일본 이화학연구소(RIKEN)는 ES세포(배아줄기세포)와 iPS세포(인공다능성줄기세포)에서 발현되는 모든 RNA를 비교 분석하여, ES세포에서는 비번역RNA(ncRNA)가 많이 발현되는 것인 반면, iPS세포에서는 충분히 발현되지 않는다는 것을 발견하였다.
최근 각각 세포에서 발현되는 유전자를 해석하면서 iPS세포와 ES세포의 차이에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. iPS세포와 ES세포의 차이를 명확히 밝히는 것은 iPS세포 제작기술의 개량과 임상적용을 위한 iPS세포 평가선별법의 확립을 위해 매우 중요하다. 지금까지 연구에서 ES세포와 iPS세포는 많은 유전자가 다른 발현양식을 보인다는 연구결과도 있는 반면, 특정 iPS세포는 ES세포와 거의 구별할 수 없다는 연구결과도 있었다. 다만 이 경우 주로 단백질의 설계도가 되는 메신저 RNA(mRNA)나 이미 알려져 있는 비번역RNA(ncRNA)만을 해석한 것으로, ES세포와 iPS세포의 ncRNA를 망라적으로 해석한 연구는 지금까지 없었다. 연구진은 지난해, 전사산물(RNA)의 망라적 해석을 정량적 및 고감도로 수행할 수 있는 RIKEN의 독자기술 ‘CAGE법(Cap Analysis Gene Expression)’을 이용하여 iPS세포와 ES세포의 핵 내에는 지금까지 알려지지 않은 수 천 종의 RNA(줄기세포 특이적 전사산물:NASTs(Non-Annotated-Stem-Transcripts))가 발현하고 있다는 것을 발견했으며, 그 대부분이 RNA유래전사인자에서 유래한 ncRNA라는 것을 밝혀내었다. 이번 연구에서는 같은 해석방법을 이용하여 ES세포와 iPS세포에서 서로 다른 발현을 보이는 RNA를 분석하였다.
[그림 1] ES세포와 iPS세포에서 발현한 RNA의 비교
: ES세포에서 많이 발현한 RNA의 비율이 많고, 특히 핵내에서 발현한 RNA는 그 경향이 강하다
본 실험에서는 마우스 ES세포와 마우스 임파구세포에서 제작한 iPS세포를 이용하여, 핵과 세포질의 전 RNA를 CAGE법으로 분석하였다. ES세포와 iPS세포에서 발현의 차이가 있는 RNA를 조사한 결과, 핵 내 4,526종, 세포질 내 1,488종, 핵과 세포질 공통 RNA 중 1,364종이 차이가 있음을 확인하였다. ([그림 1]) 핵 내에서 차이를 보이는 RNA의 대부분은 ES세포와 비교하여 iPS세포에서 전사량이 적으며, 전사가 보이지 않았다. 이 결과는 ES세포의 핵은 iPS세포의 핵과 비교하여 다양한 RNA를 포함하고 있으며, 이는 통상 iPS세포 제작법에 의한 세포의 리프로그래밍(초기화)가 이 전사유도에서는 일어나지 않는다는 것을 의미한다.
[그림 2] 슈퍼인핸서와 표적유전자의 발현량의 대응관계
: 단백질 ‘Klf2’ (좌), lncRNA ‘AK019124’ (우)의 발현량은 대응하는 슈퍼인핸서의 플라스 가닥(plus strand) 마이너스 가닥의 쌍방향 전사량과 연동하여 ES세포에서는 많고(청), iPS세포에서는 적다. (회색)
iPS세포에서는 적절하지 않은 ES세포 핵 특이적 RNA의 대부분은 이미 알려져 있는 염기배열이나 기능과의 관련이 불명확한 미지의 RNA이다. 이에 ENCODE 프로젝트에서 얻어진 히스톤 수식 데이터 등을 이용하여, 이 RNA의 기능을 예측한 결과 인핸서와 슈퍼인핸서 등의 유전자 발현제어에 관여하는 ncRNA가 많이 포함되어 있다는 것을 확인하였다. 또한 슈퍼 인핸서의 약 60%는 지난해 연구에서 동정한 NASTs의 배열과 일치하였다. 다음으로 인핸서와 슈퍼인핸서가 발현을 제어하고 있을 가능성이 높은 약 200개의 유전자 발현을 ES세포와 iPS세포에서 비교하였다. 그 결과 ES세포에서 발현량이 iPS세포의 2배 이상인 유전자가 많으며, 인핸서양의 차이가 유전자 발현에 큰 영향을 미치고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 발현량 차이가 나는 유전자에는 다능관련유전자(Klf2, Cited2)와 기능을 알 수 없는 롱논코딩RNA(lncRNA)가 포함되어 있어, IcnRNA가 슈퍼 인핸서의 제어를 통해 다능성에 관여하고 있다는 것을 시사하였다. ([그림 2])
이번 연구를 통해 ES세포와 iPS세포 사이에는 ncRNA 전사량의 종류에 큰 차이가 있다는 것을 확인하였다. 이는 ES세포에서 활성화 된 인핸서 등 유전자 제어부위가 iPS세포에서는 적절히 유도되지 않았다는 것을 의미한다. 따라서 줄기세포 제어에 관여하는 유전자나 IncRNA의 발현이 충분히 일어나지 않았다. 이는 iPS세포와 ES세포가 서로 다른 성질의 가지고 있는 원인의 하나로 추측된다. iPS세포에서 발현되는 ncRNA의 중요성을 시사하는 이번 연구성과는 향후 여러 가지 iPS세포의 적절한 평가 방법 개발 및 iPS세포 제조기술 개량에 공헌할 것으로 기대된다.
본 연구성과의 구체적인 내용은 Cell Cycle지에 게재된 논문 "Nuclear transcriptome profiling of induced pluripotent stem cells and embryonic stem cells identify non-coding loci resistant to reprogramming.”에서 확인할 수 있다.
