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Research

위 점막 재생하는 줄기세포의 존재와 특성을 규명하다

  • 조회. 220
  • 등록일. 2019.08.19
  • 작성자. 홍보팀

위 점막 재생하는 줄기세포의 존재와 특성을 규명하다
- 세포를 서로 다른 색으로 식별하는 기술을 활용해 역할과 특성이 다른 두 종류의 '위 줄기세포' 존재 규명에 성공
- 위장질환, 위암 등의 발병원인 규명·치료 활용 기대

DGIST 뉴바이올로지전공 김종경 교수(우측), 뉴바이올로지전공 이은민 연구원(좌측)

△DGIST 뉴바이올로지전공 김종경 교수(우측), 뉴바이올로지전공 이은민 연구원(좌측)

 

 DGIST(총장 국양)는 뉴바이올로지전공 김종경 교수팀이 한국, 오스트리아, 영국이 함께하는 공동연구에 참여, 위 줄기세포의 특성을 규명했다고 밝혔다. 향후 위장질환, 위암 등의 발병원인 규명과 치료법 개발에 활용될 것으로 기대가 높다.

 위 내부 위점막층의 상피는 음식이 지나가며 손상되지만, 상피 내 위샘에 위치한 위 줄기세포가 세포 재생을 통해 손상부위를 복구한다. 과학자들이 위 줄기세포 관련 연구를 진행한 결과, 상피 내 ‘위샘’ 상부에만 줄기세포가 있는 것으로 파악됐다. 그런데 최근 위샘의 하부인 ‘기저부’에서 줄기세포가 추가로 발견되는 등 정확한 위치 식별이 매우 어려웠다.

 위치 식별이 이토록 힘든 이유는 위샘에서 줄기세포를 구분할 수 있게끔 하는 마커 유전자의 정확도가 떨어지기 때문이다. 연구진은 다른 방식으로 위치를 찾고, 위치별 줄기세포의 특성도 찾아냈다. 마커 유전자 대신 분열하는 세포의 특성으로 위치 식별이 가능한 ‘다색 마우스 색종이 리포터 시스템(Multi-Color Mouse Confetti Reporter System)’을 이용해 생쥐의 위상피세포 계통 추적에 성공한 것이다.

 식별 원리는 줄기세포를 색으로 구분하는 것이다. 생쥐에 타목시펜을 투약하고 현미경으로 세포 분열과 이동을 관찰하면, 줄기세포는 네 가지 색상 중 하나로 표시된다. 특히 줄기세포가 분열·이동하며 생성된 딸세포가 원래의 줄기세포와 같은 색상을 띄어, 여러 색종이 조각들을 이어붙인 모자이크 같은 위샘의 모습을 관찰할 수 있다. 이러한 원리를 이용해 연구팀은 위샘 상부와 하부에서 서로 다른 두 종류의 위 줄기세포를 규명했다. 이는 관련 분야에서 해결하지 못했던 난제를 해결한 것으로 의미가 크다.

 또한 연구팀은 상부, 하부에 있는 위 줄기세포들의 분자적 특성을 ‘단일 세포 전사체 분석’을 이용해 규명했다. 특히 상부 줄기세포가 갖는 빠른 분열로 위샘 상부의 재생을 담당하는 성질과, 하부 줄기세포가 갖는 느린 분열로 위샘 하부의 재생을 담당하는 특성을 각각 파악하는데 성공했다. 이러한 위샘의 재생은 위점막층 재생에 영향을 줘, 관련 질병 원인의 규명과 치료에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

 DGIST 뉴바이올로지전공 김종경 교수는 “이번 연구를 통해 역할과 특성이 서로 다른 두 가지 종류의 위 줄기세포의 위치와 분자적 특성을 규명했다”며 “위장질환과 위암의 발병 원인이해와 치료법 개발 등에 유용하게 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

 이번 연구는 DGIST 뉴바이올로지전공 이은민 연구원이 공동2저자로 참여했으며, 오스트리아 Institute of Molecular Biotechnology(IMBA)의 구본경 박사, 영국 캠브리지대(Univ. of Cambridge) Benjamin D. Simons 교수와 함께 연구를 진행했다. 연구결과는 줄기세포 분야의 국제학술지 셀스템셀(Cell Stem Cell)에 8월 15일(금) 발표됐다.

 

   연구결과개요   

 

Defining the Identity and Dynamics of Adult Gastric Isthmus Stem Cells
Seungmin Han, Juergen Fink, David J. Jörg, Eunmin Lee, Min Kyu Yum, Lemonia Chatzeli, Sebastian R. Merker, Manon Josserand, Teodora Trendafilova, Amanda Andersson-Rolf, Catherine Dabrowska, Hyunki Kim, Ronald Naumann, Ji-Hyun Lee, Nobuo Sasaki, Richard Lester Mort, Onur Basak, Hans Clevers, Daniel E. Stange, Anna Philpott, Jong Kyoung Kim, Benjamin D. Simons, Bon-Kyoung Koo
(Cell Stem Cell, Published on August 16th, 2019)

 위의 내강 표면을 둘러싸고 있는 위점막층의 상피는 위장관의 가장 두꺼운 부분이며 섭취하는 음식물로 인한 손상된 세포를 복구하는 재생이 끊임없이 일어난다. 위점막상피의 위샘은 오목, 협부, 목, 기저부의 네 영역으로 나뉘어져 있으며 기저부와 협부영역에 역할과 특성이 서로 다른 두 종류의 위 줄기세포가 존재한다는 가설은 제기되었으나 증명은 되지 않았다. 
 또한 두 종류의 위 줄기세포간의 상호작용과 분자적 특성은 여전히 베일에 싸여 있었다. 이번 연구에서 우리는 다색 마우스 색종이 리포터 시스템과 생물리학적 모델링을 통해 마우스 위샘은 기저부와 협부에 위치한 두 종류의 위 줄기세포가 존재하며 이 둘은 “Punctuated” Neutral Drift 모델을 통하여 각각 기저부와 오목-협부-목 영역의 재생을 담당한다는 사실을 최초로 입증하였다. 또한 단일 세포 전사체 분석을 통해 협부에 위치한 위 줄기세포의 분자적 특성과 분화계통을 규명하였다. 이러한 결과는 위장질환과 위암의 발병 원인이해와 치료를 위한 새로운 표적과 전략을 제시해 준다.  


   연구결과문답   


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
위 줄기세포의 정확한 위치와 분자적 특성은 오랫동안 규명되지 못한 난제였다. 본 연구팀은 특정 마커 유전자를 사용하지 않는 다색 마우스 색종이 리포터 시스템, 생물리학적 모델링, 단일 세포 전사체 분석 및 통계 분석 등의 다학제적 융합 연구를 통하여 역할과 특성이 서로 다른 두 가지 유형의 위 줄기세포의 존재와 분자적 특성을 규명하였다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
위장질환과 위암의 발병원인이해와 치료법 개발 등에 활용 할 수 있다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
본 연구는 기초연구로써 위장질환 및 위암 치료법 개발로 이어지기 위해서는 많은 시간이 필요하다.

Q. 실용화를 위한 과제는?
위 줄기세포의 분화능력 조절 기전 규명, 위 줄기세포 분화능력에 영향을 미치는 미세환경 규명, 위 줄기세포와 위장질환 및 위암간의 관계 규명 등 보다 체계적인 기초연구가 필요하다.  

Q. 연구를 시작한 계기는?
오랫동안 위샘의 상부 중간에 위치한 협부영역에 상피의 지속적인 재생을 담당하는 위 줄기세포가 존재함을 과학자들이 믿어왔으나 기저부에도 위 줄기세포가 존재함이 2013년 밝혀져 위 줄기세포의 위치는 수수께끼로 남아있었다. 또한 지금까지 협부영역의 위 줄기세포를 잘 나타내도록 선택된 마커 유전자의 발현에 의존하여 연구되었지만 마커 유전자의 정확도가 떨어져 위 줄기세포의 특성 규명은 정확히 이루어지지 않았다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
위샘의 기저부에 위치한 줄기세포는 활발하게 분열하지 않지만 조직 손상이 있을 때 활발하게 분열하여 손상된 조직을 복구하는 특성을 가지며 협부에는 평소에도 활발하게 분열하여 조직 재생을 주로 담당하는 줄기세포가 협부영역에 존재함을 최초로 규명하여 위 줄기세포 분야의 오래된 난제를 해결하였다. 

Q. 향후 목표는?
단일 세포 다중 유전체 분석 기법을 개발하여 우리 몸의 각 조직에 존재하는 성체줄기세포의 분자적 특성과 분화계통을 규명함으로써 성체줄기세포 분화능력 조절을 통한 조직 재생 및 조직 특이적 질환 치료법 개발이 주요한 연구 목표이다.


   그림설명   

[그림] 다색 마우스 색종이 리포터 시스템을 통해 다른 색으로 보이는 두 종류의 위 줄기세포군(A)과 단일 세포 전사체 분석을 통한 위 줄기세포의 계통 추적 모식도(B)

 

[그림]은 위샘의 상부 줄기세포가 위샘 상부의 재생을 담당하고 하부 줄기세포는 위샘 하부의 재생을 담당한다는 것을 다색 마우스 색종이 리포터 시스템을 통해 보여준다(A). 또한 위샘 상부의 줄기세포가 오목, 목 세포로 분화하는 과정을 단일 세포 전사체 분석을 통해 보여준다(B). 


   논문 바로보기   Cell Stem Cell

 

 

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