줄기세포로 정자 만든다…실험실에서 인공 정자 구현 성공

미국 펜실베이니아대 연구팀, 혈액 세포로 만든 줄기세포 활용
줄기세포에서 정자 전 단계 세포 배양 성공
고환 발달 과정도 실제와 유사하게 재현… “난임 치료 가능성 확인”

미국 연구팀이 사람의 혈액세포를 줄기세포로 되돌린 뒤 정자로 자라기 직전 단계까지 성장시키는데 성공했다. 사진은 유도만능줄기세포(iPS세포)로 정자 세포가 생성되고 이식되는 과정｜출처: ChatGPT 생성

미국 연구팀이 실험실에서 인간의 혈액 세포를 이용해 정자를 만들어내는 데 성공했다. 펜실베이니아대 의과대학 연구팀은 혈액에서 얻은 인간 세포를 유도 만능줄기세포(iPS세포)로 얻은 뒤 이를 생식세포 계열로 분화시켜 인공 고환 형태의 조직을 만들어 생쥐 신장에 이식했다. 이번 연구 결과는 남성 난임 연구와 치료법 개발에 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 의의가 크다. 

정자는 줄기세포에서 시작해 여러 발달 단계를 거쳐 수개월에 걸쳐 완성된다. 지금까지는 사람에서 이러한 과정을 실험실에서 재현하기 어려웠다. 줄기세포를 단순히 배양액에 넣어두는 기존 방식으로 세포가 정자로 자라지 못하고 중간에 사멸되기도 했다. 

연구팀은 iPS세포에서 나온 정자 전 단계 세포를 고환 세포와 섞은 다음, 생쥐 신장에 이식했다. 그러자 세포들은 실제 사람 몸속에서처럼 단계적으로 성장해 정자가 되기 전 단계까지 발달했다. 인간의 줄기세포와 쥐의 고환 세포가 한곳에 어우러져, 인공 고환 조직을 구축해낸 것이다. 인공 환경 속에서 인간 줄기세포는 서서히 정자의 모습을 갖춰갔다.  이식 6개월이 지나자 세포들은 유전자가 절반으로 줄어드는 감수분열 과정을 시작했고, 마침내 꼬리가 달린 성숙한 정자가 되기 바로 직전 단계까지 도달했다. 

특히 유전자 활동을 비교한 결과, 실험실에서 만든 세포는 실제 사람 고환 속 세포와 매우 높은 수준으로 일치했다. 정자가 되기 직전 단계에서는 두 세포의 유전자 발현이 거의 동일한 수준을 보였다.

또한 이러한 방법으로 얻을 수 있는 생식세포 수도 크게 늘었다. 기존 연구에서는 한 번의 실험으로 수백 개 정도의 세포를 얻는 데 그쳤지만, 이번 연구에서는 약 10배 많은 약 3,000개의 세포를 확보할 수 있었다. 덕분에 정자가 만들어지는 과정을 더 자세히 연구할 수 있는 기반도 마련됐다. 

연구팀은 "비타민 A 대사산물인 레티노산(retinoic acid) 신호를 억제하자 생식세포의 분화도 감소했다"며 "실험실에서 만든 세포가 단순히 모양만 비슷한 것이 아니라 실제 정자 형성 과정에서 나타나는 중요한 생물학적 특징도 갖추고 있다"고 했다. 

연구의 교신 저자인 코타로 사사키(Kotaro Sasaki) 교수는 "이번 연구는 사람과 영장류의 정자 형성 과정을 연구할 수 있는 새로운 모델을 마련했다"며 "앞으로 남성 난임의 원인을 밝히고 새로운 치료법을 개발하는 데 중요한 기반이 될 것"이라고 밝혔다. 

다만 연구팀은 이번 연구가 완전한 정자를 만드는 데 성공한 것은 아니라는 점도 함께 강조했다. 현재는 정자가 되기 직전 단계까지만 성장했으며, 이후 완전한 정자로 발달하기 위해서는 호르몬 환경이나 체온, 사람 고환 세포가 아닌 생쥐 고환 세포를 사용한 점 등을 더 정확하게 구현하는 연구가 필요하다는 것이다. 

이번 연구 결과(Generation of spermatogonia from human and non-human primate pluripotent stem cells: 인간 및 비인간 영장류 다능성 줄기세포로부터 정원세포 생성)는 2026년 7월 11일 줄기세포 분야를 다루는 국제학술지 '셀스템셀(Cell Stem Cell)' 에 게재됐다.

신자영 기자 hidoceditor@mcircle.biz