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Morula complementation restores fetal kidneys in xenocompatible SALL1 null sheep

본 연구는 SALL1 결핍 및 이종 항원이 없는 배아를 사용하고 상실기 보완법(morula complementation)을 통해 공여 세포로 장기 형성을 복구함으로써, 가축 양이 공여 유래 신장을 생성하는 숙체 역할을 할 수 있음을 입증하며, 이를 통해 체내 인간 장기 생성을 위한 새로운 개념 증명 모델을 확립한다.

원저자: Appleby, S. J., Fermin, L. M., Delaney, S., Wei, J., Meng, F., Turner, P., Wells, D. N., Davidson, A. J., Oback, B.

게시일 2026-07-20

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CC BY 4.0

원저자: Appleby, S. J., Fermin, L. M., Delaney, S., Wei, J., Meng, F., Turner, P., Wells, D. N., Davidson, A. J., Oback, B.

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ⚕️ 이것은 동료 심사를 거치지 않은 프리프린트의 AI 생성 설명입니다. 의학적 조언이 아닙니다. 이 내용을 바탕으로 건강 관련 결정을 내리지 마세요. 전체 면책 조항 읽기

인체를 활기찬 도시로, 그 장기들을 도시를 계속 돌아가게 하는 필수적인 발전소, 수처리 시설, 그리고 병원으로 상상해 보십시오. 이 중요한 시설 중 하나라도 고장이 나면 도시는 곤경에 처하게 됩니다. 수십 년 동안 해결책은 다른 사람으로부터 예비 부품을 찾는 것이었지만, 기증자의 수는 충분하지 않습니다. 이러한 부족 현상 때문에 과학자들은 돼지나 양과 같은 가축을 잠재적인 '장기 공장'으로 바라보기 시작했습니다. 이 동물의 유전자를 조작하여 그들의 장기가 우리와 비슷하게 보이고 작동하도록 만들어, 이식하기에 안전하게 만드는 아이디어입니다. 하지만 이러한 조작에도 불구하고, 인간의 면역 체계는 때때로 새로운 장기에 맞서 싸우며 거부 반응을 일으킵니다.

이를 해결하기 위해 과학자들은 더 대담한 전략을 시도하고 있습니다. 동물의 장기를 수정하는 대신, 동물의 몸을 하나의 건설 현장으로 사용하여 '기증자'의 장기를 처음부터 직접 키워내는 것입니다. 이것은 마치 원래 집이 철거된 부지에 새 집을 짓는 것과 같습니다. 이를 위해 과학자들은 먼저 특정 장기(예: 신장)를 만드는 방법을 알려주는 동물의 유전자를 제거하여, 빈 '니치(niche)' 또는 건설 현장을 만듭니다. 그런 다음, 초기 배아에 다른 유전적 출처를 가진 세포를 주입합니다. 만약 모든 것이 완벽하게 작동한다면, 동물의 몸은 이 기증 세포들을 사용하여 동물의 몸에 완벽하게 들어맞는 새롭고 기능적인 장기를 만들어낼 것입니다. 이 연구는 이 방법이 인간의 크기 및 생물학적 특성에 더 가까운 양과 같은 대형 동물에서도 작동할 수 있는지라는 큰 질문을 던집니다.

본 논문은 과학자들이 양을 이용하여 기증 세포로부터 신장을 성공적으로 키울 수 있음을 보여줌으로써, 그 방향을 향한 중요한 진전을 보고합니다. 연구진은 먼저 신장을 만드는 지침이 결여된 특수한 유형의 양 세포를 만들었습니다. 그들은 유전자 가위 도구인 CRISPR를 사용하여 신장 형성에 필수적인 SALL_1이라는 특정 유전자를 잘라냈습니다. 그들은 두 가지 버전의 '신장이 없는' 세포를 만들었는데, 하나는 유전자가 약간 손상되어 아주 작고 미성숙한 신장이 형성되는 경우였고, 다른 하나는 유전자가 완전히 삭제되어 신장이 전혀 형성되지 않는 경우였습니다. 또한 그들은 이 세포들을 편집하여 보통 면역 거부 반응을 일으키는 특정 표면 마커들을 제거함으로써, 미래의 인간 사용에 안전한 '제노컴패터블(xenocompatible, 이종 적합성)' 상태로 만들었습니다.

다음으로, 연구팀은 이 신장이 없는 양 세포를 빨간색으로 빛나는 정상적인 양 세포(무해한 형광 태그 덕분)와 결합하여 '키메라' 배아를 만들었습니다. 이것은 마치 서로 다른 두 종류의 점토를 섞어서 최종 조각품의 형태를 결정하는 과정을 보는 것과 같습니다. 연구진은 이 배아들을 대리모 양에게 옮긴 후, 임신 48일째 되는 날 결과를 확인했습니다. 결과는 유망했습니다: 숙주가 신장을 만들 수 없는 배아에서 기증 세포가 개입하여 장기를 **복구(restore)**하였으며, 그 결과 신장은 해부학적 및 조직학적으로 정상이었으나, 종종 일반적인 수컷 양의 신장보다 작았습니다 (이는 기증 세포의 출처가 암컷이었음을 반영하는 것으로 보입니다).

연구는 이 '신장 구제(kidney rescue)'의 성공이 몇 가지 요인에 달려 있음을 발견했습니다. 숙주 양의 세포가 완전히 망가진 SALL_1 유전자(신장이 전혀 없음)를 가졌을 때, 기증 세포가 그 빈자리를 성공적으로 채워 해부학적 및 조직학적으로 정상적인 신장을 만들어냈습니다. 그러나 새로운 신장의 크기는 다양했는데, 일부는 일반적인 수컷 양의 신장보다 작았습니다. 이는 기증 세포가 암컷 양에서 왔기 때문이며, 암컷 양은 자연스럽게 더 작은 신장을 가지고 있기 때문입니다. 연구진은 또한 빨간색 형광 태그의 복사본이 너무 많은 기증 세포를 사용하는 것이 오히려 배아에 해로워 출생 전 배아를 죽게 만든다는 것을 발견했습니다. 하지만 '저복제(low-copy)' 버전의 기증 세포를 사용했을 때는 배아가 생존했고 신장이 성장했습니다.

결정적으로, 본 논문은 이 방법이 양에서 작동한다는 것을 시사하며, 이는 '빈 니치' 전략이 대형 동물 모델에서도 실행 가능하다는 것을 증명합니다. 연구진은 특정 유전적 마커와 붉은 빛을 확인함으로써 새로운 신장이 기증 세포로 만들어졌음을 확인했습니다. 비록 이 연구는 48일째에 멈추었으며 동물이 태어나는 것까지는 관찰하지 못했지만, 장기를 구축하는 분자적 기제(machinery)가 설치류와 양 사이에서 보존되어 있음을 입증했습니다. 저자들은 우리가 성공적으로 장기를 복구했지만, 과정이 아직 완벽하지는 않다고 언급했습니다. 일부 태아는 여전히 어려움을 겪었으며, 신장이 항상 건강한 수컷 양의 신장 크기에 도달하지는 못했기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 이 연구는 양이 미래에 인간 친화적인 장기를 키우기 위한 새로운 모델이 될 수 있다는 '개념 증명(proof-of-concept)'을 제공하며, 이는 현재 사용되고 있는 돼지 모델에 대한 잠재적인 대안을 제시합니다.

기술 요약: 모룰라 상보성을 통한 이종 적합성 SALL1 결핍 양의 태아 신장 복구

문제 제기
기증 장기의 전 세계적 부족은 가축을 "인간화"하려는 노력을 가속화해 왔다(예: $\alpha$ -Gal 및 Neu5Gc와 같은 이종 항원 제거). 그러나 광범위한 다중 유전자 편집에도 불구하고 잔류 면역 거부 반응 및 생리적 부적합성은 여전히 존재한다. 대안적인 전략은 가축을 숙주로 사용하여 체내에서 인간 장기를 배양하는 것이다. 이는 유전자 편집을 통해 숙주의 장기 발생을 비활성화하고, 서로 다른 유전적 기원을 가진 공여 세포로 배아를 보완함으로써 "열린 장기 니치(open organ niche)"를 생성하는 것을 필요로 한다. 이러한 "포배 상보성(blastocyst complementation)" 개념은 설치류와 돼지에서는 검증되었으나, 돼지를 제외한 임상적으로 유의미한 대형 동물 종에서는 입증되지 않았다. 더욱이 신장은 전 세계적으로 가장 필요한 장기 중 하나이며, 메타네프로스(metanephros) 단계를 통한 신장 발달은 SALL1(Spalt-Like Transcription Factor 1)과 같은 특정 전사 인자에 의존하므로, 니치를 생성하기 위해 호스트 내에서 이를 정밀하게 제거해야 한다.

방법론
본 연구는 체내 신장 생성을 위한 모델 시스템으로서 가축(양)의 활용 가능성을 테스트하기 위해 국내 양을 이용하였다. 실험 워크플로우는 세 가지 주요 단계로 구성되었다:

삼중 결핍(TKO) 호스트 세포 생성:
- 양 태아 섬유아세 세포(OFFs)를 편집하여 신장 발달에 필수적인 SALL1과 이종 항원 유전자인 CMAH 및 GGTA1을 동시에 결핍시켰다.
- 두 가지 별도의 SALL1 편집 전략이 사용되었다:
  - 저기능성(CGS4hypo): 아연 집적 클러스터 2(ZFC2)를 표적으로 하는 단일 gRNA를 사용하여 작은 인델(indel)을 유도함으로써 부분적인 기능 손실을 유도했다.
  - 결손형(CGS20null): 기능적 아연 도메인을 모두 제거하기 위해 엑손 2의 대부분(>3 kb)을 삭제하도록 설계된 이중 gRNA를 사용하여 완전한 결손 대립유전자를 생성했다.
- 선택된 세포주는 Cas9 삽입 및 오프타겟 변이가 없는 것으로 확인되었다.
공여 세포 생성:
- 여성 공여 섬유아세포는 CMAH 및 GGTA1 편집과 키메리즘(chimaerism) 표시 역할을 할 mCherry 트랜스진(CAGGS에 의해 구동됨)을 운반하도록 설계되었다.
- 두 종류의 공여 세포주가 mCherry 복제수(copy number)에 따라 선정되었다: 고복제수 계통(mCherry38)과 저복제수 계통(mCherry54).
키메라 생산 및 분석:
- 체세포 복제(SCT): TKO 수컷 호스트 세포를 사용하여 SALL1 결핍 표현형을 특성화하기 위해 태아를 복제했다.
- 모룰라 응집(Morula Aggregation): 키메라를 생성하기 위해 TKO 수컷 호스트(저기능성 또는 결손형)에서 유래한 모룰라를 여성 mCherry 공여 세포에서 유래한 모룰라와 응집시켰다.
- 배아 이식: 응집된 배아를 동기화된 수용 양에게 이식했다.
- 평가: 태아를 임신 48일(D48)에 회수했다. 키메리즘은 mCherry 형광, 엔드포인트 PCR(Y-염색체 및 특정 CMAH 편집 확인용), 그리고 mCherry 복제수 측정을 위한 드롭렛 디지털 PCR(ddPCR)을 통해 평가되었다. 신장 형태 및 조직학적 분석을 통해 공여 세포가 장기 니치를 복구했는지 확인했다.

주요 결과

SALL1 결핍 표현형:
- 저기능성(CGS4hypo): 복제된 태아들은 일측성 무신장증부터 양측성 저형성증(야생형 수컷보다 신장이 20~92% 작음)에 이르는 다양한 메타네프릭 표현형을 보였다. 조직학적으로는 크기는 감소했으나 정상적인 신장 구조를 나타냈다.
- 결손형(CGS20null): 이 계통에서 생존한 단 하나의 D48 태아는 메타네프릭 신장이 전혀 없는 상태(무신장)였으며, 이는 대규모 삭제가 신생(nephrogenesis)을 성공적으로 차단했음을 확인시켜 주었다. 주변 장기(생식샘, 부신)는 정상적으로 보여 심각한 다면적 효과(pleiotropic effects)는 없음을 시사했다.
공여 세포 생존력:
- 고복제수 mCherry 공여 계통(mCherry38)은 단독으로 사용되었을 때 배아 치사성을 보였는데, 이는 무작위 게놈 삽입이나 독성 때문으로 추정되며, 결과적으로 생존 가능한 태아를 생성하지 못했다.
- 저복제수 공여 계통(mCherry54)은 정상적인 신장 발달과 형광을 보이는 생존 가능한 태아를 생성했다.
신장 상보성:
- 모룰라 응집은 키메라 태아 생성을 성공적으로 수행했다.
- SALL1 결손 호스트(CGS20null)와 저복제수 여성 공여체(mCherry54)를 결합한 키메라에서 신장이 복구되었다.
- 복구 양상: 복구된 신장은 해부학적 및 조직학적으로 정상이었으며, 기질 세포, 사구체 및 세관을 포함하고 있었다.
- 크기 및 키메리즘: 복구된 신장의 크기는 다양했다. 높은 공여 기여도를 가진 태아(높은 mCherry 신호)의 경우 신장은 암컷 야생형 크기에 근접했다. 낮은 공여 기여도를 가진 키메라의 경우 신장은 더 작았으나(저형성), 여전히 존재했다.
- 키메리즘 효율: 전체 키메리즘 효율은 약 54%였다. PCR 및 ddPCR은 조직 내에 호스트와 공여 DNA가 모두 존재함을 확인했으며, mCherry 형광은 완벽하지는 않지만 키메리즘 수준을 나타내는 신뢰할 수 있는 대리 지표 역할을 했다.

의의 및 주장
본 논문은 배아 상보성을 통한 체내 장기 생성을 위한 모델 종으로서 양을 사용하는 것에 대한 첫 번째 개념 증명을 제공한다고 주장한다. 구체적으로, 본 연구는 다음을 입증한다:

대형 동물에서의 타당성: 설치류와 돼지에서 검증된 "열린 장기 니치" 전략이 임상적으로 유의미한 대형 동물 종인 양에도 성공적으로 적용될 수 있다.
메커니즘의 보존: 신장 발달 및 보상을 조절하는 분자적 메커니즘은 설치류와 반추류 사이에 보존되어 있으며, 공여 세포가 SALL1 결핍 호스트 내에서 신장 니스를 성공적으로 재형성할 수 있음을 보여준다.
이종 적합성 잠재력: SALL1 결핍과 주요 이종 항원(CMAH, GGTA1)의 제거를 결합함으로써, 본 연구는 이종 적합성 장기 생성을 위한 토대를 마련했다.
한계 및 향-단계: 저자들은 신장 니치는 채워졌으나, 클로닝 과정이나 특정 공여/호스트 비율 때문인지 결과물인 장기가 때때로 저형성 상태였다는 점을 언급했다. 이들은 장기를 출생 시까지 완전히 구제(rescue)하는 것과 비신장 구조(예: 요관 싹 유도체)의 키메라 성격을 해결하기 위한 추가 연구가 필요함을 강조한다. 본 연구는 양이 돼리를 대체하여 장기 니치 연구를 수행할 수 있는 유효한 대안임을 결론지으며, 이는 돼지 유래 이종 이식과 관련된 문화적, 종교적 장벽을 완화할 수 있다.

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