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세포융합
세포융합(細胞融合, cell fusion)은 한 개의 핵을 가진 단핵세포(unicellular cell)가 여러 개 모여 합포체(syncytium, 合胞體)의 다핵세포(multicellular cell)를 만드는 과정이다. 세포융합은 생장기간 전체에 결쳐 세포의 기능 유지에 필요하다. 세포융합은 동물의 형태형성(morphogenesis) 과정에서 근육과 뼈의 분화, 배발생(embryogenesis) 과정에서 배반포(blastocyst) 표면의 영양포(trophoblast) 세포 분화 과정에서 만들어진다. 식물의 합포체 예로는 유관세포(articulated laticifer), 수술의 융단조직(tapetum), 포도스테뭄과(Podostemaceae)의 주심 형질체(nucellar plasmodium) 등이 있다.
세포융합은 세포공학에 속하는 기술 중 하나이다. 세포공학(cell engineering)이란 세포와 조직을 배양하고 이 과정에서 염색체나 유전자를 조작하여 유용한 특징을 나타내는 세포를 개발하는 생명공학 기술을 말한다. 유전자 재조합도 여기에 속하고, 단일클론항체와 같은 세포 융합도 있고, 복제 기술도 있으며 줄기 세포도 해당한다.
목차
개요
인접한 세포들이 융합하여 격막이 소실된 결과 세포의 다핵화(多核化)가 일어나는 현상을 세포융합이라 하는데, 자연계에서는 생식세포의 수정, 또는 근원세포의 다핵 근육세포에로의 분화의 시기 등에서 볼 수 있다. 세포를 배양하는 과정에서 세포융합이 자연스럽게 일어나는 경우도 가끔 있다. 동물의 바이러스 가운데 숙주세포를 높은 빈도로 융합을 유발시키는 능력이 있는 것들이 알려져 있다.
DNA형인 천연두 바이러스와 헤르페스 바이러스(Herpesvirus), 그리고 RNA형인 파라믹소바이러스(Paramyxovirus) 등이 유명하다. 후자에 속하는 센다이바이러스(Sendaivirus:HVI)가 가장 잘 알려져 있으며 감염력을 없앤 HVI의 세포융합 활성을 이용하여 이종세포 상호간을 융합시켜서 잡종세포를 인공적으로 만들 수 있게 되었다.
또, 화학물질에 의해서도 세포융합을 유도할 수가 있으며, 가령 리졸레시틴(lysolecithin)이나 폴리에틸렌글리콜 6000(polyethylen glycol 6000) 등이 알려져 있다. 이것들을 이용하면 동물세포나 식물세포의 세포벽을 제거한 원형질체(protoplast)의 융합도 가능하다.
동물인 경우 쥐와 생쥐, 햄스터와 생쥐, 생쥐와 사람의 세포 사이에 세포융합을 하여 잡종세포를 만드는 데 성공하였다. 문제는 이렇게 융합된 잡종세포가 과연 정상적인 세포로서 기능을 다 할 수 있는지 하는 점이다. 세포가 융합하면 융합된 세포의 핵도 합쳐져서 단일의 핵을 만들고, 두 종류의 세포가 가진 염색체를 가지고 있으며 계속 분열을 하여 집단을 만든다. 그러나 장기간 계속 배양하면 일부의 염색체가 소실되고, 따라서 총염색체의 수가 감소하게 된다.
그런데 서로 다른 종의 세포가 세포주기를 통해서 일어나는 일련의 화학반응의 신호가 다른 쪽의 세포에서도 해독(解讀)된다는 것이 밝혀졌다. 이와 관련해서 잡종세포에서는 기능적으로도 정상인 잡종효소가 합성된다. 예를 들면, 쌍방의 원래 세포와 같은 형의 효소(예:LDH)를 합성한다. 생물학적으로는 세포융합 방법을 통해 세포분화의 기작을 해명하는 데 도움이 된다.
생물공학적으로 가장 각광을 받는 세포융합의 응용은 바로 단일클론성 항체의 생산일 것이다. 즉, 림프잡종세포종(hybridoma)을 이용한다. 하이브리도마란 시험관 내에서 생존 증식이 되는 암세포와 생체로부터 추출한 어느 특정의 분화형질을 가진 대형세포와 융합시켜서 만든 잡종세포를 가리킨다. 이것의 대표적인 것은 림프구하이브리도마이며, 특히 골수종세포(myeloma cell)와 비장이나 림프절에 들어 있는 림프구 가운데 항체산생세포의 선구세포인 B세포를 융합한 잡종세포는 단일 클론항체를 만들며 연구와 임상에 널리 응용된다.
일반적으로 항체를 얻으려고 할 때에는 항원을 동물체에 주입하는 방법에 의하지만, 이때의 항체의 복합체가 만들어진다. 그러나 어느 1개의 항체산생세포는 1종류의 항체만을 만들게 되므로, 골수종세포와 항체산생세포와의 세포잡종으로 항체를 만들어 한 개 한 개의 잡종세포를 클론배양하면 1개의 클론 세포군은 단 한 가지 종류의 같은 항체를 만드는 세포들로만 된다.
이와 같이 해서 얻어지는 것이 단일클론항체이다. 이 항체는 생체, 또는 세포에 미량밖에 없는 물질을 검출하고 동정(同定)하며, 또 생체내에서의 소재를 알아보는 데 유용한 수단이 된다. 암을 비롯하여 간염 등 각종 질병의 진단 ·치료 ·독소의 중화 등에의 실용화도 이미 시작되고 있다. 세포융합에 의한 세포잡종의 이용은 식물체에까지 이르게 된다.
유성생식적으로는 교잡이 전혀 불가능한 이종속간에 세포융합의 방법에 의하여 잡종식물을 만들 수 있게 된 것이다. 식물의 세포잡종을 얻으려면 먼저 세포의 세포벽을 제거하여 원형질체인 프로토플라스트를 만들어야 한다. 원형질체는 세포막으로 싸여 있으며 동물세포와 같은 모양을 가진다. 세포를 고장액(高張液) 속에서 세포벽 분해효소로 처리함으로써 원형질체를 얻을 수 있다.
세포벽 분해효소로는, 세균에는 리소자임(lysozyme), 효모와 사상균에는 달팽이의 소화관액, 고등식물의 세포에는 셀룰라아제(cellulase:섬유소분해효소)가 쓰인다. 세포벽으로부터 빼낸 원형질체는 원래의 세포 모양에 관계없이 구형이며 저장액(低張液)에 옮기면 흡수에 의하여 팽창하여 파열한다. 그러나 적당한 삼투압을 유지하는 배양액에서는 세포로서의 여러 가지 활성을 유지하고, 또 고분자물질이나 입자의 흡수, 세포융합 등 보통의 세포에서는 볼 수 없는 현상을 보여준다.
서로 다른 종의 세포잡종은 두 가지 세포의 유전형질을 동시에 발현한다고 믿어지고 있기 때문에 토마토의 세포와 감자세포를 융합시키면 줄기 위에는 토마토가, 땅밑에는 감자가 달리는 이른바 포마토(pomato:potato와 tomato의 합성어)가 된다.
역사
신경계의 Schwann 세포를 발견한 Theodor Schwann(1810~1882)은 1847년 세포가 합쳐지는 것을 관찰하였고, 이후 이를 근거로 세포융합 현상과 응용이 가능하게 되었다. 1969년대에 센다이 바이러스(Sendai virus)를 매개로 마우스의 세포를 이용한 세포융합이 가능해졌고, 1960년대 말에 Henry Harris과 Nils Ringertz에 의해 2개 이상의 핵을 가지는 이합체(heterokaryon)가 만들어졌다. 즉, 포유동물에서도 이종 유래 융합세포가 기능을 할 수 있음을 발표하였다.
세포 융합기술
세포를 인위적으로 융합시키기 위해서 polyethylene glycol(PEG) 또는 짧은 전기자극(electrical pulse)을 처리하는 방법(electrofusion)이 일반적으로 이용된다. 이외에도 동물세포의 융합은 센다이 바이러스를 이용하기도 한다. PEG나 전기적 자극을 주기 위하여 융합 모두 식물 세포벽이 제거된 원형질체(protoplast)를 이용한다.
- PEG를 이용한 세포융합
가장 간단한 방법이지만, 세포에 독성이 있을 수 있고 여러 개의 세포가 융합될 수 있는 등 단점도 있다. PEG와 Ca2+ 를 같이 처리하고 융합이 끝난 세포용액은 배지를 포함하는 완충액으로 세척하여 분열을 유도한다. 이 방법은 체세포 융합(somatic cell hybrid)에 자주 이용되며 동물세포에서는 핵전이(nuclear transfer)에 이용하는 빈도가 높다.
- 전기적 세포융합(electrical cell fusion)
두개의 세포가 유전영동(dielectrophoresis)에 의해 세포막이 융합되는 현상을 이용한 방법으로 교류전류(alternating current)를 이용한다. 세포가 인접한 상태로 있을 때 펄스 전압이 가해지면 세포막이 융합하고 세포질이 섞이게 된다. 융합된 세포는 이합체(heterokaryon)를 형성하고 자연적으로 핵이 융합되어 염색체가 배가되지만 이합체가안되는 경우도 많다.
- 화학적 융합 (Chemical Fusion)
폴리에틸렌 글리콜(PEG) 또는 기타 화합물을 사용하여 세포막을 변형시켜 세포들이 융합하도록 유도하는 방법이다. PEG는 세포막을 일시적으로 융합시키는 역할을 한다. 비교적 간단하고, 효율적으로 세포를 융합할 수 있다. PEG 농도나 처리 시간에 따라 세포의 생존율이 감소할 수 있다.
- 마이크로인젝션 (Microinjection)
세포의 막을 직접 관통하여 두 세포를 융합시키는 방법이다. 주로 유전자 전달이나 세포 핵 이동을 위해 사용된다. 정밀한 제어가 가능하고, 세포를 선택적으로 융합시킬 수 있다. 기술적으로 어려운 방법이며, 세포 손상의 위험이 있다.
- 기계적 융합 (Mechanical Fusion)
세포들을 직접적으로 압력이나 마찰을 이용해 물리적으로 융합시키는 방법이다. 주로 실험실에서 제한된 범위의 세포에 적용된다. 특별한 화학물질이나 전기적 자극 없이 세포를 융합할 수 있다. 세포 손상의 위험이 높고, 효율이 떨어질 수 있다.
식물의 세포융합
- 병원균에 의한 세포융합
동물에서와 같이 식물에서도 다핵체(syncytia, coenocyte)는 자주 병원균의 침입에 의하여 만들어 진다. 토양선충(nematode)이 식물 뿌리세포에 침입할 때 만들어지는 다핵세포는 많이 보고된 예로, 어떻게 대핵세포가 형성되는가에 대한 연구는 농업적으로 매우 중요한 연구 주제이다.
- 배젖(endosperm)의 다핵체
배젖은 양쪽 끝에 말단흡기(terminal haustria)로 알려진 주공(mycropyle)과 합점(chalaza)을 포함하며, 다핵체는 주공배젖(cicropylar endosperm) 흡기와 포자체의 태좌(placenta) 세포의 융합에 의해 만들어진다. 다핵체 형성은 1923년에 통발속의 식물(Utricularia macrorhiza)에서 보고되었다.
- 중복수정 과정의 세포융합
꽃피는 식물에서 정세포(sperm cell), 알세포(egg cell), 중심세포(central cell)의 세포벽은 아주 얇아 세포융합이 일어나기 쉬운 구조이다. 수정과정에서 일어나는 세포융합은 애기장대에서 잘 관찰되었고, 정세포와 알세포의 융합에 의해서 배(embryo)를 형성하고, 또 다른 하나의 정세포와 중심세포의 융합에 의해서 배젖세포를 만든다. 중복수정이 일어난 후 조세포(synergid cell)은 배젖세포와 융합하고, 조세포의 핵이 분해되는 반면에 배젖세포는 다핵세포(syncytial cell)가 된다.
동물의 세포융합
동물 세포융합은 두 개의 동물 세포가 합쳐져 하나의 세포로 변하는 생물학적 과정이다. 이 과정은 자연적으로 발생할 수도 있고, 실험적으로 유도할 수도 있다. 동물 세포융합은 세포 생물학, 유전자 연구, 질병 모델링, 그리고 재생 의학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다. 이 기술을 통해 다양한 연구 및 치료 방법을 개발할 수 있으며, 특히 하이브리도마 기술, 유전자 재조합, 세포 치료 등에 널리 사용된다.
동물 세포융합의 자연적 과정
동물 세포융합은 자연적으로 발생하는 여러 생리적 현상에서 중요한 역할을 한다. 주요 예시는 다음과 같다:
- 근육 세포 융합
- 기전: 동물에서 근육 세포는 다핵 세포를 형성하는 특성이 있다. 이는 여러 개의 근육 세포가 융합하여 하나의 다핵 세포가 되는 과정이다. 이 과정에서 각 세포의 핵이 합쳐져서 하나의 큰 세포로 변하게 된다.
- 의미: 근육 세포의 융합은 근육의 발달 및 기능에 중요한 역할을 하며, 이러한 다핵 세포들은 근육 수축 기능을 수행하는 데 필수적이다.
- 정자와 난자의 융합
- 기전: 생식 세포인 정자와 난자는 수정 과정을 통해 융합하여 하나의 세포를 형성한다. 이 과정은 배아의 형성을 위한 필수적인 단계로, 두 세포의 유전 정보가 결합되어 새로운 유전적 구성이 형성된다.
- 의미: 정자와 난자의 융합은 새로운 생명체를 생성하는 기초가 되며, 이 과정은 유전자 전달, 생식, 그리고 개체 발생에 중요한 역할을 한다.
동물 세포융합의 실험적 유도
실험실에서는 세포융합을 유도하여 다양한 생리적 및 의학적 연구를 진행한다. 이를 통해 새로운 세포 유형을 만들거나, 질병 모델을 만들거나, 유전자 전달을 연구할 수 있다. 실험적 세포융합의 주요 방법은 다음과 같다:
- 전기 융합 (Electrofusion)
- 기법: 전기장을 이용하여 세포막을 일시적으로 개방하고, 이때 두 세포가 융합되도록 유도한다. 이 방법은 실험실에서 주로 사용되며, 효율적인 세포융합을 가능하게 한다.
- 용도: 전기 융합은 하이브리도마 기술, 유전자 연구, 그리고 세포 치료 등에 사용된다. 예를 들어, 항체 생산을 위한 B세포와 암세포의 융합에서 사용된다.
- 화학적 융합 (Chemical Fusion)
- 기법: 화학 물질, 특히 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 같은 물질을 사용하여 세포막을 변형시켜 세포들이 융합하게 한다. 이 방법은 간단하면서도 효율적인 세포융합 방법으로 널리 사용된다.
- 용도: PEG 융합은 유전자 재조합, 단클론 항체 생산, 그리고 세포 치료 연구에서 많이 사용됩니다.
- 마이크로인젝션 (Microinjection)
- 기법: 미세침을 이용하여 한 세포 내에 다른 세포의 핵이나 세포질을 직접 주입하여 세포를 융합시킨다. 이 방법은 정밀한 조작이 가능하지만, 기술적으로 어려운 점이 있다.
- 용도: 유전자 전달, 세포 내 물질 주입, 그리고 배아 연구에서 주로 사용된다.
- 마이크로리전 융합 (Microparticle Mediated Fusion)
- 기법: 미세입자나 나노입자를 이용하여 세포를 융합시키는 방법이다. 이 방법은 주로 세포 내부에 물질을 전달하거나 세포 기능을 조작하는 데 사용된다.
- 용도: 유전자 치료, 세포 기능 연구, 세포 표적화 연구 등에 활용된다.
동물 세포융합 기술의 응용
동물 세포융합 기술은 여러 분야에서 중요한 연구 도구로 사용된다:
- 단일클론 항체 생산
하이브리도마 기술을 통해 B세포와 암세포를 융합하여 단클론 항체를 대량 생산한다. 이는 의약품 개발에서 중요한 역할을 하며, 특히 암 치료나 감염 질환 치료에서 중요한 역할을 한다.
- 유전자 연구 및 유전자 치료
세포융합 기술은 유전자 전달 및 유전자 편집 연구에 널리 사용된다. 세포 내로 새로운 유전자를 주입하거나, 특정 유전자 기능을 연구할 때 세포융합을 통해 유전자 재조합을 유도한다.
- 재생 의학
줄기세포 치료 및 조직 재생 연구에서 세포융합 기술이 활용된다. 예를 들어, 특정 세포를 융합하여 조직을 재생하거나, 손상된 세포를 복구하는 데 중요한 역할을 한다.
- 암 연구
암 세포와 정상 세포의 융합을 통해 암 모델을 만들거나, 암 전이 및 약물 저항성을 연구할 수 있다. 이 방법은 화학 요법이나 면역 요법의 효능을 테스트하는 데 유용하다.
- 세포 치료 및 재프로그래밍
세포융합을 통해 조직 재생이나 세포 기능 회복을 목표로 하는 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 특정 질병의 세포를 융합하여 치료적인 효과를 얻거나, 재프로그래밍을 통해 줄기세포와 비슷한 특성을 가진 세포를 생성하는 연구가 이루어진다.
참고자료
- 〈세포융합〉, 《식물학백과》
- 〈세포융합〉, 《두산백과》
- wooksbio, 〈세포융합 _ 단일 클론 항체〉, 《네이버 블로그》, 2021-04-27
같이 보기
