인간의 기관을 만드는 모든 세포는 줄기세포에서 온다. 줄기세포는 끊임없이 분화하는데 이렇게 분화된 세포는 특별한 기능을 가진 조직세포로 발달하면서 인체의 다양한 장기를 만든다.

두뇌를 만들고, 허파나 골수가 탄생하는 식이다. 그러나 나이가 들면 살아있는 기관의 줄기세포는 증식력을 잃어간다. 줄기세포 중 많은 부분은 영구적인 정지 상태로 빠져든다.

줄기세포의 활력을 되찾아주면 노화를 방지하거나 늦출 수 있으므로 다양한 치료와 미용에 이용된다.

과학자들이 나이 든 쥐의 뇌에 있는 줄기세포를 젊어지게 하는데 성공했다.  활기를 되찾은 줄기세포는 손상되거나 질병에 걸린 늙은 쥐의 두뇌 재생을 증진시킨다.

룩셈부르크 대학교 시스템바이오메디신센터(LCSB)와 하이델베르크대학교 독일암연구센터(DKFZ)는 나이 든 쥐의 뇌에 있는 줄기세포를 젊게 만들었다고 1일 과학저널 셀(Cell) 1일 자에 발표했다.

쥐도 늙으면 뇌 속의 줄기세포가 급격하게 기능이 떨어진다. 이런 비상상황이 되면 쥐는 남아있는 뇌라도 보호하려는 장치를 가동한다. 연구팀은 “뇌가 일종의 동면 상태로 들어감으로써, 뇌는 완전히 망가지는 것에서 자신을 보호한다”라고 설명했다.

늙으면 뇌가 동면상태에 빠진다    

오랫동안 동면상태였던 줄기세포들은 깨어나기가 몹시 어렵다. 그러나 한 번 활성화되면 이들은 늙은 뇌라고 할지라도 젊은 뇌만큼 기능을 발휘할 수 있다. 뇌의 동면은 줄기세포를 둘러싼 염증 신호에 의해서 촉발된다.

염증을 억제하는 물질들이 줄기세포를 깨우는 중요한 열쇠가 될지 모르며, 노화된 뇌에서 발생하는 수리 과정을 활성화시킬지 모른다고 과학자들은 말했다.

그러나 두뇌가 노화됨에 따라 젊은 신경세포의 보충은 줄어든다. 독일과 룩셈부르크 연구팀은 공동연구를 통해서 이 같은 기능 손상의 원인을 발견했다.

이들은 나이가 들어감에 따라 줄기세포의 양이 급격히 줄어드는 것을 발견했다. 이것은 대부분의 줄기세포가 성숙한 뇌세포로 분화되는 과정에서 사라지기 때문이며 오직 아주 작은 비율의 줄기세포만이 새로운 줄기세포를 발생시킨다고 독일암연구센터(DKFZ)의 아나 마르틴-비랄바(Ana Martin-Villalba)는 말했다.

만약 이들이 두뇌가 노화함에 따라 활발하게 분화하지 않고 점차 동면상태로 들어가지 않으면, 나이 든 쥐의 두뇌에 있는 줄기세포의 공급은 완전히 바닥이 날 것이다. 쥐는 시간을 벌기 위해서 동면을 사용한다.

나이가 들면 동면하는 줄기세포의 숫자가 늘어날 뿐 아니라, 부상 같은 비상신호에 의해 동면상태로부터 깨어나는 것이 더욱 어려워진다.

연구팀은 동면은 염증을 일으키는 화학적 메신저와 Wnt 신호 체인의 신호에 의해서 촉진되는 것으로 보인다는 것을 발견했다. Wnt 신호 체인은 줄기세포와 아주 가까운 환경인 ‘틈새’(niche)에서 전달된다.

이 신호가 항체를 사용해서 봉쇄되면 신경 줄기세포 활동의 분리는 다시 늘어나며 이들은 매일같이 수리과정은 물론이고 더 많은 신경회로를 공급한다.

줄기세포의 활동에 대한 정확한 컴퓨터 모델을 만들기 위해 LCSB의 컴퓨터바이올로지그룹은 새로운 접근법을 사용했다. 줄기세포는 끊임없이 다른 세포와 상호작용을 할 수 있는 틈새(niche)에 산다.

줄기세포처럼 분자 수준에서 극도로 복잡한 작용이 벌어지는 현상을 컴퓨터에서 모델링 하는 것은 매우 어려운 작업이다. 그래서 연구팀은 관점을 바꿨다. 연구팀은 외부요인이 줄기세포에 어떤 영향을 미치는지에 대해 생각하는 대신,  ‘틈새’에서 줄기세포의 내부 상태가 어떨 것인지를 생각하기 시작했다.

새로운 접근법을 통해서 새로운 컴퓨터 모델을 개발하는데 이르게 했다. 새 모델은 어떤 단백질이 줄기세포의 기능에 관계가 있는지 결정하게 할 수 있다. 다시 말해서 그것이 분화할지 혹은 정지 상태에 있을지를 알 수 있다.

이들이 개발한 컴퓨터 모델은 어떤 유전자가 전사되는지에 대한 정보를 제공한다. 현대 세포생물학 기술은 단일 세포에서 나타나는 유전자 표현도 분석할 수 있다.

지금까지는 어째서 나이 든 쥐의 뇌에 있는 대부분의 줄기세포가 정지 상태에 있는지 알려지지 않았다. 연구팀은 새로운 컴퓨터 모델을 통해서 sFRP5 분자를 분간해냈다.

이 분자는 신경회로의 줄기세포가 늙은 쥐에서 활성화하지 않도록 해 준다. 세포분화에서 필수적인 Wnt 통로를 차단함으로써 확산을 방지하는 것이다.

다음 차례는 독일암연구소(DKFZ)의 전문가들이 들어올 순서이다. 독일 연구팀은 접시에서 줄기세포를 연구한 뒤, 직접 쥐에 적용해서 룩셈부르크 연구팀이 예측한 컴퓨터 모델을 실험적으로 확인했다. sFRP5의 활동을 중단시켰을 때 정지 상태였던 줄기세포는 매우 활발하게 확산하기 시작했다.

룩셈부르크대학교(University of Luxembourg)의 안토니오 델 솔(Antonio del Sol) 교수는 “sFRP5를 비활성화함으로써 세포는 젊어지게 됐다”라고 말했다. 결과적으로 늙은 쥐의 두뇌에 있는 자고 있는 줄기세포의 활성화 비율은 거의 젊은 쥐만큼 활발해졌다.

신경퇴행성 질환 치료법 개발에 기여할 듯 

안토니오 델 솔 교수는 “우리들의 연구결과는 줄기세포를 바탕으로 해서 신경퇴행성 질환 같은 질병을 치료를 실현하는데 중요한 발걸음이 될 것”이라고 전망했다.

중요한 것은 이 같은 접근법이 두뇌를 연구하는 것에 한정되지 않는다는 점이다. 신체의 다른 기관의 줄기세포 모델에도 적용될 수 있다. 안토니오 델 솔 교수는 “재생 의약품 개발로 가는 길을 열어주기를 희망한다”라고 말했다.

“우리들의 핵심적인 발견은 염증에 의해 촉진된 동면이 노화하는 두뇌 줄기세포의 중요한 특징이라는 점”이라고 아나 마틴-비랄바는 말했다. 약으로 염증을 줄일 수 있다. 이것이 신경세포의 재생을 활성화할 수 있으며 나이 들어 두뇌의 수리과정을 촉진하는 접근법이 될지 모른다.

연구원들은 자신들이 발견한 접근법이 재생 의약품 개발에 새로운 자극을 줄 뿐 아니라, 줄기세포 치료법의 개발을 용이하게 할 것으로 기대하고 있다.