세포융합
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1. 개요
세포융합은 두 개 이상의 세포가 융합되어 단일 세포를 형성하는 현상이다. 1839년 테오도르 슈반에 의해 처음 관찰되었으며, 1960년 센다이 바이러스를 이용한 세포 융합 성공 이후 다양한 연구가 진행되었다. 세포융합은 동일한 유형의 세포 간에 일어나는 동종 세포 융합과 서로 다른 유형의 세포 간에 일어나는 이종 세포 융합으로 나뉜다. 전기적 세포융합, 폴리에틸렌 글리콜 세포융합, 센다이 바이러스 유도 세포융합, 열플라즈모닉스 유도 세포융합 등 다양한 방법이 사용된다. 세포융합은 인간 치료, 특히 당뇨병 치료와 암 진행 연구에 활용되며, 미생물과 다양한 분야의 연구에도 적용된다.
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- 세포생물학 - 세포막
세포막은 세포질을 둘러싸고 세포 내외부 환경을 구분하는 선택적 투과성 막으로, 인지질 이중층과 단백질, 탄수화물로 구성되어 물질 수송, 세포 형태 유지, 세포 간 신호 전달, 세포 접합 등의 기능을 수행하며, 유동 모자이크 모델로 설명된다. - 세포생물학 - 수용체
수용체는 세포 내외의 신호 분자를 인식하여 세포 반응을 유발하는 단백질로, 이온 채널형, G 단백질 연결형, 효소 연결형, 핵 수용체의 네 가지 유형으로 나뉘며, 리간드 결합 친화도와 효능에 따라 다양한 종류로 분류되고 질병과 관련되어 구조와 기능 연구가 활발히 진행되고 있다.
| 세포융합 | |
|---|---|
| 정의 | 둘 이상의 세포가 하나의 세포로 결합하는 과정 |
| 다른 이름 | 세포 합병 세포 융합 |
| 관련 용어 | 동종 융합 이종 융합 세포질 융합 핵 융합 |
| 유형 | |
| 자발적 세포 융합 | 세포막의 자연적인 결합 |
| 유도된 세포 융합 | 외부 요인에 의한 세포막 결합 |
| 동종 융합 | 같은 세포 유형 간의 융합 |
| 이종 융합 | 다른 세포 유형 간의 융합 |
| 메커니즘 | |
| 막 접촉 | 세포막 간의 물리적 접촉 |
| 막 융합 | 세포막의 지질 이중층 결합 |
| 세포질 혼합 | 융합된 세포의 세포질 결합 |
| 핵 융합 | 융합된 세포의 핵 결합 |
| 유도 방법 | |
| 화학적 방법 | 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 리소인지질 |
| 물리적 방법 | 전기장 (전기 융합) 레이저 |
| 생물학적 방법 | 융합 단백질 바이러스 |
| 응용 | |
| 하이브리도마 기술 | 항체 생산 |
| 세포 치료 | 손상된 조직 복구 |
| 발생 생물학 연구 | 수정 과정 연구 |
| 유전체 연구 | 유전자 기능 분석 |
| 식물 교배 | 식물 품종 개발 |
| 문제점 | |
| 낮은 효율 | 융합 성공률의 한계 |
| 비특이성 | 원치 않는 세포 융합 |
| 복잡한 과정 | 세포 융합 기전의 어려움 |
2. 역사
1839년, 테오도르 슈반은 저서 『동식물의 구조와 성장의 일치에 대한 현미경적 연구』에서 모든 생명체가 세포로 구성되어 있다는 세포 이론을 확장하고, 개별 세포가 생명의 기초임을 덧붙였다. 그는 특정 세포에서 세포벽과 세포강이 융합되는 현상을 관찰했는데,[2] 이는 세포융합의 최초 단서를 제공했다.
세포생물학자와 생물물리학자는 세포융합을 위해 다음과 같은 네 가지 방법을 사용한다.
1960년, 과학자들은 센다이 바이러스를 이용하여 분리된 생쥐 세포를 융합하는 데 성공했다. 융합된 잡종 세포는 핵융합체(Synkaryon)라고 불렸다.
1960년대 후반, 헨리 해리스와 닐스 링게르츠는 서로 다른 유형의 세포와 종의 세포를 융합하여 이핵체를 만드는 데 성공했다. 이핵체는 두 개 이상의 분리된 핵을 유지하는 잡종 세포이다. 이들의 연구는 세포융합에 대한 관심을 되살리는 계기가 되었으며, 서로 다른 종류의 세포질이 서로 다른 종류의 세포핵에 어떻게 영향을 미치는지, 그리고 한 유전자 융합의 단백질이 다른 파트너의 핵에서 유전자 발현에 영향을 미치고 그 반대의 경우도 마찬가지임을 보여주었다.[3]
오카다 요시오는 1957년에 센다이 바이러스(HVJ)가 세포를 융합시키는 작용이 있다는 것을 발견했다.
3. 유형
'''동종 세포 융합'''은 동일한 유형의 세포 사이에서 발생한다. 파골세포나 근섬유가 각각의 세포 유형과 융합하는 경우가 그 예시이다. 두 세포핵이 합쳐지면 융합핵(synkaryon)이 생성된다. 세포 융합은 일반적으로 핵융합과 함께 발생하지만, 핵융합이 없는 경우 세포는 이핵(heterokaryon)으로 불린다. 이핵세포는 두 개 이상의 세포가 하나로 융합된 것으로, 여러 세대에 걸쳐 스스로 복제될 수 있다.[4] 같은 유형의 두 세포가 융합되지만 핵이 융합되지 않으면 생성되는 세포를 합포체(syncytium)라고 한다.[5]
'''이종 세포 융합'''은 서로 다른 유형의 세포 사이에서 발생한다. 이 융합의 결과는 세포핵의 합병에 의해 생성된 융합핵과 핵융합이 없는 경우 이핵이다. 골수 유래 세포(BMDCs)가 실질 기관과 융합되는 경우가 그 예시이다.[6]
세포융합은 두 개 이상의 세포로부터 하나의 잡종 세포가 형성되는 현상이다.[18][19] 같은 종류의 세포는 잘 융합되지만, 다른 종류의 세포 융합도 일어난다.
세포융합은 근육, 뼈 및 영양막 세포의 분화, 배 발생 및 형태 형성 과정에서 일어나는 중요한 세포 과정이다.[20] 이는 생체의 성장에서 세포 기능 유지를 위해 필수적이다.[21] 또한, 수정 시 생식 세포나 용해 바이러스 감염에서 자주 관찰된다. 여기에는 형태 변화, 액포 형성 및 합포체 형성을 위한 세포 융합도 포함된다.
세포융합 현상은 1957년 오카다 요시오(岡田善雄)에 의해 발견되었다. 당시 센다이 바이러스(HVJ)가 세포를 융합시키는 작용이 있다는 것을 발견하였다. 현재는 인공 세포융합이 가능해져 품종 개량이나 단일클론 항체 생산 등에 이용되고 있다. 바이러스를 매개체로 하는 방법뿐만 아니라, 프로토플라스트-PEG법이나 전기 자극에 의해서도 세포융합을 일으켜 목적하는 세포를 만들 수 있다.
4. 방법
5. 인간 치료에서의 역할
기증 장기와 조직 이식이 매우 부족하기 때문에, 장기 기능을 회복하고 손상된 세포를 대체할 대안이 필요하다. 이러한 이유로 생물학자들은 치료용 세포융합의 잠재력을 주목하기 시작했다. 세포융합은 조직 손상이나 세포 이식 후 회복 효과를 가질 수 있다. 세포융합을 치료 목적으로 사용하는 것에 대한 논의와 연구가 진행되고 있지만, 극복해야 할 여러 과제가 남아있다. 이러한 과제에는 회복 융합에 사용할 최적의 세포 선택, 선택된 세포를 원하는 조직에 도입하는 최적의 방법 결정, 세포융합 발생률을 높이는 방법 발견, 그리고 생성된 융합 생성물이 제대로 기능하도록 보장하는 것이 포함된다.[12]
5. 1. 당뇨병 치료 응용 (일본 사례)
2013년 5월 29일, 교토대학교 재생의과학연구소의 가쿠 쇼이치로(角昭一郎) 등은 췌장에서 인슐린을 분비하는 랑게르한스섬 세포를 골수에서 채취한 줄기세포와 융합시켜 생체 내에서 효율적으로 작용하도록 하는 동물실험에 세계 최초로 성공했다고 발표했다.[22] 연구팀은 세포 증식 능력이 뛰어난 대퇴골 골수 유래 줄기세포와 췌도 세포를 나란히 놓고 전기 자극을 가해 융합시킨 후, 인슐린을 분비할 수 없는 랫트에 이식했다. 그 결과, 일반적인 췌도 이식의 절반 양의 융합 세포만 이식했는데도 혈당치가 저하되는 효과가 확인되었고, 이식 후 3개월 동안 혈당치가 점차 저하된 것으로 보아 융합 세포가 생체 내에서 증식한 것으로 추정된다. 가쿠 쇼이치로는 “췌도에서 융합 세포를 제작하여 이식하는 새로운 방법으로 이어질 가능성이 있다”고 말했다.[23]6. 암 진행에서의 역할
세포융합은 인간의 암 진행 연구에서 주목받는 분야이다. 여러 종류의 분화된 세포가 융합되면 생성되는 세포는 다배수성일 수 있다. 다배수성 세포는 서로 다른 유전자 조합으로 인해 불안정할 수 있으며, 이는 종종 세포 질병으로 이어질 수 있다. 다배수성 세포는 또한 비계획적인 내배수 복제(endoreplication)를 초래할 수 있는데, 이는 세포가 분열되지 않고 세포 내에서 DNA가 복제되는 과정이며, 세포 내 유전체 불안정성 증가로 인해 암 발생과 관련되어 있다. 암세포가 신체의 다른 부위로 전이되는 과정인 전이(metastasis)는 암 관련 사망의 주요 원인 중 하나이며, 세포융합과 관련이 있다. 골수 유래 세포가 악성 종양 세포와 융합하여 각 모세포의 특징을 가진 세포를 생성한다. 이러한 융합된 암세포는 골수 유래 세포(BMDC)로부터 유래된 이동 능력을 가지고 있어 신체 전체로 이동할 수 있다.[14]
7. 미생물
미생물에서 세포 융합은 여러 형태로 나타난다.
- 균류: 핵융합은 유성 생식 주기의 한 단계로, 두 세포가 융합하여 세포질을 공유하고 두 배우자의 반수체 핵을 같은 세포 안에 가진다.[18][19]
- 아메바류: 변형균류의 유성생식 주기에서 세포융합(형질융합 또는 배우자융합)이 나타난다.[15]
- 세균: 대장균(Escherichia coli)에서 자연적으로 발생하는 접합자 형성(Z-교배)은 세포융합을 포함하며, 원핵생물에서 진정한 유성생식의 한 형태로 여겨진다. Z-교배를 하는 세균은 Szp+로 불린다.[16]
7. 1. 균류
핵융합은 균류의 유성 생식 주기에서 두 세포가 융합하여 공통의 세포질을 공유하고, 두 배우자의 반수체 핵을 동일한 세포 내에 가져오는 단계이다.[18][19]7. 2. 아메바류 (''Amoebozoa'')
세포융합(형질융합 또는 배우자융합)은 변형균류의 유성생식 주기에서 나타나는 단계이다.[15]7. 3. 세균
대장균(Escherichia coli)에서 자연적으로 발생하는 접합자 형성(Z-교배)은 세포융합을 포함하며, 원핵생물에서 진정한 유성생식의 한 형태로 간주된다. Z-교배를 하는 세균은 Szp+로 불린다.[16]8. 기타 응용
세포 융합은 두 개 이상의 세포로부터 하나의 잡종 세포가 형성되는 현상이다.[18][19] 같은 종류의 세포는 잘 융합되지만, 다른 종류의 세포 융합도 일어난다. 세포 융합은 근육, 뼈 및 영양막 세포의 분화, 배 발생 및 형태 형성 과정에서 일어나는 중요한 세포 과정이다.[20] 이는 생체의 성장에서 세포 기능 유지를 위해 필수적이다.[21] 또한, 수정 시 생식 세포나 용해 바이러스 감염에서 자주 관찰된다. 여기에는 형태 변화, 액포 형성 및 합포체 형성을 위한 세포 융합도 포함된다.
세포 융합 현상은 1957년 오카다 요시오(岡田善雄)에 의해 발견되었다. 당시 센다이 바이러스(HVJ)가 세포를 융합시키는 작용이 있다는 것을 발견하였다. 현재는 인공 세포 융합이 가능해져 품종 개량이나 단일클론 항체 생산 등에 이용되고 있다. 바이러스를 매개체로 하는 방법뿐만 아니라, 프로토플라스트-PEG법이나 전기 자극에 의해서도 세포 융합을 일으켜 목적하는 세포를 만들 수 있다.
이 외에도 다음과 같은 연구에 응용된다.
- 세포 분열 및 유전자 발현 조절 연구
- 악성 종양 변환 연구
- 바이러스 복제 획득
- 유전자 및 염색체 지도 작성
- 하이브리도마를 이용한 단일클론 항체 생산
- 유도만능줄기세포 생산
- 이종핵융합 분석(heterokaryon fusion assay)을 이용한 핵 내 수송(Nuclear transport#Protein Shuttling|protein shuttling) 평가[17]
참조
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뉴스
＜糖尿病治療＞融合細胞使う動物実験成功 膵島移植に効果
http://headlines.yah[...]
毎日新聞
2013-05-29
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