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배아줄기 세포와 성체 줄기 세포는 왜 분화능력이 다른가요?
배아줄기세포가 성체줄기 세포보다 더 다양한 세포로 분화할 수 있다고 배우는데, 왜 발생 단계에 따라 줄기세포의 분화 잠재력이 이렇게 달라지는지 궁금합니다.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 배아줄기세포와 성체줄기세포의 분화능력이 다른 가장 중요한 이유는 세포가 어떤 발생 단계에 있고, 어떤 유전자 프로그램과 주변 환경을 가지고 있느냐가 다르기 때문입니다. 즉 배아줄기세포는 아직 몸의 어느 조직이 될지 결정되기 전의 상태에 가깝고, 성체줄기세포는 이미 특정 조직 안에서 자신의 역할이 어느 정도 정해진 상태이기 때문에 만들 수 있는 세포의 범위가 달라집니다.
배아줄기세포는 수정 후 초기 배아에서 만들어지는 세포로, 대표적으로 다능성을 가지고 있는데요, 신경세포, 심장근육세포, 간세포, 췌장세포 등 몸을 구성하는 매우 다양한 세포로 분화할 수 있습니다. 하지만 태반과 같은 배아 밖 조직까지 포함해 모든 종류의 세포가 될 수 있는 것은 아닙니다. 수정 직후의 일부 세포가 가진 전능성보다는 한 단계 제한된 능력입니다. 반면 성체줄기세포는 이미 성체의 특정 조직에 자리 잡고 있습니다. 예를 들어 골수의 조혈줄기세포는 적혈구, 여러 종류의 백혈구, 혈소판을 만들어 혈액을 유지하는 데 특화되어 있고, 장의 줄기세포는 장 상피세포를 지속적으로 만들어냅니다. 즉 성체줄기세포도 여러 종류의 세포를 만들어낼 수 있지만, 일반적으로 자신이 속한 조직이나 계통과 관련된 세포를 만드는 능력이 제한적입니다. 이 차이는 유전자 발현 상태의 차이에서 비롯되는데요, 모든 세포는 기본적으로 거의 동일한 DNA를 가지고 있지만, 모든 유전자를 동시에 사용하는 것은 아닙니다. 배아줄기세포에서는 다양한 세포 계통으로 분화하는 데 필요한 유전자들이 비교적 유연한 상태로 유지되어 있습니다. 반면 성체줄기세포가 특정 조직에서 오랫동안 기능하다 보면 특정 계통의 유전자 프로그램이 활성화되고, 다른 계통으로 가는 프로그램은 억제되는 방향으로 세포의 상태가 안정화됩니다.
이때 후성유전학이 중요한 역할을 하는데요, 즉 DNA 염기서열 자체가 바뀌지 않더라도 DNA에 붙어 있는 화학적 표지나 히스톤의 상태 등이 달라지면서 어떤 유전자를 쉽게 켜고 끌 수 있는지가 달라집니다. 배아줄기세포는 다양한 분화 경로에 대응할 수 있도록 비교적 열린 유전자 조절 상태를 유지하지만, 성체줄기세포에서는 자신이 속한 조직에 필요한 유전자 프로그램이 더욱 안정적으로 유지되며, 다른 조직의 세포로 바뀌려면 이러한 기존 프로그램을 상당 부분 다시 설정해야 합니다.
특히 발생 과정 자체가 진행되면서 이런 제한은 점점 강해집니다. 초기에는 세포가 비교적 넓은 선택지를 가지고 있지만, 발생이 진행될수록 세포의 운명이 단계적으로 좁아지는데요, 처음에는 여러 조직이 될 수 있었던 세포가 점차 외배엽, 중배엽, 내배엽과 같은 계통으로 나뉘고, 이후 신경세포나 근육세포, 간세포처럼 더욱 구체적인 세포 유형으로 전문화됩니다. 따라서 줄기세포의 분화능력은 일종의 발달 과정에서 선택지가 하나씩 줄어드는 현상으로 보시면 됩니다. 감사합니다.
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채택된 답변모든 줄기세포는 동일한 DNA를 가지고 있지만, 후성유전학적 제어와 전사인자의 차이 때문에 발생 단계에 따라 분화 능력이 달라지는 것입니다.
먼저 배아줄기세포는 염색질이 느슨하게 열려 있어 모든 유전자에 접근이 용이합니다.
반면 성체줄기세포는 DNA 메틸화 등을 통해 관련 없는 유전자들이 닫힌 상태로 고정되어 있습니다.
또한 배아줄기세포는 만능성 유지 인자가 활성화되어 체세포 전체로 분화가 가능합니다. 하지만 성체줄기세포는 발생이 진행되며 이 인자들이 꺼지고, 특정 조직 특이적 인자만 작동합니다.
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
배아줄기세포는 발생 초기 단계라 아직 세포의 운명이 거의 정해지지 않아 다능성 관련 유전자들이 활발하고. 여러 조직으로 갈 수 있는 유전자 영역도 비교적 열려 있습니다. 반면 성체줄기세포는 이미 특정 조직에 자리잡은 뒤라 후성유전학적 변화로 불필요한 유전자들이 억제되어 분화 범위가 제한됩니다. 즉 발생이 진행될 수록 세포가 전문화 되면서 선택 가능한 진로가 줄어드는 것입니다.