리프로그래밍

리프로그래밍()은 포유류의 발달과정동안에 DNA 메틸레이션 (methylation)과 같은 후성유전학적 표시 (epigenetic marks)가 변화되는 과정을 의미한다.

수정 후 새롭게 형성된 배아를 구성하는 몇몇 세포들은 배융선 (germinal redge)을 따라 이동하게 되고, 마침내 정자 (sperm), 난자 (oocytes)와 같은 생식세포 (germ cell)가 된다. 유전체 각인 (genomic imprinting)에 의해 양친의 유전체는 각각 다르게 표시 (mark)되지만, 생식세포가 되는 과정 동안에는 모두 새롭게 리프로그래밍된다. 그러므로 배우자형성 (gametogenesis)과정 동안에 생식세포전구체 (primordial germ cells)는 원래 양친이 가지고 있던 DNA 메틸레이션 패턴을 지운 후, 배아의 성별에 따라 재확립되게 된다.

정자와 난자가 수정한 후 부모의 유전체는 다시 한 번 탈메틸화 (demethylation) 그리고 재메틸화 (remethylation) 과정이 일어난다(유전체 각인이 되어있는 유전자의 DMR (Differentially methylated region)은 여기서 제외된다). 이 리프로그래밍은 새롭게 형성된 배아가 전분화능 (totipotency)을 갖게 되고, 기존의 후성유전학적 특징을 지우는 과정을 말한다. 체세포 핵치환과 같이 착상 전 배아를 생체 외에서 조작하는 경우, 각인된 유전체자리의 메틸레이션 패턴에 이상이 생기는 것이 확인되었으며, 이는 복제된 동물에서 치명적인 영향을 미친다는 것이 보고된 바 있다.

리프로그래밍은 체세포의 핵치환 뿐만 아니라 줄기세포 관련 유전자를 외인성 (exogenous)으로 과발현 시킴으로써 인위적으로 유도할 수도 있다. 즉, 성인의 섬유아세포 (fibroblast)와 같은 성숙한 세포로부터 유도만능줄기세포 (Induced Pluripotent Stem cells, iPSCs)를 만들어 낼 수 있다는 것인데, 그 결과 세포 치료와 같은 의생명과학연구 (biomedical research)를 위한 줄기세포를 배아의 이용 없이 생산할 수 있게 되었다.

리프로그래밍의 역사 및 종류 
리프로그래밍을 처음으로 체외에서 성공시킨 사람은 존 거든(John Gurdon)이다. 그는 1962년에 분화된 장상피세포 (intestinal epithelial cell)를 핵이 제거된 개구리의 난자 (oocytes)에 삽입하여 성숙한 체세포를 배아상태로 되돌릴 수 있음을 증명해냈다. 이러한 공로를 인정받아 그는 2012년에 일본의 과학자인 신야 야마나카와 함께 노벨 생리의학상을 수상하였다. 야마나카는 자신이 발견한 4개의 유전자를 이용하면 거든이 발견한 핵치환에 의한 리프로그래밍과 마찬가지로 성숙한 체세포로부터 유도만능줄기세포를 만들어 낼 수 있다는 것을 2006년에 입증하였으며, 매우 짧은 시간 만에 노벨상을 받는 영예를 안게 되었다.

체세포 핵 치환 (Somatic Cell Nuclear Transfer, SCNT) 

난자는 성체의 핵과의 치환을 통해 배아상태로 리프로그래밍 될 수 있다. 리프로그래밍 된 세포는 어떤 세포타입이든 상관없이 새로운 유기체 (organism)로 발달할 수 있는 능력을 가지게 된다. 체세포 핵 치환 과정 동안 난자는 체세포 핵의 조직 특이적 유전자의 발현을 억제하고 배아 특이적 유전자들을 재발현시키기 때문에 해당세포는 배아상태로의 리프로그래밍 이 가능해 진다. 이러한 리프로그래밍은 체세포 에피타입 (somatic epitype)의 발달과는 구분된다. 체세포 에피타입은 발달과정상에서 유전체의 변화 없이 후성유전학적 조절에 의한 유전자 발현 변화를 통해 다른 유기체로 바뀔 수 있는 잠재력을 가지는 상태를 의미한다. 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 (Induced Pluripontent Stem cell Reprogramming, iPS reprogramming) 

일반적으로 유도만능줄기세포 리프로그래밍은 이미 성숙한 체세포에 리프로그래밍에 필요한 인자 (factor) 4가지(Oct4, Sox2, Klf4, C-Myc)를 인위적으로 과발현시켜 만능줄기세포를 유도해내는 기술을 의미한다. 선택된 인자들은 전사인자 (transcription factor)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.

세포융합 (Cell Fusion) 

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 (heterokaryon)는 두 개의 핵 중 우위 (dominant)의 핵이 자신의 유전자 발현 패턴을 다른 핵에 강요하여 하위 (recessive)의 핵의 유전자 발현 패턴에 변화가 생기게 된다. 이처럼 세표융합의 결과 두 개의 핵이 공존하는 이핵체의 경우, DNA 복제와 세포분열이 일어나지 않는다는 문제를 가진다.

참고 문헌 

발생학
DNA