[학계주요topic] 해외연구동향 2019년 9월
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- Development
Controlled modelling of human epiblast and amnion development using stem cells. - Yi Zheng, Xufeng Xue, Yue Shao, Sicong Wang, Sajedeh Nasr Esfahani, Zida Li, Jonathon M. Muncie, Johnathon N. Lakins, Valerie M. Weaver, Deborah L. Gumucio & Jianping Fu
Nature (September, 2019) https://doi.org/10.1038/s41586-019-1535-2 - 인간 줄기세포를 이용한 생명 현상 이해를 위한 노력은 수정 이후 모든 과정을 체외에서 모사하여 정밀하게 관찰하고자 하였다. 그럼에도 불구하고 인간 배아줄기세포의 수립 단계인 배반포 이전의 발생 과정은 체외 재현이 불가능하였으며, 법적, 윤리적 제약에 의해 관련 연구는 미비한 실정이다. 이에 따라 초기 인간 배아 발생 영역은 줄기세포 및 발생학 연구의 도전적인 한 부분으로 인식되어져 왔으며, 본 연구는 배반포 이전 단계의 초기 인간 배아 발생을 이해하고자 하는 줄기세포 연구 결과를 보고하였다. 본 연구진은 초기 수정란이 처하는 체내 환경을 재현하기 위하여 미세 유체 디바이스를 제작 및 적용하였으며, 특정 환경에 이식된 인간 배아줄기세포는 배아주머니, 양수의 형성과 관련된 초기 배아 형성 유사 과정이 체외에서 재현 되는 것을 발견하였다. 생성된 구조는 단순한 형태학적 구조의 재현 뿐 만이 아닌 낭배형성과 같은 일련의 과정에 세포 신호 조절을 통하여 관여하는 사실이 규명되었다. 본 연구 결과는 초기 배아 발달 과정을 이해하기 위한 연구를 가능하게 하고, 향후 초기 배아 형성 과정에서 발생하는 기형, 질환, 약물 부작용 등 다양한 연구에 활용 될 것으로 기대된다.
- Development
Organoid single-cell genomic atlas uncovers human-specific features of brain development. - Sabina Kanton, Michael James Boyle, Zhisong He, Malgorzata Santel, Anne Weigert, Fátima Sanchís-Calleja, Patricia Guijarro, Leila Sidow, Jonas Simon Fleck, Dingding Han, Zhengzong Qian, Michael Heide, Wieland B. Huttner, Philipp Khaitovich, Svante Pääbo, Barbara Treutlein & J. Gray Camp
Nature (October, 2019) https://doi.org/10.1038/s41586-019-1654-9 - 진화적 관점에서 인간의 두뇌는 다른 유인원의 뇌와는 다른 발생과 발달 과정을 거칠 것이라는 기대에도 불구하고 연구 방법의 제약으로 인하여 직접적인 종 간 비교를 통한 두뇌 발달의 차이 규명 연구는 현실화되지 못하여왔다. 최근 오가노이드 기술의 발전에 힘 입어 최종 산물로서의 인간의 두뇌에서의 다른 종과의 단순한 차이점 비교 뿐만이 아닌 차이가 존재하게 되는 생물학적 기전 추적이 가능하게 되었으며, 이에 따라 본 연구에서는 초기 뇌 발달시 발현하는 유전자의 차이와 세포 구성 및 뇌 발달의 속도를 비교하여 인간 두뇌 발달의 특징을 규정하고자 하였다. 흥미롭게도 인간 및 유인원의 줄기세포를 이용한 뇌 오가노이드 발생 과정을 비교 분석한 결과, 인간의 뇌 발생은 다른 종의 그것과 비교하여 상대적으로 느린 과정을 보였다. 결과적으로 본 연구는 다른 종의 뇌와는 공유하지 않는 인간 특이적 뇌 발달 관련 유전인자를 특정하고, 뇌 발달 과정 중 지속적으로 발현하는 유전자와 각각의 발달 단계에서 일시적으로 발현하는 특이적 유전자를 구분하여 규명함으로써 향후 인간 특이적인 지능과 사고의 발달 관련 연구에 중요한 정보를 제시하는 것으로 사료된다.
- Tissue homeostasis
PRDM16 maintains homeostasis of the intestinal epithelium by controlling regiona-specific metabolism. - Rachel R. Stine, Alexander P. Sakers, Tara TeSlaa, Megan Kissig, Zachary E. Stine, Chan Wook Kwon, Lan Cheng, Hee-Woong Lim, Klaus H. Kaestner, Joshua D. Rabinowitz, Patrick Seale
Cell Stem Cell (September, 2019) https://doi.org/10.1016/j.stem.2019.08.017 - 배아 발생 시의 각각의 세포 운명의 결정을 포함하여 다양한 조직의 상태를 결정하는 요소 중 에너지 대사는 매우 중요한 비중을 차지한다. 특히 소화관과 같은 장기 내부의 통로를 구성하는 epithelial tissue와 같은 경우 조직의 항상성 유지를 위한 세포의 분화 조절은 기관의 형태 뿐만이 아닌 기능의 유지를 위한 매우 중요한 생리학적 작용으로 알려져 있다. 본 연구진은 소장의 epithelial tissue renewal에 세포 내 에너지 대사 기전이 관련되어 있음을 규명하였으며, 특히 전사인자 PRDM16의 역할이 crypt-resident progenitor cell의 생존에 영향을 미쳐 소장 상피 구조의 유지가 가능한 사실을 밝혀내었다. 이 과정에는 세포 내 지방산 산화 과정이 관계되어 PRDM16의 대사 관련 기전이 역할하고 있음이 검증되었으며, 향후 이러한 결과는 다양한 자극에 의해 탈락과 재생이 반복되는 장 상피세포의 병태생리학 연구에 응용이 가능한 세포 생리, 오가노이드 모델 수립, 각종 질환 연구에 광범위한 응용 지식을 제시하는 결과로 사료된다.
- Organoids
Modelling human hepato-biliary-pancreatic organogenesis from the foregut-midgut boundary. - Hiroyuki Koike, Kentaro Iwasawa, Rie Ouchi, Mari Maezawa, Kirsten Giesbrecht, Norikazu Saiki, Autumn Ferguson, Masaki Kimura, Wendy L. Thompson, James M. Wells, Aaron M. Zorn & Takanori Takebe
Nature (September, 2019) https://doi.org/10.1038/s41586-019-1598-0 - 인간의 장기는 다양한 세포, 조직으로 구성되어 있으며 이들은 다시 인접 기관과의 복잡한 상호작용에 의해 동시 형성 및 성숙화되는 일련의 과정을 거친다. 그러나 현재의 오가노이드 연구는 그 기술적 한계로 인하여 단일 장기의 배양에 머물러 있으며, 최근에서야 다양한 동반 분석 기술의 발전에 힘 입어 체외 장기모사체 내부 세포의 다양성과 인접 장기와의 상호작용 등 연구가 가능해지고 있다. 본 연구진은 발생 계통의 유사성에 따라 상호 밀접한 연계성을 가지는 간, 담도, 그리고 췌장의 오가노이드 형성 단계를 조절함으로써 발생 과정에서의 각 기관 간 상호작용과 그 반응을 관찰하고자 하였다. 흥미롭게도 인간 배아줄기세포 유래 전-후방 장 모사체의 접합을 유도한 결과 별도의 외부 자극이 없는 경우에도 전방-중간 장의 경계에서 관찰되는 레티노산 관련 기전이 활성화 되는 것이 관찰되었다. 이들의 장기 배양을 통해 간-담도-췌장가 공존하는 복합 장기 오가노이드 초기 모델을 수립하였으며, 본 연구 결과는 향후 조직 및 장기의 발생과 발달을 위한 내부 세포 간 상호작용의 정밀 연구와 더불어 조직 혹은 장기 간 상호작용에 따른 거시적인 현상을 동시에 이해 할 수 있는 유용한 연구 도구로 활용 될 것이라 사료된다.
- Regenerative medicine
KLF4 inhibition promotes the expansion of keratinocyte precursors from adult human skin and of embryonic-stem-cell-derived keratinocytes. - Nicolas O. Fortunel, Loubna Chadli, Julien Coutier, Gilles Lemaître, Frédéric Auvré, Sophie Domingues, Emmanuelle Bouissou-Cadio, Pierre Vaigot, Sophie Cavallero, Jean-François Deleuze, Paul-Henri Roméo & Michèle T. Martin
Nature Biomedical Engineering (October, 2019) https://doi.org/10.1038/s41551-019-0464-6 - 현재 다양한 수요에 의해 환자에게 이루어지는 자가 피부 이식은 확보 가능한 피부 조직의 크기에 제약이 존재하는 관계로 인하여 피부 조직의 생산 및 기존 피부의 확장과 같은 목적을 위해 체외 배양 기술의 개발이 요구되고 있다. 본 연구진은 전사인자 KLF4의 발현을 조절함으로써 각질전구세포의 미성숙도를 유지 할 수 있음을 밝혀내었으며, 결과적으로 체외에서 인간 배아줄기세포 혹은 피부 유래 각질세포의 표피 생산 능력을 증가시킬 수 있었다. 이러한 현상은 생쥐의 피부 표피에서 KLF4 발현양을 조절하는 경우에도 마찬가지로 재현되었으며, 이는 향후 미성숙 각질세포의 유지를 통한 피부 재생 수요에 응용되어 연구 및 의학적 활용도가 매우 높은 연구 결과로 사료된다.