건국대학교 KU융합과학기술원 줄기세포재생공학과 도정태 교수 연구팀(공동 제1저자 최준혁 석사과정, 서봉종 박사과정)은 착상 전 초기 배아인 배반포에서 유래한 세 종류의 줄기세포(배아줄기세포, 영양막줄기세포, 원시내배엽줄기세포)를 만들고, 이 세 줄기세포의 미토콘드리아 형태와 에너지 대사의 차이점, 유전자 발현 패턴의 차이을 규명했다고 3일 밝혔다.
<사진 : 도정태 교수, 최준혁 석사과정, 서봉종 박사과정>
이번 연구는 과학기술정보통신부 선도연구센터(SRC) 지원사업과 바이오의료기술개발사업의 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 생화학 및 분자생물학 분야 10% 이내(인용지수 if 7.793) 저명 국제 전문 학술지인 레독스 바이올로지(Redox Biology) 2월호에 게재됐다. [논문제목]: 배반포 유래 세 가지 줄기세로의 미토콘드리아 형태, 에너지 대사, 유전자 발현 패턴 비교 연구 (Comparative analysis of the mitochondrial morphology, energy metabolism, and gene expression signatures in three types of blastocyst-derived stem cells)
건국대 도정태 교수팀이 착상 전 초기 배아(배반포)에서 수립한 배아줄기세포(ES cells), 영양막줄기세포(TS cells), 원시내배엽줄기세포(XEN cells) 등 세 가지 타입의 줄기세포는 각기 다른 분화능과 특징을 지니고 있다. 연구팀은 이들의 미토콘드리아 형태의 차이점과 에너지 대사의 차이점 등을 규명했다.
배아줄기세포 및 영양막줄기세포는 동그란 모양의 미성숙한 형태의 미토콘드리아를 지니고 있으며, 원시내배엽줄기세포는 다른 두 가지 줄기세포보다 상대적으로 긴 형태의 성숙한 미토콘드리아 형태를 가지고 있었다.
미토콘드리아는 세포가 필요한 ATP를 생산하는 역할을 하기 때문에, 미토콘드리아 형태가 다른 줄기세포에서의 에너지 대사에 차이가 있었다. 세포에서 ATP를 생산하는 방법은 크게 두 가지로 해당작용과 산화적인산화반응(전자전달계)이다. 해당작용은 세포질에서 일어나며, 전자전달계는 미토콘드리아에서 일어나는 반응이다. 상대적으로 성숙한 모양의 미토콘드리아를 지닌 원시내배엽줄기세포는 주로 미토콘드리아에 의한 산화적인산화반응을 이용하여 ATP를 생산하며, 영양막줄기세포는 주로 해당작용을 통해 ATP를 생산한다는 것을 규명하였다.
또 건국대 연구팀은 세 가지 줄기세포에서 생산되는 ATP양을 측정하였는데, 가장 많은 ATP를 생산하는 줄기세포는 영양막줄기세포이며, 가장 적은 ATP를 생산하는 줄기세포는 배아줄기세포임을 밝혔다.
배아줄기세포와 영양막줄기세포가 미토콘드리아 모양이 비슷한데도 불구하고 ATP 생산량에서 4배 가까운 차이가 났다.
서봉종 박사과정생은 “이는 미토콘드리아 형태보다는 세포 타입 및 기능에 따라 ATP 요구량 및 생산량이 결정될 수 있다는 것을 나타낸다”며 “또한, 초기 발달 단계에 있는 다양한 세포의 에너지 대사는 단순 해석이 어려울 수 있다는 것을 시사한다”고 말했다.
용어설명: 줄기세포 생물학(라이프사이언스 출판사)에서 인용
[배반포(blastocyst)]: 정자와 난자의 수정에 의해 형성된 수정란은 하나의 세포로부터 난할을 통해 약 100개정도의 세포로 이루어진 배반포로 발달한다. 초기 배반포는 내부세포덩어리(ICM)와 영양막(trophectoderm)으로 이루어져 있으며, 후기배반포로 발달하면서 ICM은 다시 배반엽상피(epiblast)와 원시내배엽(primitive endoderm)으로 발달한다. 따라서, 후기 배반포는 착상 전 배아의 마지막 단계이며,배반엽상피(epiblast), 원시내배엽(primitive endoderm), 영양막(trophectoderm), 이렇게 세 가지의 세포 타입으로 이루어져있다.
[배아줄기세포(ES cells), 영양막줄기세포(TS cells), 원시내배엽줄기세포(XEN cells)]: 배아줄기세포(ES cells)는 배반포의 ICM, 더 정확히 말하면 후기배반포의 배반엽상피(epiblast)에서 유래된 줄기세포로, 몸을 이루는 모든 조직 세포로 분화가 가능한 만능줄기세포이다. 영양막줄기세포(TS cells)는 배반포의 영양막(trophectoderm)에서 유래된 줄기세포로 배아외 조직(extraembryonic tissue)으로 분화가 가능한 다능성줄기세포(multipotent stem cell)이다. 원시내배엽줄기세포(XEN cells)는 원시내배엽(primitive endoderm)에서 유래된 줄기세포로 난황막(yolk sac)으로 분화할 수 있는 다능성줄기세포(multipotent stem cell)이다.
교신저자: 도정태 (건국대학교 줄기세포생물학과 교수, dojt@konkuk.ac.kr)
공동 제1저자: 최준혁 (건국대학교 줄기세포생물학과 석사과정), 서봉종 (건국대학교 줄기세포생물학과 박사과정)
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