혈액세포로 인간 정자·난자 배양… “불임 치료 새 희망”

일본 교토대, 유도만능줄기세포로 정자와 난자 전 단계까지 발달시켜

정자와 난자./미국임신협회

일본 과학자들이 사람 혈액세포로 만든 줄기세포를 정자와 난자로 자라게 하는 데 성공했다. 지금은 정자, 난자의 전단계 세포지만, 연구가 발전하면 암치료나 폐경으로 정자, 난자를 생산하지 못하는 불임(不妊) 남녀도 아기를 가질 수 있을 것으로 기대된다.

사이토 미치노리 일본 교토대 교수 연구진은 지난 21일 국제 학술지 네이처에 “인간 유도만능줄기세포(iPS세포)를 정자와 난자의 전 단계 세포로 배양하는 방법을 개발했다”고 밝혔다.

정자와 난자가 만난 수정란에 있는 배아줄기세포는 인체의 모든 세포와 조직으로 자란다. iPS세포는 피부세포나 혈액세포처럼 이미 다 자란 체세포에 특정 유전자나 단백질을 넣어 발생 초기의 배아줄기세포 상태로 만든 것이다.

사이토 교수는 2012년 세계 최초로 생쥐의 iPS세포로 난자를 만들어 인공수정하는 데 성공했다. 체세포인 피부세포에서 생식세포인 난자를 만들어낸 첫 사례였다.

연구진은 생쥐의 난자와 정자를 만들었던 방식을 그대로 인간 세포에 적용했다. 일단 체세포로 iPS세포를 만들고 원시생식세포까지 분화시켰다. 그 뒤 난소세포와 함께 난소에 이식하는 방식이다. 쥐에서는 세포를 이식한 지 4주 만에 원시생식세포가 난자로 성장했다. 하지만 인간 세포는 해당 방식이 작동하지 않았다.

연구진은 유전자가 DNA 염기서열이 바뀌지 않아도 주변 환경이나 노화에 의해 기능이 달라지는 이른바 ‘후성유전’에 주목했다. 인간의 체세포에 남은 후성유전 흔적을 지워 태어날 때 상태로 만들면 쉽게 정자나 난자와 같은 생식세포로 분화시킬 수 있다고 예상했다.

먼저 인간 혈액세포로 만든 iPS세포를 원시생식세포로 자라게 한 뒤, 뼈 형성 단백질인 ‘BMP2′를 추가했다. BMP2는 세포 분화 과정에도 관여하는 것으로 알려져 있다. 실제로 BMP2를 넣으면 다른 세포보다 더 빨리 분화했다. 후성유전의 흔적 역시 상당 부분 사라진 것을 확인했다.

BMP2 단백질을 넣은 인간 iPS세포는 정자, 난자의 전 단계인 정원세포와 난원세포 단계까지 분화했다. 앞서 2014년 영국과 이스라엘 과학자들이 인간 피부세포로 만든 iPS세포를 원시생식세포까지 분화시켰다. 이번에는 그보다 한 단계 더 나간 것이다.

다만 이번에도 최종 생식세포인 정자나 난자까지 분화시키지는 못했다. 연구진은 “세포에 아직 후성유전 흔적이 남아있어 생식세포로 역분화하는 데 필수적인 유전자가 모두 작동하지 못한 것 같다”며 “보완할 부분이 있으나, 이번 연구는 실험실에서 생식세포를 만드는 연구의 중요한 전환점이 될 것”이라 설명했다.

연구진은 앞으로 생식세포 분화 방식을 계속 개선하겠다고 밝혔다. 사이토 교수는 “5년 정도 지나면 기술이 더 개선돼 불임으로 고생하는 사람들에게 희망을 줄 수 있을 것”이라며 “정자와 난자에서 질병을 일으키는 유전자도 수정할 수 있을 것”이라 말했다.

참고 자료

Nature(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07526-6

Cell(2014), DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.12.013

Science(2012), DOI: https://doi.org/10.1126/science.1226889

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