단일세포 수준에 실시간 염색체 운동성 융합분석 기술 개발- 유전자 재조합 이상으로 발생하는 유전질환, 난임·불임의 진단․치료에 큰 기여

단일세포 수준에 실시간 염색체 운동성 융합분석 기술 개발- 유전자 재조합 이상으로 발생하는 유전질환, 난임·불임의 진단․치료에 큰 기여

 

등록일 2016-04-26

 

단일세포 수준에 실시간 염색체 운동성 융합분석 기술 개발

- 유전자 재조합 이상으로 발생하는 유전질환, 난임·불임의 진단․치료에 큰 기여 -

 

 

◇ 단일 염색체 운동성 추적 모니터링을 통해 염색체 운동성에 대한 다양성 분석

◇ 이창수 교수 연구팀, 세계적 융합기술 학술지 ‘랩온어칩’ 표지논문 게재

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 단일세포의 실시간 염색체 운동성* 분석을 이용하여 난․불임 치료를 할 수 있는 새로운 융합분석 원천기술을 확보했다고 밝혔다.

* 염색체 운동성 : 세포 분열 단계의 변화에 따른 염색체의 형상, 배열의 변화와 같은 운동 특성을 지칭함.

 

□ 이창수 교수(충남대) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계적인 학술지 랩온어칩(Lab on a chip) 4월 21일자에 표지논문으로 게재되었다.

 

o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

- 논문명 : Monitoring of Chromosome Dynamics of Single Yeast Cell in a Microfluidic Platform with Aperture Cell Traps

- 저자 정보 : 이창수 교수(공동 교신저자, 충남대), 이성식 박사(공동 교신저자, 스위스연방공과대), 김근필 교수(중앙대), 진시형(제1저자, 충남대)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 

1. 연구의 필요성

○ 2014년의 보건복지부의 발표에 따르면 최근 8년간 '난임·불임' 인구는 20만명 시대에 들어가고 있으며, 2014년 남성 불임은 최근 7년 동안 66.9%의 증가세를 보이고 있다.

 

○ 난임·불임은 생식세포 분열단계의 유전자 재조합* 과정에서 발생한 문제점으로 세포의 사멸과 변이에 의해 일어나며 어렵게 수정이 되더라도 발달단계에서 유산이 되기도 한다.

* 유전자 재조합 : 부계의 염색체와 모계의 염색체가 교환하여 새로운 유전자를 갖는 한 쌍의 상동염색체를 형성함

 

○ 따라서, 난임, 불임 및 염색체 이상 질환들을 극복하기 위해서는 반드시 유전자 재조합 과정에서 염색체 운동성에 영향을 미치는 원인을 규명하는 연구가 필요하다.

 

2. 연구 내용

○ 분화된 개개의 생식세포는 서로 다른 생물학적 활성을 갖기 때문에 단일세포 수준에서 세포를 분석할 수 있는 기술이 절대적으로 필요하다. 하지만 기존의 분석 방법은 기술적 한계로 인하여 단일세포 수준의 분석에 어려움이 따랐다.

 

○ 본 연구는 생식세포 분열과정 중 유전자 재조합 과정에서 단일 염색체 운동성을 단일세포 수준으로 장시간 분석할 수 있는 기술을 확립한 연구이다. 이 기술은 미세유체, 반도체, 광학 및 분자생물학 기술을 융합한 새로운 분석기술로 유전자 재조합 과정에서의 염색체 이상과 이의 운동성을 미세환경 내에서 분석할 수 있다.

 

○ 특히 백만분의 5m 크기의 세포를 관찰하기 위해 반도체 공학기술을 사용하여 미세유체칩을 제조․사용하였으며 관찰이 필요한 염색체의 운동성을 정확하게 확인하기 위해 형광표지법*을 활용하였다. 또한 광분석 기술을 통해 형광의 변화(염색체 운동성)를 실시간으로 자동 분석하였다.

* 형광표지법 : 분자생물학 기술을 이용하여 필요한 염색체만 형광(빛)이 나오게끔 유전자를 제어함

 

○ 이에 따라 기존의 기술로 해결하지 못했던 단일 세포내의 유전자 수선 및 재조합 기전에 대하여 단일세포 수준에서 단일 염색체의 운동성을 장기간 추적 모니터링이 가능해져 정교한 염색체의 운동성에 대한 통계적 다양성(stochastic variability) 분석을 수행할 수 있었다.

3. 연구 성과

○ 손상된 유전자 수선과정에서의 염기치환*, 삽입과 결실**을 예방하는 염색체의 안정성 기술개발을 위한 기반을 다지게 되었으며, 생식세포분열과정에서의 염색체 구조안정화 및 염색체 교차 기전 규명으로 유전자 재조합 단계에서의 발생된 유전질환, 불임, 그리고 암의 진단과 치료에 큰 역할을 할 것으로 기대한다.

* 염기치환 : DNA의 뉴클레오티드가 다른 퓨린, 피리미딘으로 치환되어 변형됨

** 염기삽입·결실 : DNA의 뉴클레오티드 쌍이 첨가되거나 제거됨

 

○ 또한 단일세포 염색체 수준의 분석이 어려운 기존 기술에서 소요되는 시간, 비용, 노동력을 대폭 절감시킬 수 있을 것으로 예상된다. 또한 현재 분석 기술의 한계로 개척하지 못한 새로운 분야에 대한 연구와 이에 대한 원천기술 확보 등 새로운 도전 가능성을 제시할 것이다.

 

 

 

□ 이창수 교수는“이 연구는 미세유체 기술 등 다양한 기술을 융합하여 단일세포 수준에서 생식세포 분열 단계의 염색체의 운동성에 대한 정량분석을 수행한 기술로 염색체 이상으로 인한 유전질환, 난임·불임의 진단 및 치료에 큰 기여를 할 것이다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

 

 

 

<참고자료> : 1. 연구결과 개요

2. 연구이야기

3. 용어설명

4. 그림설명

 

 

연 구 결 과 개 요

 

1. 연구배경

ㅇ 생명의 다양성에 기인하는 유전자 재조합 과정에서 발생된 문제점은 부모세대로부터 오는 각종 유전적 특징과 유전 질환의 원인으로 알려져 있다. 특히 다운증후군, 터너증후군, 그리고 뇌기능이상을 가진 태아는 생식세포분열 시 염색체의 비정상적인 분열 (aneuploidy)*에 의해 발생하게 된다.

* 염색체의 비정상적인 분열 (염색체 이수성, aneuploidy ): 생식세포 분열시, 염색체수가 반수체의 정확한 배수가 되지 않는 경우를 지칭함.

ㅇ 정소와 난소에서는 생식세포 분열 1단계와 2단계 과정을 거쳐 각각 반수체의 정자와 난자를 형성하게 된다. 이 과정에서 정자와 난자는 각각 모계 · 부계 염색체의 유전자 교환, 즉 유전자 재조합이 일어나 다양한 형질을 갖는 상동염색체*를 형성한다. 많은 경우 유전자 재조합 과정에서 야기된 문제점으로 세포의 사멸과 변이가 일어난다. 이로 인해 수정이 되지 않는 불임과 발달 단계에서 유산이 되나, 수정이 된 세포의 경우에는 다양한 유전질환을 유도하며 암세포로의 변이가 쉬운 형태로 성장하게 된다.

* 상동염색체 : 체세포 속에 모양과 크기가 같은 1쌍의 염색체를 말하며 사람의 상동염색체는 23개이다.(총 염색체 개수 46개) 수정 과정을 통해 하나는 모계로부터 다른 하나는 부계로부터 받는다.

ㅇ 따라서 불임 · 난임과 유전 질환의 극복을 위해서 유전자 재조합 과정에서의 염색체의 운동성 및 운동에 영향을 미치는 미지의 인자들을 규명하는 근본적인 연구가 필요하다.

ㅇ 염색체의 운동성을 보다 정확히 분석하기 위해서는 단일세포 · 염색체 수준의 분석이 필수적이다. 하지만 기존분석 방법은 기술적 한계로 인하여 세포 · 염색체의 미세한 크기, 외부 환경적 스트레스 민감성, 산소 요구성 등의 분석을 위한 기본 특성을 충족시킬 수 없었다. 따라서 단일세포 · 염색체 분석을 위한 새로운 기술 개발이 시급하다.

 

2. 연구내용

ㅇ 본 연구는 단일세포의 생식세포 분열과정 중 유전자 재조합 과정에서 염색체 운동성을 분석하고 염색체의 운동성에 영향을 주는 인자들을 규명하였다.

ㅇ ‘단일세포에서 실시간 염색체의 운동성 분석 기술’은 미세유체 기술을 기반으로 반도체 기술, 세포공학, 분자생물학, 및 광분석 기술을 융합한 통합 분석기술이다.

ㅇ 유체역학적 원리를 이용하면 단일 세포들을 미세구조물에 물리적으로 고정화시킬 수 있으며, 장시간 배양, 신속한 화학적 자극 주입이 가능하다. 고해상도 세포 및 생체분자 분석기술과 자동화된 제어 기술의 통합으로 고해상도 실시간 이미징 및 분석이 가능하고 이 통합 분석기술은 개개의 세포별 역동적인 염색체의 운동성을 보다 정확하고 편리하게 분석할 수 있다.

ㅇ 이번 연구는 인간의 세포와 유사한 생물학적 기전을 갖는 효모 모델을 이용하여 염색체의 운동성 연구를 수행하였다. 염색체 운동성은 체세포 분열 뿐 아니라 유전자 복제, 손상된 유전자 복구, 유전자 재조합 등의 생물학적 활동에 따라 변하는 양상을 보인다. 또한 태사기* 단계에서 염색체의 운동성은 염색체와 핵막, 액틴 필라멘트가 서로 연관되어 있음을 규명하였다.

* 태사기(pachytene) : 생식세포의 제 1감수분열에서 상동염색체간 대합이 완료되는 시기

ㅇ 특히 모계 염색체와 부계 염색체 상호간 교차하는 생식세포 분열의 태사기에 가장 활발한 염색체 운동성 특성을 보인다. 이를 활용하면 염색체 운동성이 활발한 세포를 선택적으로 고를 수 있으며, 더 나아가 운동성이 활발한 세포들을 이용하여 불임치료에 혁신적인 방법을 제시할 것으로 기대된다.

 

 

3. 기대효과

ㅇ 본 연구를 통해 손상된 유전자 수선과정에서의 염색체의 안정성 기술개발을 위한 기반을 다지게 되었으며, 생식세포분열과정에서의 염색체 구조안정화 및 염색체 교차 기전 규명으로 염색체 불안정화 단계에서의 발생된 유전질환, 불임, 그리고 암의 진단과 치료에 큰 역할을 할 것으로 기대한다.

ㅇ ‘단일세포에서 실시간 염색체 운동성 분석 기술’은 기존의 연구방법에서 소요되는 시간, 비용, 노동력을 대폭 절감시킬 수 있을 것으로 예상된다. 또한 현재 분석 기술의 한계로 개척하지 못한 새로운 원천기술, 기초학문 및 연구분야에 새로운 도전 가능성을 제시할 것이다.

 

 

 

★ 연구 이야기 ★

 

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 

연구실 보유 기술의 역량이 증가함에 따라서 보유 기술을 통해 사회적 문제들을 해결하는 ‘재능기부’에 대한 갈망이 생기게 되었다. 언론 매체를 통해 노화, 불임, 독감바이러스, 불임 등 국가가 직면한 사회적 문제들에 대한 관심이 생겼고, 이중 불임 치료에 기여하고자 연구를 시작하게 되었다.

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

이 연구는 중앙대 김근필 교수, 스위스 연방공과대 이성식 박사, 진시형, 장성찬 박사과정 학생이 주도하여 실험을 진행하였다. 난임·불임의 주요 원인은 유전자 재조합 과정에서 염색체의 운동성에 의해 발생함을 발견한 후, 이에 대한 근본적인 분석 기술을 개발하고자 실험을 진행하게 되었다.

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

동일한 유전 정보를 갖는 세포라 할지라도 서로 다른 세포 활성을 갖을 수 있음을 발견하였다. 따라서 세포 개개별로 분석하는 단일세포 수준의 분석의 필요성을 절실히 체감하게 되었다. 미세유체 기술을 통해 미세구조물을 두어 세포를 물리적으로 가두었으며, 이 때 세포가 물리적인 자극에 의한 부정적인 영향을 배제하기 위해서 미세구조물의 모양, 세포 배양액의 주입 속도 및 방향, 실험 온도 등의 여러 변수를 제어하였다. 여러 시행착오 끝에 장시간 단일세포를 배양 할 수 있는 환경을 만들 수 있었으며, 공학적 분자생물학적 기술들의 융합을 통해 단일세포 분석 기술을 개발할 수 있었다.

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

종래 기술로는 불가능 하였던 단일세포 수준의 분석기술을 확보하였다. 이 기술로 단일세포에서 염색체의 운동성을 정량적으로 분석할 수 있었다. 또한 염색체의 운동성에 영향을 미치는 인자들을 규명하였다. 이번 연구는 단일세포 수준의 정밀한 분석이 가능함에 따라 불임 연구 뿐 아니라 약물탐색, 약물작용점, 항노화 식품군 개발에도 응용이 가능할 것으로 기대한다.

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

 

본 연구가 불임 연구뿐 아니라 다른 사회적 문제들의 해결에 이바지 할 수 있는 생물학적·의학적 통합 분석기술의 초석으로 만들고 싶다. 본 연구에서 확보한 원천기술을 토대로 불임연구의 치료법 개발과 생물학적 기전연구를 수행하고자 한다.

 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

 

실험에 사용된 효모 균주들은 중앙대학교 김근필 교수님께서 제공해주셨다. 이 효모 균주들은 특정 생체분자, 단백질을 가시화하기 위해서 유전 공학적으로 제어되었다.

 

 

용 어 설 명

 

 

1. 랩온어칩 (Lab on a chip) 학회지

○ 영국 왕립 화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간한 세계적 융합기술 권위지. (Impact Factor: 6.115, 2014년 기준)

 

2. 염색체 (Chromosome)

○ 세포 분열시 세포 핵 속에 나타나는 굵은 실타래의 구조물.

○ 염색사가 응축된 형태이며 유전물질을 담고 있음.

 

3. 염색체 운동성 (Chromosome dynamics)

○ 세포 분열 단계의 변화에 따른 염색체의 형상, 배열의 변화와 같은 운동 특성을 지칭함.

 

4. 유전자 재조합

○ 부계의 염색체와 모계의 염색체가 교환하여 새로운 유전자를 갖는 한 쌍의 상동염색체를 형성함.

 

5. 염기치환

○ DNA의 뉴클레오티드가 다른 퓨린, 피리미딘으로 치환되어 변형됨.

 

6. 염기삽입·결실

○ DNA의 뉴클레오티드 쌍이 첨가되거나 제거됨

 

7. 염색체 이수성 (aneuploidy)

○ 생식세포 분열시, 염색체수가 반수체의 정확한 배수가 되지 않는 경우를 지칭함.

 

8. 상동염색체

○ 모양과 크기가 같은 1쌍의 염색체.

 

9. 태사기(pachytene)

○ 생식세포의 제 1감수분열에서 상동염색체간 대합이 완료되는 시기.

 

10. 미세유체 기술

○ 반도체 제조공정을 이용하여 수백만분의 1m 수준의 미세구조를 제작할 수 있는 기술

○ 미세구조에서 극소량의 유체, 세포 등의 거동특성을 분석하는 기술

 

11. 효모 (yeast, Saccharomyces cerevisiae)

○ 진핵생물의 생물학적 기전연구의 대표적인 모델균주

○ 세포주기가 짧고 유전자 제어가 용이함

 

그 림 설 명

 

그림 1. 단일세포에서 실시간 염색체 운동성 분석 기술 개념도

미세유체, 반도체, 광학등의 공학적 기술과 생화학, 유전학 등의 분자생물학적 기술을 융합하여, 단일세포 내 단일 염색체의 운동성을 실시간 분석 할 수 있으며 또한, 염색체의 운동성에 영향을 주는 인자를 규명할 수 있는 새로운 융합 분석기술이다.