실험실에서 만든 인간 난자와 정자가 불임부부를 돕는다.

 

우리 모두는 생식을 위한 방법을 알고 있다. 정자와 난자가 만나는 것이다.

지난 10년 동안 과학자들은 두 반쪽이 어디에서 왔는지에 대한 경계를 넓혀왔다. 유도만능줄기세포 기술 덕분에 이제 생쥐의 피부 세포를 긁어내어 기능성 정자 또는 난자 세포로 변환하여 두 엄마 또는 아빠에게서 건강한 새끼를 낳을 수 있게 되었다. 이 레시피는 적어도 생쥐의 경우 편부모 자손에게 문을 열어줄 수도 있다.

하지만 쥐는 사람이 아니다. 그리고 동일한 방법이 인간의 생식 세포에는 효과가 없다.

 

교토 대학의 사이토 미티노리(Mitinori Saitou) 박사에 따르면 한 가지 이유는 특정 유전자가 켜지거나 꺼지는 시기를 제어하는 ​​후성유전체라고 통칭되는 화학적 "태그" 때문이다. 원장처럼 이러한 태그는 초기 생식 세포에서 일종의 기억을 유지한다. 세포가 결국 정자나 난자로 발전하려면 그러한 기억을 깨끗하게 지워야 한다.

 

이번 달 사이토(Saitou) 팀은 바로 그렇게 할 수 있는 방법을 개발했다. 그들은 결국 정자나 난자로 발전하는 세포 유형인 원시 생식 세포에서 시작하여 화학적 기억을 지워 세포의 성장을 더욱 촉진하는 단일 단백질 성분을 추가했다.

 

사이토는 보도 자료에서 “우리의 연구는 인간 생물학과 인간의 후생적 재프로그래밍 뒤에 있는 원리에 대한 이해의 근본적인 진보를 나타낸다.”라고 말했다. 이는 또한 실험실에서 정자와 난자를 생성하는 “진정한 이정표”이며 불임으로 고생하는 부부에게 잠재적으로 도움이 될 수 있다고 그는 말했다.

 

태그, 당신이 바로 그것이다.

후성유전학적 태그는 유전자가 발현되는 방식을 제어된다. Picture DNA의 이중나선. 그런 다음 구조에 작은 화학물질 “핀”을 꽂는 것을 상상해 보라. 이 핀은 우리의 유전자 청사진이 생물학적 메시지로 전사되는 것을 쉽게 차단한다. 즉, 저 단백질이 아닌 이 단백질을 만드는 것이다.

 

사악하게 들릴 수도 있지만 후성유전학적 태그는 우리 몸의 기본이다. 대부분의 세포는 동일한 DNA를 가지고 있다. DNA의 발현을 통해 서로 다른 조직과 기관을 형성하고 생물학적 과정을 안내할 수 있다. 이중 나선에 태그가 추가된 위치와 태그에 따라 일부는 때로는 평생 동안 전체 유전자를 차단한다.

 

그러나 후생유전학은 접시에서 배우자(난자 또는 정자 세포)를 성장시킬 때 장애물이 된다. 시험관 내 배우자 형성이라고 불리는 이 기술을 통해 과학자들은 배우자가 어떻게 발달하는지 자세히 관찰하고 불임으로 어려움을 겪고 있는 부부를 잠재적으로 도울 수 있다.

 

또한 유전병을 일으키는 DNA를 고치는 방법도 제공한다. 특히 부모 중 한 사람만이 돌연변이를 갖고 있는 경우 더욱 그렇다. 과학자들이 CRISPR-Cas9를 사용하여 초기 인간 배아에서 직접 유전자를 편집했지만 이 접근 방식은 오류가 발생하기 쉽고 잠재적으로 위험한 부작용을 일으킬 수 있다. 정자와 난자 세포에서 DNA를 다시 쓰는 것은 더 간단하다. 세포는 유전자 편집의 중요한 단계인 DNA를 쉽게 복구할 수 있으며, 실험실에서 자란 표본은 실험하기에 완벽한 캔버스이다.

 

문제는? 이들의 후성유전적 화학적 태그는 일종의 "기억"을 형성하며, 이로 인해 결국 발달이 중단된다. 신체는 자연적으로 태그를 닦아내는데, 이는 후생적 재프로그래밍이라고 불리는 과정으로 초기 생식 세포가 건강한 난자나 정자로 성장할 수 있다.

과학자들은 이미 생쥐에서 이 과정을 복제할 수 있지만 동일한 방법이 인간 세포에서는 작동하지 않는다. 왜 그런지는 여전히 미스터리이다. 새로운 연구에서 사이토 팀은 인간의 생식 세포에 맞춰진 후성유전학적 "재설정" 버튼을 찾기 시작했다.

 

모든 것을 지배하는 하나의 단백질?

사이토는 이 분야에 새로운 사람이 아니다. 이전에 그의 팀은 줄기세포를 초기 생식세포와 대략 유사한 다른 유형의 세포로 유도했다. 그들은 빠르게 번식하는 능력과 같은 자연적 대응의 몇 가지 기본 특성을 요약했다.

 

그러나 그들의 후성유전적 환경은 그대로 유지되어 결국 세포의 발달이 중단되었다. 해결 방법으로 팀은 난소나 고환의 미세 환경을 모방하기 위해 신체의 생식 영역에서 얻은 생쥐 세포와 이를 혼합했다. 그것은 효과가 있었다. 지지 세포의 분자 신호가 후생유전적 브레이크를 완화하여 실험실에서 배양한 초기 생식 세포가 이론적으로 난자와 정자가 될 수 있는 미성숙 생식세포로 더욱 발전할 수 있게 되었다.

 

개념적으로는 성공했지만 프로세스는 매우 비효율적이어서 대략 10개 중 1개의 셀이 더 발전할 수 있었다. 그리고 인간 세포와 쥐 세포를 혼합하면 의도하지 않은 결과가 발생할 수 있으며 이는 인간 생식을 연구하는 데 이상적이거나 실용적이지 않다. 그러나 결과는 다음과 같은 아이디어를 촉발시켰다. 일부 분자는 실험실에서 배양한 초기 생식 세포에서 후생적 재프로그래밍을 활성화할 수 있다. 그들은 단지 그것을 찾기만 하면 되었다.

 

새로운 연구는 하나에 집중했다. BMP2라고 불리는 이 단백질은 발달 과정에서 역할(예: 뼈와 연골 형성)으로 인해 과학자들에게 친숙하다. 그러나 "그것이 후생적 재프로그래밍을 주도한다는 것은 매우 예상치 못한 일이었다"라고 사이토는 말했다.

 

실험실에서 배양한 초기 생식 세포에 첨가하면 이전 시도보다 더 발전하여 접시 안에 있는 인간 정자와 난자의 전구체를 형성했다. 이 세포는 자연 세포와 유사한 유전적 및 후성유전적 특성을 갖고 있으며 어떤 경우에는 100억 배 이상 빠르게 증식할 수 있다.

사이토는 "거의 무한한 증폭이다. 이제 우리는 필요에 따라 이러한 세포를 저장하고 다시 확장할 수 있는 능력도 갖게 되었다."라고 말했다.

 

그러나 BMP2를 사용해도 처리된 세포는 완전히 성숙한 정자와 난자로 발달할 수 없었다. 세포의 후성유전체를 주의 깊게 분석한 결과, 연구팀은 일부 후성유전학적 흔적이 여전히 남아 있음을 발견했는데, 이는 재프로그래밍이 완료되지 않았음을 암시한다.

연구에 골치 아픈 일이지만, 실험실에서 배양한 생식 세포가 생식을 돕기 위해 병원에서 사용된다면 이러한 후성 유전적 "낙오자"는 파괴적인 결과를 초래할 수 있다. 단 하나의 유전자라도 후성유전학적 표지에 의해 잘못 각인되면 심각한 질병으로 이어질 수 있다.

 

더 깊이 파고들면서, 팀은 BMP2가 완전하지는 않았지만 후생적 재프로그래밍을 촉발한 이유를 설명할 수 있는 전체 분자 네트워크를 발견했다. 한 가지 가능한 이유는 이것이 DNA에 후생적 '태그'를 추가하는 단백질의 활성을 변경했기 때문이다. 그러나 "정확한 메커니즘과 이것이 직접적인지 간접적인지를 결정하기 위해서는 추가 조사가 필요할 것"이라고 사이토는 말했다.

 

시험관 내 배우자 형성은 아직 초기 단계이며, 배워야 할 것이 많이 남아 있다. 그러나 실험실에서 만든 난자에서 이미 태어난 생쥐의 경우, 중요한 윤리적, 사회적 문제와 함께 이 분야가 빠르게 발전하고 있다는 것은 의심의 여지가 없다. 실험실에서 자란 배우자는 차세대 질병을 치료하기 위해 유전자 편집을 신속하게 실험할 수 있는 방법을 제공한다. 그러나 악명 높은 CRISPR 아기처럼 수정되면 유전적 변형을 자녀에게 물려줄 수 있는 능력을 갖춘 영구적인 유전자 편집 인간이 될 수 있다.

 

사이토는 위험을 잘 알고 있으며 공개 토론을 환영한다.

그는 "많은 과제가 남아 있으며 특히 인간 IVG(체외 생식세포 생성)의 임상 적용과 관련된 윤리적, 법적, 사회적 영향을 고려할 때 그 길이 확실히 길어질 것"이라고 말했다. "그럼에도 불구하고 우리는 이제 IVG를 생식 의학으로 전환하는 방향으로 중요한 도약을 이루었다."

이미지 출처: Gerd Altmann / Pixabay