암·노화로 변형된 세포→정상으로 되돌릴 길 열렸다

KAIST연구진, 분자 잠금장치 찾아 원천 제어 기술 '루트' 개발

암세포나 노화인 인해 변형된 비정상 세포를 원래대로 되돌릴 수 있는 길이 열렸다.

조광현 KAIST 바이오및뇌공학과 교수 연구팀은 세포 내 분자 네트워크에서 한번 일어난 상태 변화를 되돌아가지 못하게 만드는 핵심 회로를 규명하고, 이를 제어해 세포를 이전 상태로 되돌릴 수 있는 원천 제어 기술 ‘루트(ROOT)’를 개발했다고 21일 밝혔다.

KAIST 연구팀. 뒷줄 왼쪽부터 이종훈 박사(공저자), 장성훈 박사(공동 제1저자), 코빈 하퍼 박사과정생(공저자), 앞줄은 조광현 교수다. 우측 상단은 김종완 박사(공동제1저자).(사진=KAIST)

세포는 '비가역성'을 띤다. 외부 자극에 반응해 성질과 기능이 변하면, 그 상태가 그대로 유지된다. 암덩어리나 노화상태도 마찬가지다.

연구팀은 "세포내 상태변화에 관여하는 회로가 매우 복잡하다. 처음대로 되돌리기 위한 '양성 되먹임 회로'가 수천개나 존재한다"며 "이를 루트 기술을 개발, 해결한 것"이라고 말했다.

연구팀은 복잡하게 얽힌 수천 개의 전선 가운데 문을 실제로 잠그고 있는 전선만 골라내는 것과 같이 수많은 회로 가운데 세포를 변화된 상태로 계속 붙잡아 두는 핵심 회로 집합인 '비가역성 커널'을 찾아냈다.

조광현 교수는 "세포가 왜 원래 상태로 돌아오지 않는지 그 원인이 되는 일종의 ‘분자적 잠금장치’를 찾아낸 것"이라고 설명했다.

연구팀은 가역성의 원인이 되는 분자회로를 체계적으로 탐색해내는 루트라는 기술을 최초로 개발하고 이를 실제 여러 생명현상의 분자네트워크에 적용, 핵심이 되는 소수의 원인 회로들을 밝혀냈다. 특히, 이를 제어했을 때 생명현상이 가역화될 수 있다는 것도 확인했다.

이 루트 기술은 범용성이 커 향후 재생의학, 암과 노화에 따른 여러 질환들의 새로운 치료기술 개발에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 기대됐다.

연구팀은 이를 이용해 세포 상태를 되돌리는 두 가지 제어 방법도 제시했다. 리셋제어와 역전제어다. 리셋제어는 세포의 비가역적인 성질 자체는 그대로 두면서 현재의 세포만 변화 이전 상태로 되돌리는 방법이다. 

비가역적 세포 상태천이의 원인을 규명하고 제어하는 루트 프레임워크.(그림=KAIST)

‘역전 제어(Reversing control)’는 비가역성을 만드는 원인 자체를 제거해 세포가 서로 다른 상태 사이를 보다 자유롭게 오갈 수 있도록 하는 방법이다.

조광현 교수는 전화통화에서 "루트기술을 이용해 치료할 분자타깃을 찾는데 두가지 방법이 있다는 얘기"라며 "이를 이용해 약물투여나 유전자 치료 등의 방법으로 문제를 해결할 수 있다"고 설명했다.

연구팀은 이 기술을 B세포 분화와 폐암 상피-간엽 전이, 단일세포 전사체 데이터를 기반으로 한 장세포(Enterocyte) 및 베타세포 분화 등 다양한 생물학적 모델에 적용한 결과 기존 연구에서 알려진 세포의 상태와 분화를 결정하는 주요 인자들과 일치하는 원인 회로를 정확하게 찾아냈다.

조광현 교수는 “향후 암과 노화 등에서 비정상적으로 굳어진 세포 상태를 정상으로 되돌리는 새로운 치료전략 개발에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구는 KAIST 바이오및뇌공학과 김종완·장성훈 박사가 공동 제1저자, 이종훈 박사와 코빈 호퍼(Corbin Hopper) 박사과정 학생이 공저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 미국국립과학원회보(PNAS) 온라인판으로 게재됐다.