최상위 국제학술지‘네이처(Nature)’8월 25일자 온라인판 게재

                                          ▲논문 主저자 경북대병원 오지원 교수(왼쪽)와 카이스트 주영석 교수. 

"7명의 시신 기증자서 총 334개의 단일세포 및 379개 조직
 세계 최대 규모의 단일세포 전장유전체 분석을 수행" 성과

 인간배아 존재 40조 개의 세포 장기분화에 체계적으로 접근

경북대학교병원 생명의학연구원 오지원 교수와 카이스트 의과학대학원 주영석 교수 공동연구팀이 전장유전체 기술을 이용, 인간의 '발생' 과정을 규명하는데 성공했다.(nature 바로가기).

이 연구는 세계 최고의 권위를 자랑하는 국제 학술지인 네이처(nature)의 8월 25일자 온라인판에 게재됐다(Clonal dynamics in early human embryogenesis inferred from somatic mutation).

27일 경북대학교병원에 따르면 이 연구논문에는 공동 1저자로 KAIST 박성열 (現 ㈜ 지놈인사이트 수석과학자), 경북의대 Nanda Mali 박사(해부학교실), 김률 박사(現 삼성서울병원 내과 전임의)가 참여했으며, 한국과학기술정보연구원 (KISTI), 가톨릭의대, ㈜ 지놈인사이트, 이뮨스퀘어(주)의 연구자들도 참여했다.

연구는 인간 배아에 존재하는 소수의 세포들이 인체에 존재하는 총 40조 개의 세포를 어떻게 구성하고 각각의 장기로 언제 분화하는지 체계적으로 이해하기 위한 것으로, 세계 최대 규모의 연구결과이다.

단 하나의 수정란이 인체의 다양한 장기를 만들어내는 인간 발생과정의 원리를 밝히는 것은 의생명과학의 근본적 물음이었다.

하지만 직접적인 연구를 위해서는 필연적으로 배아의 파괴를 동반하기 때문에 그동안 대부분의 배아발생 연구는 예쁜꼬마선충 (C. elegans), 초파리, 생쥐 등 모델 동물을 이용하여 이루어졌다.

특히 예쁜꼬마선충의 배아 발생과정 연구는 2002년 노벨생리의학상의 영예를 안겨주기도 했다. 하지만 종 간 차이로 이들로 부터 인간의 발생과정을 근본적으로 이해하는 데는 한계가 있었다.

이를 극복하기 위하여 연구팀은 DNA 돌연변이에 주목하였다. 수정란이 세포 분열을 하는 과정에서 무작위적 돌연변이가 매 세포에 누적되는 것을 발견하였다.

이렇게 발생한 돌연변이는 성체의 자손 세포에도 전달되기 때문에, 온몸에 퍼진 성체 단일세포의 DNA 돌연변이를 체계적으로 분석한다면 이들을 세포의 바코드로 삼아 배아 세포들의 움직임을 재구성해낼 수 있다는 결론을 얻었다.

이를 바탕으로, 7명의 시신 기증자에서 총 334개의 단일세포 및 379개의 조직을 기증받아 세계 최대 규모의 단일세포 전장유전체 분석을 수행하였다. 본 연구로부터 연구팀은 인간 배아발생 과정에 발생하는 현상들을 규명하는 데 성공하였고, 배아 내 세포들이 발생 초기부터 서로 동등하지 않다는 것을 발견하였다.

연구팀의 이번 연구는 전장 유전체 빅데이터를 이용하여 윤리적인 문제 없이 인간의 초기 배아발생 과정 추적이 가능하다는 것을 명쾌하게 증명해냈다는 데 의의가 있다. 이를 응용하면 개인마다 발생과정 중 나타나는 세포들의 움직임을 재구성할 수 있게 된다.

"연구팀, 인간 배아발생 과정서 발생하는 현상규명 성공
 배아 내 세포들이 발생 초기부터 동등하지 않음을 발견"

본 기술은 향후 발생과정에서 생기는 희귀질환의 예방, 선별검사 및 정밀치료 시스템 구축에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

경북대병원 생명의학연구원 오지원 교수는“죽음에 이른 신체로부터 인간 생명의 첫 순간을 규명할 수 있다는 것을 증명한 놀라운 연구로, 숭고한 희생정신으로 본인의 신체를 기증한 분들이 없었다면 본 연구는 불가능하였을 것”이라고 말했다.

KAIST 주영석 교수는 “인간 게놈 프로젝트 완성 20년 만에 단일세포 유전체에 존재하는 돌연변이를 정확히 규명할 수 있을 만큼 발전한 유전체 기술의 쾌거”라며“기술 혁신을 기반으로 향후 지속해서 더 높은 해상도의 인간 배아 발생과정 추적이 가능할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 보건복지부 세계선도의과학자 육성사업, 서경배 과학재단 및 한국연구재단(리더과제, 우수신진연구, 지역대학 우수과학자, 선도연구센터)의 지원을 받아 수행됐다.

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 [연구개요]

하나의 수정란은 수억 개의 인간 세포로 분열하여 200종이 넘는 세포와 다양한 장기를 구성한다. 이러한 인간 발생과정 (human embryogenesis)에 대한 연구는 유산된 태아를 관찰하거나 동물 모델을 통한 실험으로 이루어졌다. 하지만, 윤리적 기술적 이유로 인간 배아 세포로 직접 실험을 할 수 없기 때문에, 인간 배아발생에 대해서는 잘 알려져 있지 않았다.

모든 세포는 분열할 때 체세포 돌연변이(somatic mutation)라고 불리는 DNA 염기 서열의 변화가 발생한다. 60억 쌍에 달하는 인간 DNA를 복제하는 과정에서 실수가 발생하기 때문이다. 이 때 발생한 체세포 돌연변이는 이후의 자손 세포(daughter cell)에 그대로 전달되기 때문에 바코드로 활용이 가능하다.

연구팀은 일곱 구의 기증된 시신에서 334개의 단일세포를 채취하였고, 이를 클론 확장(clonal expansion) 시킨 후 전장 유전체 염기서열 분석(whole-genome sequencing)을 하였다. 체세포 돌연변이는 인간의 전체 세포가 아닌 일부 세포에만 존재하는 특징을 이용하여, 배아발생 과정에서 축적된 체세포 돌연변이들을 찾아내었고, 이를 이용하여 세포들의 계통도(phylogenetic tree)를 구성하였다. 체세포 돌연변이를 가진 세포의 비율을 379개의 조직에서 표적시퀀싱(targeted sequencing)을 통해 측정하였고, 이를 이용하여 인간 배아 발생과정을 재구성하였다.

분석 결과 배아발생 세포(embryonic cell)가 신체를 구성할 때 불균등(imbalance)한 분포를 보이는 것을 밝혀냈다. 배아 2세포기의 두 세포 중 한 세포가 다른 세포에 비해 더 많이 인체를 구성하는 것으로 나타났는데 그 비율은 1.4:1에서 6.5:1로 사람마다 달랐다. 사람의 발생과정의 개인적인 차이가 존재한다는 것은 C.elegans와 같은 원시 생물과 달리 사람의 발생과정에는 확률론적인 과정(stochastic process)이 개입한다는 것을 시사한다.

또한, 연구팀은 특정 신체 부위, 배엽(germ layer), 및 장기를 구성할 때 특정 배아 세포가 더 많이 분포하는 불균등이 나타나는 것을 확인하였다. 이는 매우 초기부터 세포의 운명이 단계적으로 결정되는 것을 시사한다. 연구팀은 불균등이 나타나는 시점 또한 추정하였고, 몸의 좌우 축(left-right axis), 배엽(germlayer)의 종류, 특정 신체 부위(anatomical region) 또는 장기(organ) 순으로 불균등이 형성되는 것을 확인하였다.

연구팀은 세포들의 계통도를 이용하여 배아발생 과정에서 발생하는 체세포 돌연변이의 수를 시뮬레이션을 통해 추정하였다. 세포마다 매 분열마다 1개 전후의 돌연변이가 생기는 것을 알 수 있었고, 수정란의 첫 분열시에는 이보다 더 많은 수의 돌연변이가 발생한다는 것을 보였다. 수정란 내에는 DNA 수리에 필요한 단백질(DNA repair protein)들이 충분히 발현하지 못하여 돌연변이 수가 높은 것으로 추측된다.

이 외에도 연구팀은 데이터 분석을 통해 수정란 내에 미토콘드리아의 이질성(heteroplasmy)이 존재한다는 것을 밝혔으며, 성염색체의 숫자 이상이 정상세포에서 흔하게 발생함을 보였다.

본 연구팀은 초고속 유전체 기술로 생성된 전장 유전체 빅데이터의 생명정보학 분석을 이용해 인간배아발생과정을 정밀 분석하였다. 본 연구팀에는  KAIST, 경북의대, 가톨릭의대, KISTI (한국과학기술정보연구원) 및 지놈인사이트, 이뮨스퀘어(주)의 연구진들이 함께 참여하였다.

 
본 연구는 전장 유전체 빅데이터를 이용해 인간배아 발생과정을 효과적으로 추적관찰 할 수 있음을 증명하였고, 여러 가지 새로운 사실들을 발견하였다. 미래에 더 많은 세포와 조직을 이용해서 연구의 규모를 확장한다면, 인간 배아 발생과정에 대한 더 자세한 청사진을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.