[과학을 읽다]줄기세포 타이밍 결정…대사물질 규명

난치병 치료제 개발에 새로운 해법 제시

[자료제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자] 생체 대사물질 중 하나인 '알파-케토글루타르산(α-ketoglutarate)'이 줄기세포 분화 초기단계에서 타이밍을 결정할 수 있다는 사실이 규명됐습니다. 국내 연구팀이 난치병 치료제 개발에 대사물질 조절이라는 새로운 해법이 제시했습니다.

우리 몸을 구성하는 모든 체세포로 분화할 수 있는 '미분화세포' 즉 줄기세포는 어떻게 다른 세포로 분화할 수 있을까요? 그 답은 후성유전체학에 있습니다. 줄기세포의 분화 과정에서 체세포 자신만의 특이적 후성유전체적 성질을 가지게 되며 이것이 세포 특이성을 부여한다고 알려져 있습니다.

알파-케토글루타르산을 비롯한 후성유전체를 조절하는 많은 효소들이 중요한 대사물질 기질로 사용됩니다. 이런 대사물질들이 어떻게 세포 운명을 결정하는 후성유전학적 역동성을 조절하는지에 대한 연구결과는 없었습니다. 분화 시작점, 즉 분화 초기 단계의 타이밍이 어떻게 조절되고 있는지도 아직 정확하게 밝혀지지 않았습니다.

연구팀은 후성유전체를 조절하는 많은 효소들이 대사물질 '알파-케토글루타르산'을 기질로 사용한다는 점에 초점을 맞춰 연구를 진행했습니다. 핵심 전사인자 OSN(Oct4, Sox2, Nanog 단백질들의 통칭, 줄기세포 특성을 유지하게 하는 전사인자)이 줄기세포의 특이적 후성유전체적 성질을 조절하고 있음은 이미 알려져 있었습니다. 생물정보학 관련 데이터 분석을 토대로 OSN이 효소 Psat1(Phosphoserine aminotransferase-1)을 조절한다는 것 역시 확인됐습니다.

연구팀은 이번 연구를 통해 Psat1은 알파-케토글루타르산 생산을 책임지며 줄기세포의 특이적 후성유전체를 유지하는 기능을 수행한다는 것을 밝혀냈습니다. Psat1을 인위적으로 감소시키면 세포 내 알파-케토글루타르산 감소와 줄기세포의 전분화능과 자가 복제에 심각한 손상이 일어나는 것을 관찰했습니다. 이는 Psat1 감소에 의한 알파-케토글루타르산 감소가 분화세포에서 관찰되는 특이적 후성유전학적 특성을 유도한 것이죠.

알파-케토글루타르산의 양은 분화초기에 감소한다는 것을 관찰했습니다. 이 때 알파-케토글루타르산을 처리해 세포 내 알파-케토글루타르산의 양을 증가시키면 분화가 지연됨을 알 수 있었습니다. 알파-케토글루타르산과 분화시기와의 관계는 초기에만 효과가 있었습니다.

이번 연구는 생체 중요 대사물질 중의 하나인 알파-케토글루타르산이 줄기세포 초기 분화단계 타이밍을 결정하는 핵심 원동력이 된다는 새로운 사실을 규명한 것입니다. 또 줄기세포는 분화과정에서 대사물질 증감을 조절해 후성유전체 변화를 유도함으로써 동일한 유전정보를 가지고도 피부세포, 신경세포, 노화세포, 암세포 등의 세포의 위계 상태를 결정할 수 있다는 점을 규명했습니다.

줄기세포가 Psat1 효소를 통해 알파-케토글루타르산을 많이 생성해 줄기세포의 특이적 후성유전학적 상태, 즉 염색체(chromatin) 상태를 유지시켜주는 원동력이 됨을 알아낸 것입니다.

이번 연구는 서울대 윤홍덕 교수 연구팀이 수행했습니다. 연구 결과는 '셀 메타볼리즘(Cell Metabolism)' 7월 28일자(논문명: Psat1-dependent fluctuations in α-ketoglutarate affect the timing of ESC(embryonic stem cell) differentiation)에 실렸습니다.

윤홍덕 교수는 "알파-케토글루타르산(α-ketoglutarate)이라는 대사물질의 증감이 줄기세포의 운명을 결정하고 줄기세포와 체세포 간의 위계상태를 결정한다는 새로운 사실을 규명했다는 점에서 이번 연구의 가치가 있다"며 "앞으로 대사물질 조절이 암을 비롯한 퇴행성 질환 등 난치병 치료제 개발의 새로운 해법을 제시할 것으로 기대한다"고 말했습니다.