학연구혁신센터에 감사하게 생각함.

1. 우리나라가 세계적인 줄기세포분야 선도연구 국가가 되는데 이바지 하려하고, 우리 연구팀 또한 세계 최고의 줄기세포 연구팀이 되는 것이 목표임.

2. 백혈병과 골수부전으로 인한 악성빈혈의 치료제를 개발하고자 함. 최적화된 골수이식 기술을 환자에게 적용하는 시기를 앞당기고자 노력하겠음.

3. 제 이탄인 후속연구가 마무리되어 가고 있는데, 혈관 재생의 새로운 기전을 밝히고 있음. 이를 토대로 심혈관질환의 치료제도 동시에 개발하고자 함.

1. 선후배, 교수님들과 활발하고 솔직한 의사소통이 중요 함.

2. 세포, 분자등을 직접 손으로 그림을 그려가며 우리 몸속, 세포내의 real world를 적극적으로 알아내려고 해야 함.

3. 기존 연구의 정석, 정설 등을 외우고, 의심하고, 잊은 후에 창의적으로 다르게 생각하고 무엇보다 실천하는 것이 중요.

4. 겸손하고 성실하게 하루하루 발전함과 동시에 자신을 믿고 포기하지 않는 게 중요 함.

 

혈액계가 안정화 되어 있을 경우, 골수에서 다크(DARC)양성 대식세포가 카이-원(KAI1; CD82)양성 최상위 혈액-줄기세포를 휴면 상태로 잠재우고 있음. 골수에 독성약물이나 방사선조사에 의해서 골수의 세포들이 전멸하게 되면, 최상위 혈액줄기세포의 카이-원 분자가 사라지면서 깨어나게 되고, 이를 통해 증식, 분화하여 다양한 혈액 줄기세포들과 함께 각종 혈구세포들을 만들어 냄.   

골수에서 LT-HSC, ST-HSC, MPP를 분리한 후, 중합효소연쇄반응(PCR)과 면역형광(IF)기법을 통해 다양한 테트라스파닌의 발현양을 비교해본 결과, LT-HSC에서 카이-원(CD82)의 발현이 매우 높음을 확인함.

골수내에서 면역형광(IF)기법을 통해 카이-원(CD82, 파란색) 발현 혈액-줄기세포와 다크(DARC, 하얀색)발현 대식세포가 상호작용하고 있음을 확인함. 이 두 세포 들은 주로 뼈 혹은 세동맥 근처에서 서로 인접해 있음.      

최상위 혈액줄기세포(LT-HSC)의 단독 배양 또는 다크 유전자 발현 조작 대식세포와 공배양 한 후 면역형광기법을 통해 카이원의 내포작용(endocytosis)을 비교해본 결과, 혈액줄기세포 증식조건 하에서 다크의 자극이 없을 경우 카이-원의 내포작용이 일어남을 확인함. 그러나 재조합 다크 단백질을 사용하면 이러한 혈액-줄기세포 표면 카이-원의 내포작용을 막을 수 있음.

골수에서 최상위 혈액줄기세포의 카이-원(CD82) 분자와 대식세포의 다크(DARC)가 결합하면, 최상위 혈액줄기세포는 활동 없이 잠들어 있는 세포주기 상태(휴면)로 유지됨.

 

 ○ 소  속 : 서울대학교병원

 ○ 전  화 : 02-2072-2226

 ○ e-mail : hyosoo@snu.ac.kr

 ○ 1994. 02. : 서울대학교 대학원 내과학 박사졸업

 ○ 1987. 02. : 서울대학교 대학원 내과학 석사졸업 

 ○ 1984. 02. : 서울대학교 의예과 학사졸업

 

 ○ 2006.04 - 현재 서울대학교 의과대학 내과학 교실 / 교수 

 ○ 2000.03 - 2006.03 서울대학교 의과대학 내과학 교실 / 부교수 

 ○ 2000.01 - 2002.01 St. Elizabeth Medical Center, Tufts University School of Medicine, Boston, USA / Cardiovascular Research Insititute / Visiting Scholar 

 ○ 1996.03 - 2000.02 서울대학교 의과대학 내과학교실 / 조교수 

 ○ 1994.03 - 1996.02 서울대학교 의과대학 내과학 교실 / 전임강사 

 ○ 1992.08 - 1994.02 일본 동경대학 의학부 제3내과(혈관생물학) / 객원연구원 

 ○ 1991.05 - 1992.08 서울대학교병원 심혈관 내과 / 전임의 

 ○ 1988.01 - 1991.04 101여단 군의관, 국군 서울지구병원 / 내과장

 ○ 2014. 11.  제 24회 분쉬의학상 본상 수상

 ○ 2012. 05.  서울대학교 학술대상 지석영상 5년 연속 수상 (2008년부터 연속)

 ○ 2008. 03.  제 1회 아산의학상 수상 (혈관성형술 후 재 협착의 신 치료법 개발)

 ○ 2008. 03.  서울대학교 우수연구상 (서울대학교 총장 수여)

 ○ 2006. 12.  보건복지부 우수연구자 상 (보건복지부 장관 수여)

 ○ 2006. 11.  국가연구개발 우수성과 과학자 (과학기술부 장관 수여)

 ○ 소  속 : 서울대학교병원

 ○ 전  화 : 02-2072-1869

 ○ e-mail : geny44@snu.ac.kr 

 ○ 2003 – 2007 : 서울대학교 의학박사 [줄기세포생물학]

 ○ 2000 – 2002 : 한남대학교 이학석사 [바이러스학]

 ○ 1993 – 2000 : 한남대학교 이학사   

 

 ○ 2016.03 – 현재     서울대학교병원 임상부교수 

                            서울대학교 의과대학 대학원 줄기세포생물학 겸임교수

 ○ 2012.03 – 2016.02  서울대학교병원 임상조교수

 ○ 2011.05 – 2012.02  서울대학교병원 연구교수

 ○ 2009.09 – 2011.04  서울대학교 의과대학 조교수 [BK21 project]

 ○ 2007.09 – 2009.08  서울대학교 의과대학 Post-doc [BK21 project]

 

 

○ 소 속  : 서울대학교

○ 전 화  : 02-880-9078

○ e-mail : sbaek@snu.ac.kr

○ 1996 – 1999 : 서울대학교 이학박사 (분자생물학) 

○ 1994 – 1996 : 서울대학교 이학석사

○ 1990 – 1994 : 서울대학교 이학사 

○ 2013 - 현재   서울대학교 생명과학부, 교수

○ 2012 - 현재   서울대학교 중견석좌교수 (창의선도연구자)

○ 2009 - 현재   한국과학기술 한림원 이학부 준회원

○ 2009 - 현재   교과부․연구재단 지정 창의연구단장 

                (크로마틴 다이나믹스 연구단)

○ 2008 - 2013   서울대학교 생명과학부 부교수, 정년보장

○ 2003 - 2008   서울대학교 생명과학부 조교수 

○ 2002 - 2003   美 University of San Diego, 연구교수

○ 2000 - 2002   美 University of San Diego, Post-doc.

4. 수상 실적

○ 제11회 경암교육문화재단의 경암학술상 생명과학상 (2015)

○ 2014년 삼성생명공익재단(여성가족부)의 삼성행복대상 여성창조상 (2014)

○ 2012년 교육과학기술부 올해의 여성과학기술자상 (2012) 외 다수