배아줄기세포 유래 신경계세포에서의 세포사멸 연구와 그 응용

Cell Death Study in Embryonic Stem Cell-derived Neurons and Its Applications

배아줄기세포는 다양한 분화 유도 방법을 통해 신경계세포로 분화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 보다 더 엄격한 선발조건을 적용함으로써 특정 종류의 신경세포만을 확보할 수도 있게 되었다. 세포사멸연구를 포함한 신경생리학적 연구의 대상으로써 중요한 요건은 이렇게 확보한 배아줄기세포 유래의 신경계세포들이 정상적인 신경생리학적 특성을 갖고 있어야 하며, 동시에 그런 신경생리학적 특성이 체외에서 일정기간 동안 이상 자연적인 세포사멸없이 유지되어야 한다는 것이다. 생쥐 배아줄기세포를 retinoic acid로 처리한 후, astrocytes monolayer 위에서 신경계세포로 분화시키면 장기간 생존이 가능한 다수의 신경계세포를 손쉽게 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 면역세포화학적 방법을 통해 신경세포의 생사를 개별세포 수준에서 추적할 수 있다. 배아줄기세포 유래의 신경계세포는 glutamate agonist들에 대해 수용체 특이적 흥분성 신경독성 반응을 보이며, 이 반응은 신경계세포로의 분화가 진행될수록 더욱 뚜렷해지는 양상을 보인다. 신경계세포의 발생분화, 생존에 관여하는 Neurotrophin, GDNF 계열의 신경계 작용 성장인자들의 수용체가 배아줄기세포 유래의 신경계세포에서 발현되고 있으며, 이들에 의해 신경계세포로의 분화과정에서 세포의 생존능 및 신경독성처리에 대한 세포사멸반응이 조절될 수도 있다. 따라서 배아줄기세포 유래의 신경계세포는 신경세포의 생존과 사멸, 그리고 세포손상으로부터의 보호와 같은 신경약리학적 연구를 위한 중요한 특성을 나타내고 있기에 관련 연구를 위한 새로운 연구시스템이 될 수 있는 것이다. 특히 일반적인 신경세포는 유전적 변형이 어려워 다양한 신경약리학적 연구에 많은 제약을 받아 왔으나, 이제 유전자 변형 배아줄기세포로부터 얻은 신경세포를 활용하여 연구할 수 있게 됨으로써, 보다 복합적인 신경약리학적 기초연구도 가능하게 되었다. 특히 최근 인간 배아줄기세포 유래 신경계세포도 유사한 신경독성 반응을 보이고 있음이 확인됨으로써(Schrattenholz & Klemm, 2007), 이제 배아줄기세포는 신경약리학적 기초 연구만이 아닌, 나아가 대량의 약물 스크리닝과 같은 제약산업에도 활용될 수 있는 가능성을 제시하고 있다.

Specific protocols to increase the differentiation of neuronal cells from embryonic stem (ES) cells have been well established, such as retinoic acid induction and lineage selection of neuronal cells. For the neuropathological studies, ES-derived neurons (ES neurons) must show normal physiological characteristics related to cell death and survival and should be maintained in vitro for a sufficient time to show insults-specific cell death without spontaneous death. When mouse ES cells were plated onto astrocytes monolayer after retinoic acid induction, most ES cells differentiated into neuronal cells, which were confirmed by the presence of specific neuronal markers, and the cultures were viable for at least four weeks. When these cultures were examined for vulnerability to glutamate excitotoxicity, ES neurons were vulnerable to excitotoxic insults mediated by agonist-specific receptors. The vulnerability to excitotoxic death increased with developmental age of ES neurons in vitro. Specific receptors for Neurotrophin and GDNF family ligands were present in ES neurons. GDNF and NT-3 could modulate the survival and excitotoxic vulnerability of ES neurons. The vulnerability and resistance to toxic insults, which are essential requirements of model culture systems for neuropathological studies, make ES neurons to a useful model culture system. Especially ES cell are highly amenable to genetic modification unlikely to primary neuronal cells, which will give us a chance to answer more complicated neurophysiological questions. Recently there was an outstanding attempt to explore the cellular toxicity using human ES cells (Schrattenholz & Klemm, 2007) and it suggested that ES cells could be a new model system for neurophysiological studies soon and go further a large-scale screening system for pharmacological compounds in the future.