2.7: 줄기 세포 생물학 소개

이름에서 알 수 있듯이, 줄기세포는 다양한 유형의 세포가 "줄기"를 형성하는 전구체입니다. 그들은 효능 또는 세 가지 배아층 모두에서 세포로 분화할 수 있는 능력뿐만 아니라 재생성 또는 더 많은 줄기세포를 생성할 수 있는 능력을 특징으로 합니다. 발생 생물학 및 재생 의학 분야의 발전을 희망하며 줄기세포 연구자들은 이 독특한 세포가 어떻게 그러한 주요 위업을 달성하는지 이해하기 위해 노력하고 있습니다.

이 비디오는 줄기세포 생물학 분야의 주요 발견, 이 분야의 과학자들이 묻는 주요 질문, 줄기세포 연구자들이 사용하는 저명한 방법, 줄기 세포 연구의 응용.

줄기 세포의 개념을 소개했으니 이제 줄기 세포 연구의 풍부한 역사에 대해 알아보겠습니다.

1960년대에 어니스트 맥컬럭(Ernest McCulloch) 박사와 제임스 틸(James Till) 박사는 성체 포유류의 골수에서 조혈줄기세포가 존재한다는 최초의 결정적인 증거를 발견했습니다. 이 세포는 자가 재생 능력이 있고 다분화능(multipotent)인데, 이는 여러 가지 제한된 유형의 세포, 즉 혈액 세포와 면역 체계의 세포로 분화할 수 있음을 의미합니다.

1988년, 어빙 와이즈먼(Irving Weissman)과 동료들은 쥐의 골수에서 조혈 줄기세포를 정제하는 방법을 완성했습니다.

1981년에 게일 마틴 교수는 "배아 줄기 세포"라는 용어를 만들었다. 조혈모세포와 달리, 배아줄기세포는 만능세포로, 신체의 모든 유형의 세포로 분화할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 그녀와 과학자 마틴 에반스(Martin Evans) 및 매튜 카우프만(Matthew Kaufman)은 동시에, 그러나 별도로 쥐 배반포에서 내부 세포 덩어리를 추출하여 줄기세포로 체외에서 배양하는 방법을 개발했습니다.

1998년, 쥐 배아 줄기 세포를 분리한 지 10여 년 후, 제임스 톰슨(James Thomson) 박사는 최초의 인간 배아 줄기 세포주를 확립하는 데 성공했습니다.

2006년, 야마나카 신야 박사가 고안한 유도만능줄기세포의 출현으로 큰 돌파구가 생겼습니다. John Gurdon의 연구를 바탕으로 Yamanaka는 레트로바이러스를 사용하여 현재 "Yamanaka factor"로 알려진 작은 전사 인자 집합의 발현을 유도함으로써 분화된 세포를 만능 상태로 재프로그래밍하는 방법을 개발했습니다. 그 결과로 생성된 세포는 "유도 만능 줄기 세포" 또는 "iPSC"로 명명되었습니다. 이러한 실험은 매우 근본적으로 중요한 것으로 간주되어 Yamanaka와 Gurdon은 2012년 노벨상을 수상했습니다.

현재 우리는 여러 인간 질병에 대한 iPSC 모델과 여러 조직의 재생 플랫폼을 보유하고 있습니다.

오늘날 줄기세포 연구는 몇 가지 중요한 질문에 의해 주도되고 있습니다.

이러한 질문 중 가장 중요한 것 중 하나는 줄기세포가 어떻게 다능성과 재생성을 유지하는가 하는 것입니다. 이러한 특성을 부여하는 줄기세포에는 두 가지 관련 특성이 있습니다. 첫 번째는 줄기형성(stemness)과 자기재생(self-renewal)에 필수적인 특정 유전자의 발현입니다. 두 번째는 이러한 유전자의 발현에 영향을 미치는 조절 요인에 대한 줄기세포의 반응입니다.

다음 논리적 질문은 줄기세포의 분화가 어떻게 지시되는가 하는 것입니다. 줄기세포가 성숙한 세포로 발달함에 따라 특정 분화 경로의 활성화는 유전자 발현의 변화를 유도하여 줄기세포 유전자를 끄고 조직 특이적 유전자를 활성화하여 세포 기능 및 형태의 전문화를 증가시킵니다.

마지막으로, 줄기세포 연구 자금 지원을 주도하는 주요 질문, 즉 줄기세포를 질병 치료에 사용할 수 있는지에 대해 알아보겠습니다. 재생 의학은 두 가지 방법으로 이 문제를 해결하고 있습니다: 1) 실험실에서 장기를 재생하는 방법, 2) 조직 퇴행을 치료하기 위해 이식을 통해 줄기세포를 전달하는 것입니다.

줄기세포 생물학에 관한 몇 가지 주요 질문을 제시했으므로 이제 이를 해결하는 데 사용되는 몇 가지 눈에 띄는 방법을 살펴보겠습니다.

마이크로어레이 기술을 사용하여 줄기세포에서 어떤 유전자가 효능과 재생성을 부여하는지 발견할 수 있습니다. 이 기술에서는 총 RNA를 세포 집단에서 분리하여 현재 유전자 발현의 스냅샷 역할을 합니다. 일련의 단계를 통해 이 mRNA는 형광 표지된 프로브로 변환되고 전체 인간 게놈의 전사체를 포함하는 칩으로 혼성화됩니다. 이 칩을 스캔하면 상대적인 유전자 발현 프로파일을 판독할 수 있습니다. 보다시피, 줄기세포는 분화된 세포와는 다른 특정 유전자 세트를 발현한다.

다능성 유전자에 대한 또 다른 분석법은 Oct4-GFP 검출 시스템과 관련이 있습니다. Oct4는 자가 갱신에 필요하며 차별화 중에 빠르게 하향 조정됩니다. 따라서 그 표현은 "줄기성"의 신뢰할 수 있는 지표 역할을 합니다. 이 실험에서 세포는 Oct4 프로모터의 제어 하에 녹색 형광 단백질을 발현합니다. 그런 다음 이러한 세포를 실험적으로 조작할 수 있으며 GFP 발현의 변화를 분석하여 자가 재생을 조절하는 새로운 유전자 또는 용해성 인자를 식별합니다.

in vitro에서 줄기세포를 연구하기 위해서는 먼저 줄기세포를 배양하는 방법을 이해해야 합니다. 줄기세포는 줄기세포성을 유지하기 위해 특정 미세환경을 필요로 합니다. 이는 줄기세포를 마우스 배아 섬유아세포(MEF)와 같은 공급세포와 함께 배양함으로써 달성할 수 있습니다. MEF는 필요한 다능성과 자가 재생 요인의 복잡한 혼합물을 분비합니다.

때때로, 줄기세포를 먹이 없이 배양하는 것이 바람직합니다. feeder-free 세포주를 유지하는 주요 방법은 세포 배양 배지에 성장 및 억제 인자의 저장 시약을 보충하는 것입니다.

in vitro 줄기세포 분화는 여러 가지 방법을 사용하여 수행됩니다. 차등 유전자 발현은 궁극적으로 세포의 분화에 대한 책임이 있습니다. 여기에서 볼 수 있는 2단계 방법에서, 배양된 마우스 배아 줄기 세포는 운동 뉴런 유도 배지로 더 분화되기 전에 뉴런 운명을 위해 준비됩니다. 이러한 요인은 유전자 발현의 특정 경로를 활성화하여 운동 뉴런의 특징인 형태학적 및 단백체학적 변화를 일으킵니다.

전통적인 체외 분화의 주요 단점 중 하나는 평판이 세포의 3D 성장을 제한한다는 것입니다. 행잉 드롭 방법과 마이크로캡슐 방법은 이러한 문제를 우회합니다. 행잉 드롭 기법에서는 줄기세포 현탁액의 작은 방울을 페트리 접시의 뚜껑에 도금하고 거꾸로 배양하여 배아체로 알려진 줄기세포의 응집체를 형성합니다.

마이크로 캡슐화 방법에서 줄기 세포는 알긴산(alginate)이라는 생체 적합성 반투막과 혼합되어 세포 배양 플레이트에 비드로 증착됩니다. 두 방법 모두 도파민 뉴런 및 심근세포와 같은 특수 세포로 추가로 분화할 수 있습니다.

분화를 지시하는 방법을 아는 것은 재생 의학에서 줄기세포를 사용하기 위한 중요한 단계입니다. 줄기세포 이식 요법은 줄기세포로 손상된 조직을 복구하여 퇴행성 질환을 치료하고 치료하는 것을 목표로 합니다. 이 실험에서는 환자의 체세포를 Yamanaka 인자의 렌티브럴 감염을 통해 iPS 세포로 재프로그래밍합니다. 만능 상태에서 세포는 특정 세포 유형으로 분화되고 손상된 조직을 복구하기 위해 숙주로 돌아갑니다.

이제 줄기세포를 조사하는 데 사용되는 몇 가지 방법을 알았으므로 이러한 방법이 특정 실험에 어떻게 적용되는지 살펴보겠습니다.

다발성 경화증의 마우스 모델을 사용하는 이 실험에서는 신경 줄기세포를 영향을 받은 마우스에 정맥 주사합니다. 이식의 성공 여부를 평가하기 위해 치료된 쥐의 뇌 절편을 수집하고 현미경으로 이미지화합니다. 공여자 신경 전구 세포에서 유래한 세포는 리포터 유전자 LacZ를 사용하여 추적됩니다. 보시다시피, 많은 기증자 줄기세포가 분화되어 병에 걸린 쥐의 중추 신경계에 통합되었습니다.

모든 질병이 전신 주사로 치료될 수 있는 것은 아닙니다. 예를 들어, 연골 부상은 주변을 재건하기 위해 특수 비계가 필요합니다. 이 실험에서는 중간엽 줄기세포와 응고 인자의 혼합물을 함께 배양하여 응고를 형성합니다. 그런 다음 혈전을 토끼의 손상된 무릎 연골에 넣고 통합시킵니다. 이 절차에 따라 무릎 연골이 매끄럽고 기능적인 관절로 리모델링되는 것을 관찰할 수 있습니다.

때로는 줄기세포 연구자와 조직 엔지니어가 팀을 이루어 전체 장기를 재건하기도 합니다. 이 실험에서는 영장류의 폐를 세척하여 장기를 탈세포화하고 비세포 구조 구성 요소만 남깁니다. 그런 다음 이 "유령" 폐는 생물반응기로 옮겨져 혈관 및 상피 줄기 세포가 파종됩니다. 자연 폐가 경험하는 압력과 거동을 더욱 모방하기 위해 생물반응기는 매체를 순환시키고 압력과 가스 수준을 유지하며 폐를 팽창시킵니다.

방금 JoVE의 줄기세포 생물학 개요를 시청하셨습니다. 요약하자면, 이 비디오에서는 줄기세포와 줄기세포의 역사, 유지 관리, 분화 및 전달 방법, 줄기세포 응용에 대해 논의했습니다. 시청해 주셔서 감사합니다!