헬라 세포

기원

헬라 세포는 헨리에타 랙스가 죽기 직전인 1951년에 조지 가이가 얻어냈다. 이 세포는 시험관 내에서(in vitro) 성공적으로 증식한 최초의 사람 세포이다. 가이는 연구실에서 개발한 도구와 기법과 함께 과학의 발전을 꾀하는 누구에게나 헬라 세포를 무료로 기증하였다. 랙스나 그녀의 가족 중 누구도 세포를 추출하는 것을 허락하지 않았지만, 그 시대에는 관례상 허가를 구하거나 필요로 하지 않았다. 세포는 원형 그대로는 특허권을 얻지 않았지만, 이후에 상업적으로 이용되었다. 현재는 수술, 진단 및 치료 과정에서 얻거나 버려지는 폐기물은 의사 혹은 의학 기관의 소유이므로 환자나 그 관계자에게 반드시 고지할 필요는 없다. 랙스의 상황과 이 사안은 무어 대 캘리포니아 대학 평의원(Regents) 판례를 만들었다. 캘리포니아 대법원은 버려진 사람 조직이 그 사람의 재산이 아니며 상업화가 가능하다고 판결하였다.
처음에 세포주는 랙스의 익명성을 보장하기 위하여 "헬렌 레인(Helen Lane)"이나 "헬렌 라슨(Helen Larson)"의 이름을 딴 것으로 알리려고 하였으나, 랙스가 죽은 뒤에 몇 년 이내에 실명이 언론에 거론되었다. 헬라 세포는 암 진단 과정의 일부로 자궁경부의 병변에서 생검한 조직에서 유래되었으므로 암세포로 취급된다. 헬라 세포의 정확한 분류에 대한 논의는 계속되고 있다.
헬라 세포는 다른 세포주와 마찬가지로 불멸(immortal)의 세포이고 기본적인 세포 생존 조건이 맞는 한 배양 접시에서 무한정 분열할 수 있다. 헬라 세포주는 세포 배양 동안에 변이가 계속되어 다양한 세포 계통(strain)으로 발전하였다. 지금까지 헬라 세포에서 분열하여 얻은 세포의 수가 헨리에타 랙스의 전신에 있었던 세포의 수를 훨씬 초과하는 것으로 추정된다.

연구에서의 사용

헬라 세포는 폴리오바이러스에 쉽게 감염되고 죽는 것을 관찰하기 용이하여 1950년대에 조너스 소크가 소아마비 백신을 개발할 때 실험용으로 사용되었다. 헬라 세포를 대량으로 생산하기 위하여 1953년 봄, 터스키기 대학에 세포 배양 공장이 설립되었다. 이듬해 소크의 소아마비 백신은 사람을 대상으로 한 임상 실험을 할 수 있게 된다.
1955년 시어도어 퍽(Theodore Puck)과 필립 마커스(Philip Marcus)는 헬라 세포 복제에 성공하였다. 이후 헬라 세포는  암, 에이즈, 유전자 지도 작성, 독성 물질과 방사능의 영향에 대한 연구 뿐만 아니라 화장품, 접착제, 테이프 및 기타 공산품에 대한 사람의 민감도를 검사하는데 쓰인다. 지금까지 증식한 헬라 세포는 20톤에 달하며, 관련 특허는 거의 11,000개에 달한다. 2009년 기준으로 헬라 세포를 이용한 연구가 6만 개 이상 출판되었으며, 한 달에 300개 이상 증가하는 추세이다.
헬라 세포는 파보바이러스가 세포를 어떻게 감염시키는지 실험하는데 사용되었다. 오로퓨스 바이러스(Oropouche virus, OROV)를 연구하는데에도 이용되었다. OROV에 감염된 세포는 아폽토시스를 일으킨다. 헬라 세포는 인간 유두종바이러스 E2의 발현과 아폽토시스, 개 디스템퍼 바이러스(canine distemper virus)가 아폽토시스를 유도하는 능력에 대한 연구에 사용된다.
헬라 세포는 에스트라디올, 에스트로겐과 같은 스테로이드성 성 호르몬이나 항암 능력이 있는, 에스트로겐 수용체 작용제인 퀘르세틴(quercetin) 연구에 이용된다. 망고 껍질에서 추출한 에탄올 성분의 항암 활성과 식물화학성분(phytochemical)에 대한 연구에도 헬라 세포가 이용된 바 있다.
2011년, 헬라 세포는 새로운 헵타메틴 염료 IR-808와 기타 유사 물질을 시험하는데에 사용되었다. 헵타메틴 염료는 광역학요법, 방사선 조사, 다른 약물을 동반 투여하는 방법과 조합하여 개별 맞춤형 암 치료 방법으로 이용하거나 의학 진단을 위한 도구로 이용하기 위하여 연구되고 있다. 헬라 세포는 시험관 내 암 연구 뿐만 아니라 광역학요법의 일환으로 풀러렌을 이용한 아폽토시스 유도 연구에도 이용된다. 헬라 세포를 통하여 RNA에 있는 암 지표를 정의하고, RNAi에 기반하여 특정한 암 세포를 식별하거나 간섭하는 방법이 밝혀졌다.

텔로머레이스

헬라 세포는 암 연구를 위하여 쓰이지만, 다른 암세포에 비해서도 비정상적으로 빠르게 증식한다. 다른 암세포와 마찬가지로 헬라 세포가 분열하는 동안 텔로머레이스가 활성화되어 텔로미어가 점증적으로 짧아지는 것을 방지하고, 이를 통하여 세포는 헤이플릭 한계(Hayflick limit) 이상으로 분열한다.

염색체 수

인간 유두종바이러스 18(HPV18)에서 자궁경부 세포로 수평적 유전자 이동 결과 헬라 세포의 유전체는 염색체 수를 포함하여 상당 부분 헨리에타 랙스의 유전체와는 다르다. 헬라 세포는 빠르게 분열하는 암세포로 암 생성 과정과 세포 배양 중에 염색체의 수가 달라진다. 현재까지 추정한 바로는 매우 작은 조각을 포함하여 3배수체 이상의 염색체, 즉 76-80개의 염색체가 존재하고, 그 중 22-25개는 헬라 세포만의 특이적인 염색체로 알려져 있다. 특이적인 염색체는 원래 염색체 여러 개에서 유래하여 본래 핵형 분석법으로 번호를 매기기가 어렵다. 비정상적인 핵형이 어떻게 안정적으로 존재하는지 연구된 바 있다.
인간 유두종바이러스(HPV)는 흔히 세포 DNA에 통합되어 자궁경부암을 일으킨다. 우리는 형광 제자리 혼성화(fluorescence in situ hybridization, FISH) 기법을 이용하여 HPV18이 DNA에 통합되는 자리의 지도를 만들었다. 정상적인 8번 염색체의 장완 24(8q24)에 세 군데, 8q24의 일부를 가진 파생 염색체(derivative chromosome) der(5)t(5;22;8)(q11;q11q13;q24)와 der(22)t(8;22)(q24;q13)에 두 군데로 총 다섯 군데였다. 비교 유전체 혼성화(comparative genomic hybridization, CGH) 결과 8q24 복제 수가 증가하는 것이 보였다. 두 가지 색의 FISH에 c-Myc 탐침을 이용하여 8q24에 나타낸 결과 모든 HPV18 통합 자리에서 c-Myc가 같이 나타났다. 이는 바이러스가 삽입된 이후에 c-Myc가 확산되고 증폭되었음을 나타내며,  단일 통합 자리에 의해 초래되었을 가능성을 보여준다. 염색체 수와 구조 이상, 유전체 불균형, HPV18가 c-Myc 유전자좌에서 통합되는 것(앞에서부터 각각 스펙트럼 핵형 분석(spectral karyotyping), CGH, FISH 기법으로 밝혀짐)은 자궁경부 암종 진행 악화기의 대표적인 특성이다. 헬라 세포 유전체는 수 년간의 반복된 배양에도 매우 안정적이다. 따라서 이상에서 관찰한 유전적 변형이 처음 종양에도 있었으며 자궁경부암이 발달하는 과정에서 일어나는 변화와 관련이 있을 것으로 추정된다. -Macville et al., 1999

유전체 전체 서열

2013년 3월 11일 헬라 세포의 완전한 유전체 서열이 밝혀졌다. 랙스의 가족은 이 사실에 대해 모르고 있다가 나중에 이의를 제기하였으며, 저자 일동은 자발적으로 서열 자료에 대한 접근을 보류하였다. 워싱턴 대학교의 제이 센듀어(Jay Shendure)가 지휘한 헬라 세포 시퀀싱 프로젝트의 출판 또한 랙스의 가족의 사생활 문제가 해결될 때까지 유보하기로 결정하였다. 2013년 8월 7일, 미국 국립 보건원장 프랜시스 콜린스(Francis Collins)는 랙스 일가족의 동의 아래 헬라 세포주 유전체에 대한 제한적인 접근 방침을 발표하였다. 자료 접근 위원회는 의학 연구와 헬라 유전체 자료 사용 동의(HeLa Genome Data Use Agreement)에 따라 요청을 검토한다. 위원회는 랙스의 가족 두 명을 포함하여 의학, 과학, 생명윤리계를 대표하는 사람 여섯으로 구성된다. 콜린스는 인터뷰에서 랙스 일가족이 어려운 상황에 참여하고 기꺼이 허락해 준 것에 대한 감사를 표하면서, 일가족과 협력하게 된 것은 과학과 과학의 역사 및 윤리적 문제를 한데 모은 특별한 일이라고 말하였다.

오염

헬라 세포는 배양 접시에서 매우 잘 적응하고 성장하기 때문에 통제하기 어려운 경우도 있다. 헬라 세포는 같은 실험실에 있는 다른 세포를 오염시켜서 생물학 연구를 방해하고 연구 결과를 무효화한다. 이미 잘 정립된 세포주의 순도를 검사하려는 연구자는 거의 없기 때문에 헬라 세포가 다른 세포주를 어느 정도 오염시키는지에 대한 자료는 알려져 있지 않다. 시험관 내(in vitro) 세포주 상당수(10-20%)가 헬라 세포에 감염되어 있는 것으로 추정된다. 스탠리 가틀러(Stanley Gartler, 1967)와 월터 넬슨-리스(Walter Nelson-Rees, 1975)가 헬라 세포에 오염된 다양한 세포주에 대한 자료를 처음 발표하였다.
과학 저술가 마이클 골드(Michael Gold)는 저서 《A Conspiracy of Cells》에서 넬슨-리스가 발견한 헬라 세포로 인한 오염이 전 세계적으로 만연한 문제임을 지적하였다. 그는 조너스 소크를 포함하여 명망 있는 연구 시설에도 이와 같은 문제가 존재하며, 학자들의 감정과 자존심, 그리고 실수를 인정하지 않으려는 태도로 인하여 문제가 커졌다고 주장하였다.
과학자와 과학 저술가들은 헬라 세포 오염 문제를 해결할 방법을 모색하는 대신에 계속해서 이 문제를 사람의 실수로 생긴 오류나 결점이 아닌 헬라 세포 자체의 강인함과 압도적인 증식력 때문으로 여기며 단순한 오염 사건으로 다룬다. 교차 오염은 현대 세포 배양 방법의 주요 문제로 현재진행형이라는 연구가 있다.