정의
개체발생은 수정란의 발생 조절 과정을 통하여 진행된다. 조직형성에서 조직을 구성하는 세포는 특정 유형과 기능을 지닌 세포로 이들 세포는 미분화된 세포로부터 유래한다. 줄기세포는 상대적으로 발생이 덜된 미분화된 세포로 특정 조직 세포로 분화할 수 있는 능력을 지닌 세포를 말한다. 이들 세포는 발생 과정에서 존재하는 세포로 인위적 조절이 가미된 상황에서 정의하지 않는다. 즉 줄기세포를 각 발생단계에서 상대적으로 미분화된 세포로서의 특징을 갖는다. 또한 자기 자신의 특성을 유지하는 능력을 지닌 딸세포와 특정 유형의 세포로 분화하는 딸세포를 동시적으로 만드는 특징을 갖는다.
배아줄기세포(embryonic stem cell)는 개체를 구성하는 모든 유형의 세포로 분화할 수 있는 능력을 갖고 있는 줄기세포(만능줄기세포, pluripotent stem cell)이다. 기타 줄기세포는 특정한 조직세포로만 분화할 수 있다. 줄기세포(stem cell)라는 용어는 1908년 제정 러시아의 세포학자 막시모프(Alexander A Maksimov)에 의해 명명되었다.
종류 및 기작
줄기세포는 분열하면 두 딸세포 중 최소한 하나는 자기와 동일한 특성을 유지하고, 다른 딸세포는 주위의 요구나 내재적 특성에 의하여 분화 경로를 수행한다. 이로서 줄기세포는 조직항상성 유지나 재생 등에 있어서 세포의 공급원 역할을 하게 된다. 줄기세포를 발생 능력을 기준으로 나누면 만능(분화)줄기세포(pluripotent stem cell), 다(분화)능줄기세포(multipotent stem cell), 단(분화)능줄기세포(unipotent stem cell)로 나뉜다. 한편 줄기세포가 유래한 발생 시기에 따라서는 배아줄기세포와 성체줄기세포로 구분한다. 인위적으로 만든 줄기세포로는 만능성을 지닌 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)가 있다. 발생에서 계보 제한적 세포(lineage restricted cell)는 분화 방향이 설정되어 있고 지속적으로 세포를 제공하는 세포로서 단(분화)능성 줄기세포나 전구세포를 다른 말로 이르는 용어이다. 전구세포(progenitor cell)가 줄기세포로 부를 수 있는가에 관하여 많은 논쟁이 있다. 줄기세포로 명명하지 않는 이유는 제한적으로 자기재생을 할 수 있도록 제한되기 때문으로 설명되고 있으나 매우 모호하다. 발생학에서는 전구체라는 용어가 특정계보의 조상 세포이다. 따라서 전구세포는 구별이 모호할 때 종종 사용될 수 있다.
수정란은 난할을 시작으로 발생 과정을 조절한다. 이 과정에서 줄기세포들이 형성된다. 조직형성 과정에서 줄기세포 특성을 유지하는 일정한 환경이 조성되며 이 환경을 줄기세포삶터 (stem cell niche)라고 한다. 줄기세포 삶터의 형성을 통하여 일생동안 조직의 항상성을 유지하거나 손상된 조직의 재생을 통한 개체의 기능 유지가 가능하게 된다. 현재까지 밝혀진 사실로는 대부분의 성체 조직과 기관이 이러한 줄기세포 삶터를 가지고 있다. 성체 줄기세포가 되는 능력은 위치한 환경에 의존적인 것으로 밝혀졌으며, 이 삶터는 조절될 수 있는 조절성 미세환경(regulatory microenvironment)이 유지되는 장소이다. 줄기세포 삶터를 구성하는 세포들은 줄기세포와 상호 작용하여 줄기세포의 증식 조절이나 그 딸세포의 분화를 조절한다.
줄기세포의 특성 유지는 줄기세포 마커로 일컬어지는 Oct-4나 Nanog 등이 유전자 활성을 유지함으로 된다. 이러한 줄기세포 특이적인 유전자 활성은 줄기세포삶터의 환경 또는 발생과정에서의 상호 작용과정에서 유전자 발현 네트워크의 형성을 통하여 안정화된다. 염색체 구조의 특성 유지도 또한 중요한 요인으로 제시되고 있다.
응용
줄기세포를 이용한 의학적 적용은 줄기세포 적용 재생, 인공 장기 형성, 세포 치료 등이 대표적인 예로 그 가능성은 무궁무진하나 현재까지 연구와 응용은 초보단계이다. 성체에서 줄기세포는 줄기세포삶터에 머무르게 되는데 그 삶터의 형성과 유지에 대한 이해는 향후 많은 연구가 필요하다. 근래 들어 난자를 이용하여 배아줄기세포를 생성하는 것은 윤리적인 문제를 야기하고 또한 응용에서 많은 제한점이 있어 이를 극복하기 위한 노력이 경주되었다. 결과 중의 하나는 인위적으로 체세포의 Oct3/4 (Pou5f1), Sox2, c-myc, Klf4 유전자를 이용하여 유도만능줄기세포를 생산하였다. 일본의 발생학자 야마나카(Shinya Yamanaka)는 이 업적으로 2012년도 노벨 생리학•화학상을 수상하였다. 이를 이용하여 맞춤형 줄기세포 치료, 제약 등에 큰 발전이 있을 것으로 기대가 모아지고 있다.
