▲ [과학자들의 사랑을 듬뿍 받고 있는 제브라피쉬(Zebrafish)]얼룩말(Zebra)처럼 검은 줄무늬가 있는 최대 5cm크기의 열대어다. 유전체 구조가 인간과 85%이상 유사하며 다양한 유전자 조작과 형광이미징이 가능한데다 생명력이 강해 실험모델로 각광받고 있다.(그림 출처 : 한국유전자협회)

어여쁜 줄무늬를 가진 열대어, ‘제브라피쉬’ 덕분에 백혈병·혈액암과 같은 난치 혈액질환 치료길이 열렸다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 유전체 항상성 연구단(단장 명경재) 이윤성 연구위원이 이끄는 분자유전학팀은 캘리포니아 주립대학 샌디에이고 캠퍼스(UCSD)와 공동연구로 혈액세포의 근간인 ‘조혈줄기세포’의 생성 원리를 밝혀냈다.

바쁘신 분들을 위해 결론부터 말하자면 히스톤 샤페론 단백질(Histone Chaperone)의 한 종류인 ‘섭티16에이치(Supt16h)’가 조혈줄기세포 발생을 관장한다는 것. 혈액세포도, 히스톤 샤페론도 너무 어렵다고? 걱정 마시라. 차근차근 따라오다 보면 무릎을 탁 치게 될 테니.

▲ 혈액세포는 체내 면역을 담당하는 백혈구와 산소를 공급하는 적혈구, 혈소판으로 이루어져 있다. (그림 출처 : GIB)

‘혈액세포(Blood Cell)’는 백혈구, 적혈구, 혈소판을 모두 일컫는 세포다. 체내에 산소를 공급하고 면역을 담당하는 등 생명 유지에 매우 중요하다. 혈액세포를 만드는 역할은 ‘조혈줄기세포(Hematopoietic stem cell)’가 담당한다. 척추동물의 조혈줄기세포는 배아에서 성체가 되는 발생 시기(유생 단계)에 대동맥 내피 세포로부터 생성된다고 알려져 있다. 그러나 이 과정에 관여하는 다양한 유전자와 각각의 기능은 정확히 밝혀지지 않았다.

▲ [히스톤 샤페론(Histone chaperone)단백질의 분자기전]히스톤(Histone)은 DNA와 결합해 응축된 유전체 구조를 형성하고, DNA의 활성을 조절하는 단백질이다. DNA 사슬을 조절하여 DNA의 유전정보를 복제하거나, 유전정보를 읽어 단백질을 만드는 등 유전자 발현에 중요한 역할을 한다. 히스톤 단백질이 DNA 사슬을 조절하는 과정에서 히스톤이 뭉치거나 DNA 사슬이 엉기지 않도록 제어하는 단백질이 히스톤 샤페론이다. (그림출처 : 한국분자세포생물학회)

히스톤 샤페론 단백질은 원래 유전자 발현을 조절하는 히스톤 단백질이 뭉치거나 DNA사슬이 엉기지 않도록 제어하는 역할을 한다. 이 과정이 정상적으로 이루어지지 않으면 유전정보 손실 또는 유전자의 무분별한 발현이 일어나 암으로 이어질 수 있다. 이번 연구에서는 히스톤 샤페론 단백질 Supt16h가 조혈줄기세포 발생에도 핵심 역할을 담당함을 밝혔다.

연구진은 우선 조혈줄기세포 생성에 관여하는 새로운 유전자를 찾고자 했다. 이를 위해 제브라피쉬에 무작위로 돌연변이를 유발해 조혈줄기세포 발생에 문제가 있는 모델을 제작했다. 이어 13,000여 마리를 분석해 유전자 정보 전체를 빠르게 읽어내는 차세대 시퀀싱(Next Generation Sequencing)한 결과 Supt16h 유전자에 돌연변이가 생기면 단백질 기능을 상실함을 확인했다. 즉 Supt16h가 조혈줄기세포 발생에 핵심 역할을 한다는 의미다.

▲ [정상 제브라피쉬(WT)와 Supt16h가 결여된 돌연변이(supt16h-/-) 제브라피쉬의 모습 비교(좌) 와 조혈줄기세포 발생 비교(우)]Supt16h 돌연변이 제브라피쉬는 머리와 꼬리에 비정상적인 형태를 보이고(좌측 하단), 조혈줄기세포를 표지하는 runx1 유전자(파란색 화살표)가 발현되지 않았다. Supt16h가 결여될 경우 조혈줄기세포의 발생이 억제됨을 알 수 있다.

▲ [정상 제브라피쉬(WT)와 Supt16h가 결여된 돌연변이 제브라피쉬의 조혈줄기세포 발생 비교]혈액세포를 표지하는 cmyb:GFP 트랜스제닉 제브라피쉬(초록색)와 내피세포를 표지하는 fli1:DsRed 트랜스제닉 제브라피쉬(빨간색)를 이용하여 두 가지 색을 모두 발현하는 조혈줄기세포를 표지했다(하얀색 화살표 표지). 공초점 현미경 사진(위)과 정량적 분석(아래)을 통해 Supt16h의 발현 및 기능이 저하된 돌연변이에서 조혈줄기세포가 현저히 줄어든 것을 확인할 수 있다.

나아가 Supt16h가 결여되면 세포 발생을 조절하는 ‘노치(Notch)신호’ 체계에 이상이 생김을 발견했다. Supt16h가 제 기능을 못하면 종양억제 유전자인 p53이 지나치게 발현, Notch 억제 유전자 phc1이 활성화됐다. 이는 세포 발생에 중요한 Notch 유전자의 발현을 감소시켜 조혈줄기세포 생성 저해로 이어졌다. 요컨대 Supt16이 종양억제 유전자 p53을 매개로 Notch 신호 전달을 조절하여 조혈줄기세포 발생을 관장하는 것이다.

▲ [정상 제브라피쉬(좌)와 Supt16h 돌연변이 제브라피쉬(우)의 조혈줄기세포 발생 기작 모식도]정상(Wildtype)의 경우 p53과 phc1의 발현에 큰 변화가 없기 때문에 Notch신호가 정상 작동하여 조혈줄기세포가 만들어진다. 반면 Supt16h 돌연변이(supt16h-/-) 제브라피쉬에서는 p53의 발현이 증가하여 Notch 억제 유전자인 phc1을 직접적으로 활성화시킨다. 결과적으로 Notch 유전자 발현이 억제되어 대동맥 내피세포에서 조혈줄기세포의 발생이 저해된다.

이윤성 연구위원은 “이번 연구로 히스톤 샤페론 단백질 Supt16h가 특정 기관과 세포 발생에 필수적인 유전자 발현을 조절함을 밝히고, p53을 매개로한 Notch 신호 체계가 조혈줄기세포 발생에 중요하다는 사실을 규명했다”며, “재생의학 분야에서 조혈줄기세포를 이용한 치료 뿐 아니라 백혈병 등 혈액 질환 치료법 개선에 중요한 지표가 될 것으로 기대한다”고 전했다.

▲ [이번 연구에 참여한 IBS 유전체 항상성 연구단 연구진]좌측 상단부터 시계방향으로 IBS 유전체 항상성 연구단 강석현 연구위원, 이윤성 연구위원(교신저자), 명경재 단장, 강미선 연구원, 류은진 연구원, 오창규 연구원. 양옆에 일렬로 배치된 투명 어항 속엔 제브라피쉬들이 있다.(TMI)

울산 UNIST에 위치한 IBS 유전체 항상성 연구단에는 500여 개의 어항 속 3,000여 마리의 제브라피쉬가 살고 있다. 연구진은 크리스퍼 유전자가위로 다양한 돌연변이 제브라피시를 제작해 DNA 복구 메커니즘을 규명하고 조혈줄기세포 발생에 필수적인 유전자와 각각의 기능을 밝히고자 한다. 난치병 정복을 위한 IBS와 제브라피쉬의 활약. 기대해도 좋다.

이번 연구성과는 국제 학술지 네이처 셀 바이올로지(Nature Cell Biology, IF 20.042) 온라인 판에 11월 24일 오전 1시(한국시간) 게재되었다.

IBS 커뮤니케이션팀
박유진