세포 신호전달 연구실은 서강대학교 생명과학과 및 기초과학 연구소 (소장 이정하 교수) 소속으로 2011년 3월부터 개설되어 운영하고 있다. 줄기세포를 비롯한 다양한 세포 모델을 통해 DNA 손상 자극, 활성 산소와 같은 스트레스 자극 환경에서의 세포의 기능 변화를 야기하는 다양한 스트레스 활성 신호와 그 조절 메커니즘을 규명하는 것을 실험실의 주요 과제로 삼고 있다. 연구책임자는 약학대학을 졸업하고 약학대학에서 세포주기에서 Mitogen activated protein kinase (MAPK)의 역할로 박사학위를 받았다. 이후 DNA 손상 자극이나 Oncogene에 의한 종양 신호 자극에서의 세포내 스트레스 반응 조절 연구로 박사후 연구를 수행하여, 2007년 귀국하기까지 8년간 세포내 신호전달체 연구를 수행하였다. 1990년대 세포신호전달 분야 연구의 발달로 종양 신호 단백질과 관련 신호 체계들이 밝혀지면서, 불과 20년만에 기존의 모든 빠르게 분열하는 세포를 대상으로하는 항암치료에서 종양의 원인이 되는 종양 신호 단백질만을 표적으로하는 표적 항암제로의 전환이 이루어지게 되었다. 이에 본 연구실은 줄기세포의 다양한 스트레스 자극에서의 줄기세포의 Stemness maintanance, Survival, Differentiation과 Self-renewal을 조절하는 신호 전달 변화를 규명하고, 제어법을 발굴함으로써, 줄기세포의 이상으로 발생할 수 있는 종양형성이나, 퇴행성 질환을 타겟으로 하는 치료제(법) 개발을 목표로 하고 있다.

Autophagy (자가 소화 작용)는 불필요한 세포질 구성물질 (세포 내 단백질 및 세포 내 소기관)을 lysosome을 이용하여 분해하는 작용으로 체계로써 세포 내 영양결핍이 진행되는 동안 세포가 apoptosis로 가기보다는 autophagy를 통해 homeostasis를 유지에 기며, 노화 및 종양 억제, 세포내부 침입 미생물 제거, 그리고 발생(분화) 과정에 관련된 모든 단계에 관여하고 있는 것으로 알려져 있다. Autophagy기능은 효모에서부터 인간까지 진화적으로 잘 보존되어 있으며, 진핵 세포의 생존을 위한 필수적인 기능으로 인식되고 있다. 이러한 autophagy 작용과 관련된 여러가지 생명현상 중에서reactive oxygen species (ROS; 활성산소) 자극에 의한 mouse and human embryonic stem cells(m/hESC)의 방어 기작에 대한 규명 요구가 있어 왔던 바 본 연구는exogenous H2O2 자극 하에서 SIRT1 (NAD-dependent deacetylase; 히스톤 탈아세틸화 효소 (HDAC) class III) 이 autophagy를 직/간접적으로 조절하여 m/hESC의 생존에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구 결과이다.

1. 줄기세포 스트레스 반응 연구의 중요성

성체줄기세포의 경우 개체의 탄생과 더불어 일생동안 체내에 존재하여, 조직의 재생에 대한 역할을 평생 담당하기 때문에, 장기간동안 일정 수준의 세포수를 유지하거나 분화력을 유지하는 것이 필수적이다. 이를 위해 상대적으로 긴 telomere를 갖거나, 최소한의 세포분열을 유지하며, 다양한 스트레스 자극들에 의한 스트레스 반응을 최소화한다. 따라서, stress 반응 (stress response)에 의한 다양한 변화, 즉 세포성장 정지 (cell cycle arrest), 세포내 노화 (cellular senescence), 그리고, 세포사멸 (apoptosis) 등에 대해서 상대적으로 안정하다. 이러한 체내 환경에서 또는 외부 환경적 영향에 있어서 일어나는 스트레스 반응을 최소화하는 것이 장기간의 ‘줄기세포성’유지에 필수적이기 때문에 스트레스 반응 제어를 위해 스트레스 반응 제어 단백질을 발현시켜서 스트레스 신호의 조절 및 줄기세포성을 유지하게 된다. 하지만, 장기간의 외부 환경 자극에 의해 세포의 DNA 손상 자극이 축적되면서 DNA 손상 신호의 활성으로 줄기세포성의 소실 및 분화 결손이 발생하게 되고, 노화에 의한 장기의 재생력 소실에 중요한 이유가 된다. 노화된 생쥐의 조혈모 세포에서 DNA 이중나선 결절의 표지인 γ-H2AX foci 발견되고, 이러한 DNA 손상 신호가 계속 축적된다는 것은 노화과정에서의 조혈모 세포의 분화결손과의 연관성을 유추할 수 있다. 또한 줄기세포의 DNA 손상 과정에서 돌연변이로 인해 종양성 모세포가 생성이 될 경우, 종양 발생의 근원이 될 수 있다. 따라서, 줄기세포의 스트레스 자극에 의한 다양한 반응 결정이 ‘노화에 의한 재생력 감소’와 ‘노화에서의 암화’를 설명할 수 있는 중요한 연구 과제가 될 것이다 (그림. 1)

2. 미분화 만능줄기세포의 테라토마 형성 억제 연구의 중요성

만능줄기세포 기반 세포치료의 무한한 가능성은 줄기세포 연구의 중요한 미래 가치중 하나이다. 최근 인간 배아줄기세포에서 유래된 망막 상피 세포로 노인성 황반병성 질환에 대한 환자를 대상으로하는 임상 실험이 수행되고 있는 점이 대표적인 성과라 할 수 있다. 하지만, 미분화 만능줄기세포의 무한분열 특성에 의해 형성될 수 있는 기형종 (teratoma)은 만능줄기세포 기반 세포치료 과정에서 미분화 만능줄기세포가 완벽히 제거되지 않았을 경우 일어날 수 있는 대표적인 부작용으로, 현재까지 중요한 기술적 난제로 남아있다. 본 연구실에서는 만능줄기세포만의 특이적인 생장 및 생존 신호 연구를 기반으로 만능줄기세포의 선택적 세포사멸을 야기하는 다양한 기법들을 연구하여, 분화후 간단한 처치를 통해 미분화 만능줄기세포를 완벽히 제거하여 기형종 형성을 억제하는 연구를 수행중이다.

1. 뇌신경줄기세포의 세포 노화 및 종양 형성 기전 연구

뇌신경줄기세포를 모델로 DNA 손상 자극과 같은 환경적 스트레스 조건에서 뇌신경줄기세포의 세포노화와 이에 따른 줄기세포성 감소의 주요 신호전달 기전을 확인하고, 스트레스 환경에서 증가하는 miRNA 들을 miRNA array를 통해 확인하여, 스트레스 환경에서 특이적으로 증가하는 miRNA 들을 발굴하고 줄기세포성 제어 기전 연구를 수행중이다.

또한 다양한 동물 모델에서 종양성 유전자에 의해 뇌신경줄기세포에서 뇌신경 교모종이 형성될 수 있다는 연구 결과를 바탕으로 본 연구팀에서는 인간 뇌신경줄기세포에 종양성 유전자를 도입하였을 경우, 뇌신경줄기세포 유래 희소돌기아교세포 (Oligodendrocyte)와 는 달리 뇌신경줄기세포에서만 종양화가 일어나고, 동물모델에서 이형성 신경 교모종을 형성할 수 있음을 확인하였다. 이는 뇌신경줄기세포가 분화된 세포에 비해서 종양성 유전자에 좀 더 종양화 과정에 더 민감하다는 기존의 이론에 부합되는 결과이다.

추가적으로 종양성 유전자에 뇌신경줄기세포가 종양화 과정에 더 민감한 분자적 기전 연구를 수행중이다. 흥미롭게도 최근 발굴된 특정 유전자는 ‘종양성 줄기세포성’이 공통적으로 존재하는 신경줄기세포 유래 ‘종양성 신경줄기세포’와 뇌종양유래 ‘뇌암 줄기세포’에 공통적으로 발현되며, 이 유전자의 발현을 억제하였을 경우 ‘종양성 신경줄기세포’와 뇌종양유래 ‘뇌암 줄기세포’ 모두에서 분명한 세포사멸 효과가 일어나는 것으로 보아, ‘종양성 줄기세포성’ 유지에 매우 중요한 역할을 담당하는 것을 확인하였다. 이와 같이 종양성 유전자에 의해 뇌신경 특이적으로 종양화 되는 분자 기전 이해를 통해 궁극적으로는 뇌신경줄기세포의 종양화 억제와 ‘종양성 줄기세포성’을 보유한 세포의 선택적 세포사멸을 유도하는 신약 개발에 기여하고자 한다.

2. 만능줄기세포 선택적 세포 사멸 유도 연구

2013년 본 연구팀에서는 미분화된 만능줄기세포의 특이적인 세포사멸 억제 유전자를 발굴하고, 이러한 세포사멸 억제 유전자의 발현 억제를 유도할 수 있는 화합물을 처리를 통해 미분화된 만능줄기세포의 특이적인 세포사멸을 유도하고, 또한 기형종 형성을 억제할 수 있음을 발표하였다. 추가적으로 화합물에 의한 부작용을 최소화하기 위해 화합물을 사용하지 않고, 미분화만능줄기세포만을 선택적으로 세포사멸할 수 있는 기술 개발을 위해 연구 중이다. 또한 분화후 미분화 세포의 자발적 세포사멸이 가능한 만능줄기세포를 구축함으로써 궁극적으로 기형종의 위험성이 없는 만능줄기세포 개발을 통해 만능줄기세포 기반 세포치료의 임상적 확대를 앞당기는 데 일조하고자 한다.

Lee MO, Moon SH, Jeong HC, Yi JY, Lee TH, Shim SH, Rhee YH, Lee SH, Oh SJ, Lee MY, Han MJ, Cho YS, Chung HM, Kim KS* and Cha HJ* “Inhibition of pluripotent stem cell-derived teratoma formation by small molecules” Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Aug 27;110(35):E3281-90. (* Co-PI) (Highlighted In ‘in this issue’)

Cha BH, Lee JS, Kim SW, Cha HJ*, Lee SH*, “Modulation of the oxidative stress response in chondrocytes by Wip1 alleviates senescence and dedifferentiation during in vitro expansion” Biomaterials, 2013 Mar;34(9):2380-8 (* Co-PI)

Song SS, Lee MO, Lee JS, Jeong HC, Kim HG, Kim WS, Hur MN, Cha HJ, ‘Genetic modification of human adipose-derived stem cells for promoting wound healing’ J. Der. Sci 2012 May;66(2):98-107, Editor’s choice

Lee MO, Song SH, Jung SK, Hur SG, Asahara, T, Kim HB, Kwon SM, Cha HJ ‘Effect of ionizing radiation induced damage of endothelial progenitor cells in vascular regeneration.’ Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2012 Feb;32(2):343-52.

Lee JS, Lee HJ, Moon BH, Song SH, Lee MO, Shim SH, Park KS, Lee MC, Kim HS, Kwon JT, Fornace Al, Kim SU, Cha HJ ‘Generation of cancerous neural stem cells forming glial tumor by oncogenic stimulation’ Stem Cells Rev Rep 2012 Jun;8(2):532-45