줄기세포연구센터 (센터장: 조이숙 박사)는 한국생명공학연구원 (KRIBB)의 전략사업총괄단 소속이다. 김장환 박사는 줄기세포연구센터의 전신인 발생분화연구센터에서 2004년부터 인간배아줄기세포 연구를 시작하였으며, 현재는 인간유도만능줄기세포 및 직접교차분화와 같은 리프로그래밍 현상의 연구와 신경계 세포의 분화 및 활용을 주요 주제로 연구를 진행하고 있다. 연구책임자는 충남대학교 미생물학과에서 수학하였고, 기업체에 근무하는 동안 초파리의 청각에 관련된 물리적 자극을 인지하는 수용체에 관한 연구로 박사학위를 받으면서 신경계 연구를 시작하였다. 2008년부터 국내에서는 거의 처음으로 인간유도만능줄기세포를 제작하였고, 이후 국외 연수기간동안 직접교차분화기술로 신경줄기세포를 제작하는 연구를 수행하였다. 이와 같은 경험을 바탕으로 리프로그래밍기술을 이용하여 파킨슨병과 같은 신경계 질환을 모델링하고 화합물 및 재생의학적 치료제를 개발하는 연구에 초점을 맞추고 있다. 또한, 리프로그래밍 기술에 대한 강점을 바탕으로 다양한 연구팀과 공동연구를 적극적으로 추진하고자 한다.

가. 새로운 세포운명전환 기술 – 만능성인자 기반의 직접교차분화 연구

세포의 정해진 운명을 인위적으로 바꾸려는 리프로그래밍 (reprogramming) 연구는 핵치환 (nuclear transfer)기술 및 세포융합 (cell fusion)기술을 통해 연구가 되어져 왔다. 하지만, 2006년 일본의 Shinya Yamanaka가 유도만능줄기세포 (induced pluripotent stem cells) 제작기술을 발표하면서, 리프로그래밍 기술은 보통의 생물학 실험실에서 어렵지 않게 수행할 수 있는 수준으로 범용화되었다. 또한, 세포의 정해진 운명이 예상보다 유연할 수 있다는 확신과 함께 교차분화 (transdifferentiation)라는 새로운 세포운명전환 현상에 대한 호기심을 촉발하였다. 유도만능줄기세포가 체세포를 역분화 (dedifferentiation)시켜 발생과정을 되돌림으로써 얻어지는 것이라면, 교차분화는 하나의 체세포가 발생학적 또는 기능적으로 인접한 다른 체세포로 직접적으로 세포운명이 전환되는 현상이다. 2010년 Marius Wernig은 3개의 전사인자를 도입하면 섬유아세포 (fibroblast)의 운명이 신경세포 (neuron)로 전환될 수 있음을 증명함으로써 발생학적으로 거리가 먼 세포사이에도 교차분화 현상인 직접전환 (direct conversion)이 유도될 수 있음을 보여주었다.
유도만능줄기세포와 직접전환은 목표로 하는 세포에서 많이 발현되는 전사인자를 발현시킴으로써 얻어지는 것이어서 일면 예상이 가능한 현상이다. 2011년 김장환 박사는 Sheng Ding 그룹에서 연수를 하는 동안 유도만능줄기세포를 만드는 4가지 만능성 전사인자의 발현 조절을 통해서 유도만능줄기세포가 아닌 신경줄기세포가 유도될 수 있음을 증명하였다. 또한 Ding 그룹은 이 새로운 직접교차분화 (direct reprogramming)를 통해서 다양한 종류의 세포들이 만들어질 수 있음을 보여줌으로써, 세포운명전환의 새로운 패러다임을 제시하였다. 김장환 박사팀에서는 후속연구를 통해 만능성인자를 이용한 직접교차분화 현상의 분자적 기전과 이 기술의 추가적인 개발을 위한 연구를 활발히 진행하고 있다.

<세포운명을 전환시키는 다양한 방법론>

나. 새로운 세포운명전환 기술 – 만능성인자 기반의 직접교차분화 연구

유도만능줄기세포 및 직접교차분화와 같은 리프로그래밍 기술은 세포의 운명을 전환시킨다는 흥미로운 현상을 보여주었다. 더불어, 실용적으로는 환자자신의 줄기세포를 만들 수 있도록 해 줌으로써 재생의학적으로 면역거부반응이 없는 세포치료제를 개발할 수 있다는 가능성을 또한 제시하였다. 하지만, 리프로그래밍 기술은 환자의 질환 표현형을 나타낼 수 있는 세포를 인위적으로 만들 수 있는 기술이기도 하다. 환자의 시료는 매우 제한적으로만 얻을 수 있었지만, 이제는 리프로그래밍을 통해 무한정으로 공급이 가능하게 된 것이다. 비록 세포수준이지만 동물모델이 아닌 인간의 질환모델을 실험실에서 구현할 수 있게 된 것이다. 현재 수 많은 유도만능줄기세포 기반의 인간 질환모델들이 개발되고 이를 질환연구와 신약개발에 활용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 김장환 박사팀에서는 유도만능줄기세포와 직접교차분화기술을 비교분석함으로써 좀 더 최적화된 인간질환모델을 개발할 수 있을 것으로 보고 이에 대한 연구를 진행하고 있다. 현재는 대표적인 퇴행성 뇌질환인 파킨슨병이 중심이 되고 있고, 공동연구를 통해 알츠하이머병 및 운동신경질환으로 연구를 확대하는 중에 있다.

가. 3차원 세포 분화연구 및 실험동물대체기술의 개발

현재의 대부분의 세포연구는 배양접시에서 세포를 2차원적으로 배양하는 방식으로 진행되고 있다. 하지만, 다세포 생명체에서 세포들은 3차원적으로 조직화된 형태로 존재하고 있기때문에 2차원적인 세포배양을 통해 생명현상을 이해하고자 하는 노력은 한계가 있을 수 밖에 없다. 이를 극복하기 위해서 다양한 실험동물모델이 활용되고 있다. 하지만, 인간과 동물사이에 존재하는 종간 차이때문에 인간세포를 직접 이용하는 것이 좀 더 바람직할 수 있다. 게다가 유럽을 중심으로한 동물실험 규제가 점차 확대될 것으로 전망되기때문에 실험동물을 대체하고 in vivo 생명현상을 연구할 수 있는 대안이 필요하다. 김장환 박사팀에서는 리프로그래밍 기술을 이용하여 환자의 질환을 모델링하는 방법에서 3차원으로 배양되는 장기유사체 (organoids)를 활용하는 연구를 최근 시작하였다. 향후 단일 조직이나 장기뿐만아니라 생명체 전체를 모사할 수 있는in vitro 시스템의 개발도 가능할 것으로 전망하고 있다.

나. 리프로그래밍 및 줄기세포 연구의 저변 확대

줄기세포와 리프로그래밍 연구는 정상 또는 질환을 가진 인간세포를 직접적으로 이용하여 생명현상을 이해하고 치료방법을 개발할 수 있는 새로운 기회를 열고, 생물학 연구의 패러다임을 전환하게 될 것으로 기대하고 있다. 김장환 박사팀에서는 여러가지 연구를 진행하는 한편 리프로그래밍과 줄기세포 기술을 많은 연구자들이 활용할 수 있도록 좀 더 편리하고 안정된 기술의 개발과 시스템의 확립 연구도 병행하여 줄기세포를 활용한 연구의 저변을 확대하는데 기여하고자 한다.

1: Zhu S, Ambasudhan R, Sun W, Kim HJ, Talantova M, Wang X, Zhang M, 
Zhang Y, Laurent T, Parker J, Kim HS, Zaremba JD, Saleem S, Sanz-Blasco S, Masliah E, McKercher SR, Cho YS, Lipton SA, Kim J.*, Ding S.* (2014) Small molecules enable OCT4-mediated direct reprogramming into expandable human neoural stem cells. Cell Research 24(1): 126-129 *Corresponding author. 

2: Kim, H.-S.*, Kim, J.*, Jo, Y., Jeon, D., Cho, Y. S. (2014) Direct lineage reprogramming of mouse fibroblasts to functional midbrain dopaminergic neuronal progenitors. Stem Cell Res 12(1): 60-68. *Equal contribution 

3: Kim, J., Ambasudhan, R., and Ding, S. (2012). Direct lineage reprogramming to neural cells. Curr. Opin. Neurobiol. 22,778-784
4: Kim, M.J., Son, M.J., Son, M.Y., Seol, B., Kim, J., Park, J., Kim, J.H., Kim, Y.H., Park, S.A., Lee, C.H., Lee, K.S., Han, Y.M., Chang, J.S., Cho, Y.S.. (2011). Generation of human induced pluripotent stem cells from osteoarthritis patient-derived synovial cells. Arthritis and rheumatism 63:3010-3021.
5: Li, W., Sun, W., Zhang, Y., Wei, W., Ambasudhan R., Xia, P., Talantova, M., Lin, T., Kim, J., Wang, X., Kim, W.R., Lipton, S.A., Zhang, K., Ding, S. (2011) Rapid induction and long-term self-renewal of primitive neural precursors from human embryonic stem cells by small molecule inhibitors. Proc. Natl. Acad. Sci. 
USA 108(20):8299-304
6: Kim, J., Efe, J.A., Zhu, S., Talantova, M., Yuan, X., Wang, S., Lipton, S.A., Zhang, K., and Ding, S. (2011) Direct reprogramming of mouse fibroblasts to neural progenitors. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108(19):7838-43
7: Efe, J.A., Hilcove, S., Kim, J., Zhou, H., Ouyang, K., Wang, G., Chen, J., Ding, S. (2011) Conversion of mouse fibroblasts into cardiomyocytes using a direct reprogramming strategy. Nat Cell Biol 13(3):215-22
8: Zhu, S., Li W., Zhou, H, Wei, W., Ambasudhan, R., Lin, T., Kim, J., Zhang, K., Ding, S. (2010) Reprogramming of human primary somatic cells by OCT4 and chemical compounds. Cell Stem Cell. 7(6):651-5.