고려대학교 생명공학과(대학원) 김대성 교수연구팀 (세포치료공학연구실, Reprogramming & Differentiation Lab)의 연구 목표는 역분화 및 교차분화 기술을 활용하여 유전자 변이에 의해 발생하는 난치성 소아신경질환의 in vitro 질환 모델을 구축하고, 이를 통한 질환 기전을 규명하는 연구를 수행하는데 있다. 일반적으로 전분화능 줄기세포(배아줄기세포 혹은 역분화줄기세포)에서 분화된 세포는 태아 발생 초기세포의 분자/세포생물학적 특성을 보이고 있기 때문에 노화와 연관되어 발생하는 퇴행성 뇌신경질환을 모델링하는데 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 그와는 달리, 발생 과정 혹은 생후 초기 발달과정 (>1세미만)에 병태생리학적 특성이 관찰되는 몇몇 소아 신경질환은 전분화능 줄기세포에서부터 분화된 신경세포/교세포를 이용하여 모델링하기에 적합하며, 아직까지 질환 발생 기전이 잘 알려져 있지 않거나 치료기술이 개발되지 않아 질환모델 개발에 대한 수요가 절실한 상황이다. 현재 본 연구팀은 렛 증후군(Rett syndrome), 드라벳 증후군(Dravet syndrome) 및 부신백질이영양증(Adrenoleukodystrophy) 등을 모델 질환으로 환아 체세포로부터 역분화 줄기세포 및 교차분화 신경줄기세포를 수립하고, 질환 특이적 신경세포/교세포로의 분화 기술을 바탕으로 질환연구를 위한 모델을 구축 중이다.

렛 증후군(Rett syndrome; RTT)은 X-염색체 연관 소아 신경발달질환으로, X-염색체 상에 있는 MeCP2(Methyl CpG binding Protein 2) 유전자의 이상이 질환 발생의 직접적 원인이 된다고 알려졌다. 가족력으로 유전되기보다는 산발적인(sporadic) 성염색체의 돌연변이로 발생하는 것으로 알려져 있으며 10,000~15,000명당 한 명 정도로 주로 여아에게 나타난다. 1세를 전후로 정상적인 뇌 발달을 보이다가 이후 점진적으로 언어와 운동 발달이 멈추거나 뇌기능의 퇴행이 특징적으로 관찰되며, 자폐증상과 더불어 보행 장애, 이갈기, 수면장애, 호흡장애 등이 동반된다. 원인이 되는 MeCP2 유전자의 변이 정도에 따라 증상의 정도가 다양하게 나타나는 것으로 알려져 있고, 현재로서는 질병에 대한 근본적인 치료법이 없으며 각각의 증상에 대한 일반적인 보존요법이 시행되는 정도에 머물러 있다. 최근 다양한 유전자 변이 마우스 모델 연구을 통해 대뇌 피질의 신경세포에서 세포체(soma)의 크기가 정상세포에 비해 작아지고 신경연접(synapse)의 수가 유의하게 감소되어 있는 것으로 보아 신경세포의 성숙화(maturation) 내지 다른 신경세포간의 연접이 형성되는 과정(synaptogenesis)의 이상이 신경계 퇴행의 원인인 것으로 밝혀졌으며, 특히 역분화 줄기세포 연구를 바탕으로 환자유래 신경세포에서 mRNA 전사 및 전사 후 단백질 번역 조절 이상 등의 분자세포생물학적 기전이 활발히 연구되고 있다. 본 연구팀은 이전 연구를 통하여 다양한 유전자 변이에 의해 나타나는 렛 증후군의 다양한 증상들을 제시하였고, MECP2 유전자의 이상이 전사 후 단백질 번역기전에 미치는 영향을 분자생물학적 연구를 규명하였다. 현재 본 연구팀은 MECP2 유전자 이상이 다양한 신경세포의 기능에 어떠한 영향을 미치며, 특히 특정 증상 (예, 파킨슨 유사증상, 호흡부전 등)의 발생 원인 규명하기 위해 환자유래 역분화 줄기세포 및 교차분화 신경줄기세포의 분화기술을 활용하고 있다.

드라벳 증후군은 전압 민감성 나트륨 통로 (voltage-gated sodium channel, Nav1.1)의 구성 단백질의 유전정보를 담고 있는 SCN1A라고 하는 유전자의 변이에 의해서 발생하는 질환으로, 일반적으로 유전자 변이를 가진 6개월 전후 영유아에서 경련과 근간대성 혹은 결신 발작의 증상을 유발한다. 점차 열성 간대성 경련으로 진행하여 정신적, 신경학적 퇴행을 유발하는 것으로 알려져 있으며, 현재까지 알려진 대부분의 항경련제에 감수성을 보이지 않아 치료제 개발이 절실한 질환 중 하나이다. 동물 모델을 통한 연구결과는 나트륨 전위와 대뇌 억제성 중간 신경세포(inhibitory interneurons-GABA신경세포)의 흥분성 소실이 간질 발작의 원인이 된다는 증거들을 제시하고 있으며 흥미롭게도 유전자 변이의 위치와 종류, 개체의 유전적 배경에 따라 스펙트럼의 양상으로 증상이 나타난다는 것을 보여주고 있다. 최근 몇몇 연구그룹에 의해 드라벳증후군 환자에게서 역분화 줄기세포가 수립되고 분화된 신경세포들에 대한 전기생리학적 검사가 수행 되었는데, 일부 연구는 유전자 변이의 종류에 따라 흥분성 신경세포의 과흥분이 직접적 원인임을 보여 주었고, 또 다른 연구는 (동물모델 결과와 유사하게) 억제성 신경세포의 기능 이상이 원인이 될 수 있다는 다소 상이한 연구결과를 내 놓고 있다. 이전 연구들이 대부분 특정 유전자 변이를 가진 단일 환자를 대상으로 한 연구이기에, 본 연구팀은 다양한 유전자 변이를 가진 환자들를 대상으로 역분화 줄기세포 혹은 교차분화 신경줄기세포를 수립한 후 대뇌 억제성 신경세포로 특이적 분화를 유도하여 세포 생리학적, 생화학적 검사를 통하여 질병 원인을 근본적으로 규명하고 이를 바탕으로 새로운 약물후보를 발굴하고자 하는 연구를 수행 중이다.

X-염색체연관 부신백질이영양증(X-linked adrenoleukodystrophy)은 X염색체 상에 존재하는 ABCD1이라고 하는 유전자의 이상에 의해 발생하는 희귀유전병으로 흔히 "로렌조오일 병"이라고 알려져 있다. ABCD1유전자는 세포내 페록시좀의 막에 존재하는 긴꼬리지방산의 이동통로 단백질의 유전정보를 가지고 있으며, 이 단백질의 변이는 체내 긴꼬리지방산의 분해이상 및 축적을 유발하여 부신, 성선세포 및 대뇌 백질의 염증성 소실을 야기한다. 단일 유전자 이상에도 불구하고 침범부위, 발병연령, 신경학적증상이 환자별로 매우 다양하게 나타나는 특징을 보인다. 그 중 10세 이전에 증상이 나타나는 소아대뇌형이 가장 흔하며, 시각, 청각, 연하장애, 보행장애, 수의 운동소실 등의 심각한 진행성 신경학적 증상을 동반한다. 긴꼬리지방산의 축적과 동반한 뇌의 염증성 탈수초 현상이 신경학적 증상의 원인으로 여겨지고 있으며, ABCD1 유전자 변이 동물모델이 존재하기는 하나, 환자에서 보이는 신경학적 증상이 관찰되지 않아 연구를 위한 질환 모델의 구축이 시급한 상황이다. 국내 연구진(연세대 김동욱 교수팀)에 의해 세계 최초로 환자유래 역분화 줄기세포가 수립되었고, 수초형성세포인 올리고덴드로사이트로의 특이적 분화 기술을 통해 분화된 올리고덴드로사이트에 특이적으로 긴꼬리지방산의 축적을 확인함으로써, 역분화를 통한 부신백질이영양증 모델링이 가능함이 입증되었다. 현재 본 연구팀은 임상의-역분화줄기세포 전문가-유전체/대사체 분석 전문가들로 구성된 대규모 연구팀의 일원으로 국내 다수의 환자들로부터 최소 30종 이상의 부신백질이영양증 특이적 역분화 줄기세포를 수립하고, 2차원 및 3차원 배양기반 고수율 올리고덴드로사이트 분화 기술을 수립하여 진보된 질환 모델의 수립 및 약물 탐색을 위한 플랫폼 개발 연구에 참여하고 있다.

줄기세포 분화, 증폭 및 활용기술 개발
본 연구팀은 BMP 신호 및 Activin/Nodal 신호 억제를 통한 인간 전분화능 줄기세포의 신경전구세포로의 분화기술에 대한 원천기술(한국,미국,일본 특허등록)을 바탕으로 도파민 신경세포, 올리고덴드로사이트, GABA 신경세포, 대뇌성 흥분성 신경세포 및 후뇌성 노르에피네프린 신경세포 등 다양한 신경계 세포로의 분화기술을 지속적으로 개발하고 있다. 이를 대량 배양기술로 확장하여 대형병원, 줄기세포 기업 등과 협력을 통해 세포치료제 개발에 활용하고자 한다. 또한 특정 세포외기질의 줄기세포의 증폭배양 및 분화에 미치는 영향에 대해 지속적으로 관심을 가지고 예비연구를 수행 중이며, 관련 기업과의 협동 연구를 통해 줄기세포 배양 기반 기술 개발도 추진하고 있다.