user: 리프로그래밍이 무엇인가?

gpt: **리프로그래밍**은 포유류의 발생 과정이나 세포 배양 과정에서 DNA 메틸화 와 같은 후성유전학적 표시가 변화되는 과정을 의미한다. 이러한 조절은 종종 히스톤 의 공유 결합 수정 및 대체와도 관련이 있다.

후성유전학적 표시의 상당 부분 이 빠르게  리프로그래밍되는 현상은 포유류의 세 가지 생애 단계에서 발생한다. 정자 와 난자 가 수정된 후 초기 발생 단계에서 거의 100%에 달하는 후성유전학적 표시들은 두 번의 짧은 기간 동안 리프로그래밍된다.

포유류의 수정 후, DNA 메틸화 패턴은 대부분 지워졌다가 초기 배아 발생 과정에서 다시 확립된다. 부모로부터 전달된 대부분의 메틸화는 초기 배아 발생 과정에서 지워지고, 또 배우자 형성  과정에서 다시 지워지며 그때마다 탈메틸화 와 재메틸화 가 일어난다 은 여기서 제외된다). 초기 발생 과정에서 일어나는 탈메틸화는 착상 전 기간에 일어난다. 정자와 난자가 수정하여 접합체를 형성한 후, 부계 DNA는 신속하게 탈메틸화되고, 모계 DNA는 더 느리게 탈메틸화되어 거의 메틸화되지 않은 상태의 상실배 가 형성된다. 배반포 가 형성된 후 메틸화가 시작될 수 있으며, 배아가 착상 단계에 이르기까지 메틸화가 진행된다. 이 리프로그래밍은 새롭게 형성된 배아가 전분화능 을 갖게 되고, 기존의 후성유전학적 특징을 지우는 과정을 말한다. 착상 후 체세포의 메틸화 패턴은 각 개별 세포 유형을 정의하는 것으로, 단계 및 조직에 따라 다르며 오랜 시간 동안 안정적으로 지속된다.

또한, 생식세포전구체  내에서는 생식세포 형성 중에 탈메틸화가 발생한다. 수정 후 새롭게 형성된 배아를 구성하는 몇몇 세포들은 배융선 을 따라 이동하게 되고, 마침내 정자, 난자와 같은 생식세포 가 된다. 유전체 각인 에 의해 양친의 유전체는 각각 다르게 표시 되지만, 생식세포가 되는 과정 동안에는 모두 새롭게 리프로그래밍된다. 그러므로 배우자형성 과정 동안에 생식세포전구체는 원래 양친이 가지고 있던 DNA 메틸화 패턴을 지운 후, 배아의 성별에 따라 재확립되게 된다.

체세포 핵치환과 같이 착상 전 배아를 생체 외에서 조작하는 경우, 각인된 유전체자리의 메틸화 패턴에 이상이 생기는 것이 확인되었으며,

리프로그래밍은 체세포 핵 치환 뿐만 아니라 줄기세포 관련 유전자를 외인성 으로 과발현 시킴으로써 인위적으로 유도할 수도 있다. 즉, 성인의 섬유아세포 와 같은 성숙한 세포로부터 유도만능줄기세포 를 만들어 낼 수 있다는 것인데, 그 결과 세포 치료와 같은 의생명과학연구 를 위한 줄기세포를 배아의 이용 없이 생산할 수 있게 되었다.

user: 리프로그래밍의 역사 및 종류는?

gpt: 리프로그래밍을 처음으로 체외에서 성공시킨 사람은 **존 거든**이다. 그는 1962년에 분화된 장상피세포 를 핵이 제거된 개구리의 난자 에 삽입하여 성숙한 체세포를 배아상태로 되돌릴 수 있음을 증명해냈다. 야마나카는 자신이 발견한 4개의 유전자를 이용하면 거든이 발견한 핵치환에 의한 리프로그래밍과 마찬가지로 성숙한 체세포로부터 유도만능줄기세포를 만들어 낼 수 있다는 것을 2006년에 입증하였으며,

## 체세포 핵 치환
난자는 성체의 핵과의 치환을 통해 배아상태로 리프로그래밍 될 수 있다. 리프로그래밍 된 세포는 어떤 세포타입이든 상관없이 새로운 유기체 로 발달할 수 있는 능력을 가지게 된다. 하지만 체세포 핵 치환의 경우 세포의 유전체가 바뀌어 다른 세포타입으로 전환되는 것이기 때문에 체세포 에피타입과는 구분된다. 체세포 핵 치환은 매우 정교한 기술으로 오랜 훈련이 필요한 작업이며, 이를 사람에 적용함에 있어서 사람의 난자를 채취해야 하기 때문에 그 수가 제한적이라는 단점을 가진다.

## 유도만능줄기세포 리프로그래밍
일반적으로 유도만능줄기세포 리프로그래밍은 이미 성숙한 체세포에 리프로그래밍에 필요한 인자  4가지를 인위적으로 과발현시켜 만능줄기세포를 유도해내는 기술을 의미한다. 선택된 인자들은 전사인자 로 이들의 과발현에 의해 하위 유전자들의 발현이 조절되어 리프로그래밍이 이루어지게 된다. 4가지 유전자를 과발현시키는 방법으로는 바이러스, 플라스미드 벡터, mRNA, 단백질 등이 있다. 이 경우, 모든 종류의 체세포를 이용해 만능줄기세포를 유도할 수 있으며, 과발현 시키는 방법 역시 일반적으로 많은 연구에 쓰이는 기술이기 때문에 체세포 핵치환에 비해 많은 사람들이 쉽게 이용할 수 있는 기술이다.

### 확률론적 관점에서 OSKM 방법 이해
몇 주간의 리프로그래밍 유도 기간와 상대적으로 낮은 효율성이 Oct4, Sox2, Klf4 및 c-Myc 유전자 발현을 충분히 제어한 후에도 지속되었기 때문에, 이러한 연구들은 기본적인 후성유전학적 재프로그래밍 메커니즘에 관련된 중요한 질문들을 해결하지 못했었다. 그 질문들에는 리프로그래밍 과정은 시간이 지남에 따라 어떻게 진행되며, 리프로그래밍 인자의 지속적인 발현에도 불구하고 다수의 세포가 리프로그래밍되지 않는 이유는 무엇인지, Oct4, Sox2, Klf4 및 c-Myc에 의해 유도된 노화 또는 세포 자멸사를 회피한 일부 체세포가 다른 세포보다 더 일찍 iPS 세포로 전환되는 이유, Oct4, Sox2, Klf4 및 c-Myc 리프로그래밍 인자를 발현하는 모든 성체 기증 세포가 결국 iPS 세포를 생성하는가에 대한 아니면 추가적인 유전적 또는 소분자 화합물의 조작이 필요성과 높은 리프로그래밍 효율성은 비계통 세포 또는 성체 줄기 세포에만 국한되어 있는 가에 대한 것이 포함되어 있다.

Hanna 등의 연구자들은 이 현상을 연구하기 위해, 특정 전사 인자의 통합 패턴이 같은 체세포를 사용하는 시스템을 사용하여 그림에서 처럼 가설을 세우고 실험을 진행하였다. 리프로그래밍은 2주 동안 배양 후 세포 내에서 녹색 형광 단백질로 표지된 NANOG의 발현을 통해 평가되었으며, 이 과정에서 3~5%의 세포에서 관찰되었고 18주 후에는 >92%로 증가하였다. 이는 모든 세포가 유도만능줄기 세포가 될 수 있는 확률적 과정임을 나타냈고. 또한 p53나 그 효과자 p21의 억제는 세포 분열 속도를 증가시켜 리프로그래밍을 가속화할 수 있음을 밝혔다.

## 세포융합 
세포융합은 두 개 이상의 세포질이 융합하여 단일의 세포막으로 싸여진 상태로 되는 것을 말한다. 세포분열 저해제를 이용하여 두 개의 체세포를 하나의 세포로 융합할 수 있으며, 이 때 두 개의 핵은 여전히 분리되어 존재한다. 이렇게 만들어진 이핵체 는 두 개의 핵 중 우위 의 핵이 자신의 유전자 발현 패턴을 다른 핵에 강요하여 하위 의 핵의 유전자 발현 패턴에 변화가 생기게 된다. 이처럼 세표융합의 결과 두 개의 핵이 공존하는 이핵체의 경우, DNA 복제와 세포분열이 일어나지 않는다는 문제를 가진다.

## 직접교차분화
성숙한 체세포를 다른 유형의 성숙한 체세포로 직접 변환하는 과정으로, 중간 단계인 유도만능줄기세포 상태로 되돌리지 않고 수행된다. 이 방법은 특정 세포 유형을 보다 효율적이고 안전하게 생성할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 직접 전환의 핵심은 특정 전사 인자를 도입하여 세포의 정체성을 리프로그래밍하는 것이다. 과정이 비교적 빠르고 효율적이며, 중간 단계 없이 목표 세포로 직접 변환할 수 있어 잠재적으로 안전성이 높다. 하지만 세포 유형에 따라 전환 효율이 다를 수 있다.

## 화학적 리프로그래밍
유도만능줄기세포 제작 방법에 앞서 언급했던 4가지을 인위적으로 유전자를 과발현 시켜 제작한 방법과는 달리 구조가 알려진 화합물을 활용한 세포의 리프로그래밍이 개발되었다. 본 연구에서 사용한 성인 지방 유래 간질 세포을 이용해서 먼저, 체세포에서 발견되는 특이적인 유전자 발현을 감소 혹은 억제시키는 화합물질을 처리해서 이들의 특성을 8일 동안 억제시킨다. 이후 후성유전학적인 세포의 특성을 지우기 위해 히스톤 메틸트랜스퍼라제 억제제 등 탈메틸화 유도 화합물 혼합물을 8~12일간 처리한다. 세번째 단계 전분화능줄기세포의 생존에 도움을 주는 녹아웃 혈청 대체제와 ERK와 GSK3를 억제하는 화합물을 처리함으로써 세포 리프로그래밍이 될 수 있다. 이 방법을 사용한 리프로그래밍은 저렴하고 농도 및 시간 의존 방식으로 세포를 제어하기에 쉬우며 대량 생산이 용이하다는 장점이 있다.