HeLa 세포

20세기 초 이후 분자생물학, 약리학, 바이러스학, 유전학 분야의 거의 모든 과학 연구는 살아있는 유기체에서 채취하여 다양한 생화학적 방법으로 배양한 일차 세포 샘플을 이용하여 생존력, 즉 실험실 환경에서 분열할 수 있는 능력을 확장했습니다. 지난 세기 중반, 과학은 자연적인 생물학적 죽음을 겪지 않는 헬라 세포를 접하게 되었고, 이를 통해 많은 연구가 생물학과 의학 분야의 획기적인 발전으로 이어졌습니다.

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불멸화된 HeLa 세포는 어디에서 왔을까?

이러한 "죽지 않는" 세포(불멸화는 세포가 무한히 분열할 수 있는 능력)를 얻는 이야기는 볼티모어에 있는 존스 홉킨스 병원의 31세 환자와 관련이 있습니다. 그녀는 아프리카계 미국인 여성이자 다섯 자녀의 어머니인 헨리에타 랙스였습니다. 그녀는 8개월 동안 자궁경부암을 앓은 후 내부 방사선 치료(근접치료)를 받았고, 1951년 10월 4일에 이 병원에서 사망했습니다.

그 직전, 자궁경부암 에 걸린 헨리에타를 치료하려던 중, 담당 의사이자 외과 의사인 하워드 윌버 존스는 종양 조직 샘플을 채취해 검사를 한 뒤 당시 생물학 학사인 조지 오토 가이가 소장하고 있던 병원 실험실로 보냈습니다.

생물학자는 생검 결과에 깜짝 놀랐다. 조직 세포는 정해진 시간이 지나도 세포자멸사로 죽지 않고, 놀라운 속도로 계속 증식했다. 연구원은 특정 구조 세포 하나를 분리하여 증식하는 데 성공했다. 그 결과 생성된 세포들은 분열을 계속했고, 유사분열 주기가 끝날 무렵에는 더 이상 증식하지 않았다.

그리고 환자가 사망한 직후(이름은 공개되지 않았지만 HeLa라는 약어로 암호화됨) HeLa 세포의 신비한 배양 세포가 나타났습니다.

인체 외부에서 발견되는 HeLa 세포가 프로그램된 사멸의 대상이 아니라는 것이 분명해지자, 다양한 연구와 실험을 위한 수요가 증가하기 시작했습니다. 예상치 못한 발견의 상업화는 HeLa 세포를 여러 과학 센터와 실험실에 판매하기 위한 연속 생산 체계 구축으로 이어졌습니다.

HeLa 세포 사용

1955년에 HeLa 세포가 최초로 복제된 인간 세포가 되었고, HeLa 세포는 전 세계적으로 암에서의 세포 대사 연구, 노화 과정, AIDS의 원인, 인간 유두종 바이러스와 기타 바이러스 감염의 특성, 방사선과 독성 물질의 영향, 유전자 지도 작성, 신약 테스트, 화장품 테스트 등에 사용되었습니다.

일부 자료에 따르면, 이러한 빠르게 성장하는 세포 배양은 전 세계적으로 7만~8만 건의 의학 연구에 사용되었습니다. 매년 약 20톤의 HeLa 세포 배양액이 과학적 목적으로 배양되고 있으며, 이러한 세포와 관련된 1만 건 이상의 특허가 등록되었습니다.

새로운 실험실 생체재료가 대중화되는 데 도움이 된 것은 1954년 미국의 바이러스학자들이 자신들이 개발한 소아마비 백신을 테스트하기 위해 HeLa 세포주를 사용했기 때문입니다.

수십 년 동안 HeLa 세포 배양은 복잡한 생물학적 시스템의 시각적 버전을 만드는 간단한 모델로 널리 사용되어 왔습니다. 또한, 불멸화된 세포주를 복제할 수 있는 능력은 유전적으로 동일한 세포에 대한 반복 분석을 가능하게 하는데, 이는 생물의학 연구의 필수 조건입니다.

초창기 의학 문헌에서 이 세포의 "내구성"이 주목을 받았습니다. 실제로 헬라 세포는 일반 실험실 시험관에서도 분열을 멈추지 않습니다. 그리고 그 활동이 매우 공격적이어서 실험실 기술자들이 조금이라도 부주의하면 헬라 세포가 다른 배양액에 침투하여 원래 세포를 태연하게 대체할 수 있습니다. 결과적으로 실험의 순도는 매우 의심스럽습니다.

그런데 1974년에 실시된 한 연구 결과에 따르면, 과학자들의 연구실에서 HeLa 세포가 다른 세포주를 '오염'시킬 수 있는 능력이 실험적으로 확인되었습니다.

HeLa 세포: 연구 결과는 무엇인가?

HeLa 세포는 왜 이런 행동을 할까요? 건강한 신체 조직의 정상 세포가 아니라, 암성 종양 조직 샘플에서 채취한 종양 세포이며, 인간 암세포의 연속적인 유사분열에 대한 병리학적으로 변형된 유전자를 포함하고 있기 때문입니다. 본질적으로, HeLa 세포는 악성 세포의 클론입니다.

2013년, 유럽 분자생물학연구소(EMBL) 연구진은 헨리에타 랙스의 유전체에서 스펙트럼 핵형 분석을 이용하여 DNA와 RNA를 분석했다고 보고했습니다. 그리고 이를 헬라 세포와 비교 분석한 결과, 헬라 세포와 정상 인간 세포의 유전자 간에 현저한 차이가 있음을 발견했습니다.

그러나 그보다 훨씬 이전에 HeLa 세포에 대한 세포유전학적 분석을 통해 수많은 염색체 이상과 부분적인 유전체 혼성화가 발견되었습니다. HeLa 세포는 과삼배체(3n+) 핵형을 가지고 있으며 이질적인 세포 집단을 생성하는 것으로 밝혀졌습니다. 더욱이, 복제된 HeLa 세포의 절반 이상에서 염색체 수가 46개가 아닌 49개, 69개, 73개, 심지어 78개로 변하는 이수성(aneuploidy)이 발견되었습니다.

밝혀진 바에 따르면, HeLa 세포의 다극성, 다심성 또는 다극성 유사분열은 HeLa 표현형의 유전체 불안정성, 염색체 마커 소실, 그리고 추가적인 구조적 이상 형성에 관여합니다. 이는 세포 분열 중 발생하는 장애로, 염색체의 병적인 분리를 초래합니다. 분열 방추의 유사분열 양극성이 건강한 세포의 특징이라면, 암세포 분열 시에는 더 많은 극과 분열 방추들이 형성되고 두 딸세포가 받는 염색체 수가 달라집니다. 세포 유사분열 중 방추의 다극성은 암세포의 특징입니다.

HeLa 세포에서 다극성 유사분열을 연구한 유전학자들은 암세포 분열 과정 전체가 원칙적으로 부정확하다는 결론에 도달했습니다. 유사분열 전기는 더 짧고, 분열 방추 형성은 염색체 분열보다 먼저 이루어집니다. 또한 중기 또한 더 일찍 시작되어 염색체가 자리를 잡을 시간이 없어 무작위로 분포합니다. 중심체의 수는 필요한 수의 최소 두 배는 됩니다.

따라서 HeLa 세포의 핵형은 불안정하고 실험실마다 큰 차이를 보일 수 있습니다. 결과적으로, 세포 물질의 유전적 동일성이 상실된 상황에서 많은 연구 결과는 다른 조건에서 재현하는 것이 불가능합니다.

과학은 생물학적 과정을 통제된 방식으로 조작하는 능력에 있어 큰 진전을 이루었습니다. 가장 최근의 사례는 미국과 중국 연구진이 3D 프린터를 사용하여 HeLa 세포를 이용한 암 종양의 사실적인 모형을 제작한 것입니다.