인체는 놀랍도록 역동적이며 나이가 들어감에 따라 내부에서 외부로 재구성됩니다. 줄기세포, 특히 혈액 세포로 발달하는 미성숙 세포인 조혈 줄기세포 (HSC)로 구성된 혈액계를 예로 들어 보겠습니다. 나이가 들어감에 따라 이 세포는 약육강식의 사고방식을 보이며 주변 혈액 세포와 경쟁합니다. 더 강한 세포는 점차 스스로를 복제하여 혈액 생산을 장악하고 혈액계의 다양성을 최소화합니다. Nature 저널에 발표된 새로운 연구에서는 이 과정을 조사하여 노화 과정에서 줄기세포의 다양성이 감소하면 잠재적으로 해로운 골수 세포가 무분별하게 생성될 수 있는 방법을 탐구합니다.
인간 혈액계에서의 클론 행동
이 연구는 바르셀로나의 유전체 조절 센터(CRG) 에서 수행되었습니다. 발표된 자료는 인간 DNA에 기록된 “바코드” 에 초점을 맞추고 있으며, 이는 CRG 팀이 혈액 시스템에서 줄기세포의 복제 특성을 평가하는 데 도움이 되었습니다.
이 연구의 공동 교신저자인 라스 벨텐 박사는 “혈액 줄기세포는 생존을 위해 경쟁한다” 고 설명했습니다. 그는 이어서 “젊은 시절에는 이러한 경쟁을 통해 풍부하고 다양한 생태계가 형성되지만, 노년기에는 일부가 완전히 탈락합니다. 그 자리를 몇몇 줄기세포가 이어받게 되고, 이들은 이를 보상하기 위해 더욱 열심히 일합니다. 이는 다양성을 감소시켜 혈액 시스템의 회복력에 좋지 않습니다.” 다시 말해, 혈액계는 나이가 들면서 특정 줄기세포의 복제품이 지배하게 되는 변화를 겪게 됩니다. 벨텐의 연구팀은 노화 과정에서 이러한 줄기세포가 만성 염증과 관련된 면역 세포인 골수 세포를 생성하는 것을 선호하는 경향이 있음을 관찰했습니다. 이 발견을 위해 연구팀은 창의력을 발휘해야 했습니다.
혈액 시스템 유전자 조작
CRG의 발표에 따르면, 과학자들은 “이번 발견을 위해 오랜 기술적 난제를 해결해야 했다” 고 합니다. 노화 과정에서 특정 줄기세포가 어떻게 혈액 생산을 대신하는지 평가하기 위해 연구팀은 각 개별 혈액 세포를 원래 줄기세포로 되돌아가 추적해야 했습니다. 이론적으로 이 과정을 위해서는 인간의 DNA를 유전적으로 변형해야 하는데, 이는 비윤리적이고 논리적으로 불가능한 작업입니다. 대신 연구팀은 DNA에 부착된 메틸화 마크의 후성유전학적 변화인 에피뮤테이션에 주목했습니다. 발표문은 이렇게 설명합니다: “줄기세포가 분열할 때 메틸화 마크는 딸 세포에 복사되어 영구적이고 자연스러운 ‘바코드’ 를 남기고, 연구자들은 이를 ‘스캔’ 하거나 판독하여 가계도에서 각 세포의 위치를 도표화할 수 있습니다.” 이러한 바코드를 판독하기 위해 연구자들은 독자적인 기술을 개발해야 했습니다.
에피-클론 기술과 클론 확장
궁극적으로 연구팀은 메틸화 바코드를 판독하기 위해 EPI-Clone이라는 새로운 기술을 개발했습니다. 연구팀은 기존의 단일 세포 시퀀싱 플랫폼을 사용하여 생쥐와 인간 피험자 모두에서 혈액 생성의 역사를 재구성했습니다. 이를 통해 연구팀은 어떤 줄기세포가 장기간에 걸쳐 혈액 세포를 생성할 수 있을 만큼 경쟁력이 있는지 추적할 수 있었습니다.
결과는 매우 흥미로웠습니다. 연구팀은 나이든 쥐를 연구한 결과, 혈액 줄기세포의 최대 70%가 단 수십 개의 큰 클론에 속한다는 사실을 발견했습니다. 인간을 연구한 결과, 연구팀은 50세 전후로 더 큰 클론이 혈액 시스템을 장악하기 시작한다는 사실을 발견했습니다.
인간과 생쥐 모두에서 전체 HSC의 최소 1%를 개별적으로 구성하는 클론으로 정의되는 많은 대형 클론은 만성 염증과 관련된 골수성 세포 생산에 선호되는 것으로 나타났습니다. 과학자들은 인간에게서 골수성 편향 줄기세포를 제거할 수 있는 방법을 찾을 수 있을까요? 이 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 하지만 에피-클론 기술은 자연적으로 발생하는 “바코드” 를 활용하여 해결책을 찾을 수 있습니다.
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에피-클론 기술은 아직 새로운 기술이지만, 향후 연구 결과는 노년층을 위한 예방 치료의 길을 열어줄 수 있습니다. 예를 들어, 임상의는 환자의 혈액 줄기세포 풀을 모니터링하여 위험한 줄기세포 클론이 빠르게 확장되는지 확인할 수 있습니다. 이는 만성 질환에 걸리기 쉬운 고령자에게 보다 긍정적인 결과를 제공할 수 있습니다.
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