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헬라 세포 또는 힐라 세포(HeLa cell, /ˈhiːlɑː/)는 무한하게 증식하는 세포주로 과학 연구에서 가장 오래되고 흔하게 사용되는 세포주이다.[1] 헬라 세포주는 1951년 2월 8일 헨리에타 랙스(Henrietta Lacks)라는 자궁경부암 환자의 세포에서 유래하였으며,[2] 연구에서 쓰이는 다른 세포주에 비하여 내성이 있고 증식력이 높다.[3][4]
1940년대에 실험에 쓰인 사람 세포는 며칠 채 생존하지 못하였기 때문에 과학자들은 실제 실험보다 실험에 필요한 세포를 살리는데 더 많은 시간을 소비하였다. 헨리에타의 종양에서 세포를 얻은 조지 가이(George Otto Gey)는 헨리에타의 세포 일부가 살아서 증식한다는 것을 발견하였다.[5] 그는 특정한 세포 하나를 분리하여 증식시키고, 그 세포주에 헨리에타 랙스(Henrietta Lacks)의 이름을 따서 헬라 세포(HeLa cell)라고 명명하였다. 수 차례 분열한 후에도 죽지 않는(immortal) 세포 중에서 사람 세포로서 실험실에서 증식한 최초의 세포이다.[4]
1954년 조너스 소크는 소아마비 백신 개발에 헬라 세포주를 이용하였다.[4][6] 헬라 세포는 또한 1955년 최초로 복제된 사람 세포이다.[7]
헬라 세포는 헨리에타 랙스가 죽기 직전인 1951년에 조지 가이가 얻어냈다. 이 세포는 시험관 내에서(in vitro) 성공적으로 증식한 최초의 사람 세포이다. 가이는 연구실에서 개발한 도구와 기법과 함께 과학의 발전을 꾀하는 누구에게나 헬라 세포를 무료로 기증하였다. 랙스나 그녀의 가족 중 누구도 세포를 추출하는 것을 허락하지 않았지만, 그 시대에는 관례상 허가를 구하거나 필요로 하지 않았다.[8] 세포는 원형 그대로는 특허권을 얻지 않았지만, 이후에 상업적으로 이용되었다. 현재는 수술, 진단 및 치료 과정에서 얻거나 버려지는 폐기물은 의사 혹은 의학 기관의 소유이므로 환자나 그 관계자에게 반드시 고지할 필요는 없다. 랙스의 상황과 이 사안은 무어 대 캘리포니아 대학 평의원(Regents) 판례를 만들었다. 캘리포니아 대법원은 버려진 사람 조직이 그 사람의 재산이 아니며 상업화가 가능하다고 판결하였다.[9]
처음에 세포주는 랙스의 익명성을 보장하기 위하여 "헬렌 레인(Helen Lane)"이나 "헬렌 라슨(Helen Larson)"의 이름을 딴 것으로 알리려고 하였으나, 랙스가 죽은 뒤에 몇 년 이내에 실명이 언론에 거론되었다. 헬라 세포는 암 진단 과정의 일부로 자궁경부의 병변에서 생검한 조직에서 유래되었으므로 암세포로 취급된다. 헬라 세포의 정확한 분류에 대한 논의는 계속되고 있다.[출처 필요]
헬라 세포는 다른 세포주와 마찬가지로 불멸(immortal)의 세포이고 기본적인 세포 생존 조건이 맞는 한 배양 접시에서 무한정 분열할 수 있다. 헬라 세포주는 세포 배양 동안에 변이가 계속되어 다양한 세포 계통(strain)으로 발전하였다. 지금까지 헬라 세포에서 분열하여 얻은 세포의 수가 헨리에타 랙스의 전신에 있었던 세포의 수를 훨씬 초과하는 것으로 추정된다.[10]
헬라 세포는 폴리오바이러스에 쉽게 감염되고 죽는 것을 관찰하기 용이하여[11] 1950년대에 조너스 소크가 소아마비 백신을 개발할 때 실험용으로 사용되었다. 헬라 세포를 대량으로 생산하기 위하여[12] 1953년 봄, 터스키기 대학에 세포 배양 공장이 설립되었다.[13] 이듬해 소크의 소아마비 백신은 사람을 대상으로 한 임상 실험을 할 수 있게 된다.[14]
1955년 시어도어 퍽(Theodore Puck)과 필립 마커스(Philip Marcus)는 헬라 세포 복제에 성공하였다.[15] 이후 헬라 세포는 암, 에이즈, 유전자 지도 작성, 독성 물질과 방사능의 영향에 대한 연구[6] 뿐만 아니라 화장품, 접착제, 테이프 및 기타 공산품에 대한 사람의 민감도를 검사하는데 쓰인다.[4] 지금까지 증식한 헬라 세포는 5천만톤에 달하며,[4][16] 관련 특허는 거의 11,000개에 달한다.[4] 2009년 기준으로 헬라 세포를 이용한 연구가 6만 개 이상 출판되었으며, 한 달에 300개 이상 증가하는 추세이다.[9]
헬라 세포는 파보바이러스가 세포를 어떻게 감염시키는지 실험하는데 사용되었다.[17] 오로퓨스 바이러스(Oropouche virus, OROV)를 연구하는데에도 이용되었다. OROV에 감염된 세포는 아폽토시스를 일으킨다.[18] 헬라 세포는 인간 유두종바이러스 E2의 발현과 아폽토시스,[19] 개 디스템퍼 바이러스(canine distemper virus)가 아폽토시스를 유도하는 능력에 대한 연구에 사용된다.[20]
헬라 세포는 에스트라디올, 에스트로겐과 같은 스테로이드성 성 호르몬이나 항암 능력이 있는, 에스트로겐 수용체 작용제인 퀘르세틴(quercetin) 연구에 이용된다.[21] 망고 껍질에서 추출한 에탄올 성분의 항암 활성과 식물화학성분(phytochemical)에 대한 연구에도 헬라 세포가 이용된 바 있다.[22]
2011년, 헬라 세포는 새로운 헵타메틴 염료 IR-808와 기타 유사 물질을 시험하는데에 사용되었다. 헵타메틴 염료는 광역학요법, 방사선 조사, 다른 약물을 동반 투여하는 방법과 조합하여 개별 맞춤형 암 치료 방법으로 이용하거나 의학 진단을 위한 도구로 이용하기 위하여 연구되고 있다.[23][24] 헬라 세포는 시험관 내 암 연구 뿐만 아니라 광역학요법의 일환으로 풀러렌을 이용한 아폽토시스 유도 연구에도 이용된다.[25] 헬라 세포를 통하여 RNA에 있는 암 지표를 정의하고, RNAi에 기반하여 특정한 암 세포를 식별하거나 간섭하는 방법이 밝혀졌다.[26]
헬라 세포는 암 연구를 위하여 쓰이지만, 다른 암세포에 비해서도 비정상적으로 빠르게 증식한다. 다른 암세포와 마찬가지로[27] 헬라 세포가 분열하는 동안 텔로머레이스가 활성화되어[28] 텔로미어가 점증적으로 짧아지는 것을 방지하고, 이를 통하여 세포는 헤이플릭 한계(Hayflick limit)[주 1] 이상으로 분열한다.
인간 유두종바이러스 18(HPV18)에서 자궁경부 세포로 수평적 유전자 이동 결과 헬라 세포의 유전체는 염색체 수를 포함하여 상당 부분 헨리에타 랙스의 유전체와는 다르다. 헬라 세포는 빠르게 분열하는 암세포로 암 생성 과정과 세포 배양 중에 염색체의 수가 달라진다. 현재까지 추정한 바로는 매우 작은 조각을 포함하여 3배수체 이상의 염색체, 즉 76-80개의 염색체가 존재하고, 그 중 22-25개는 헬라 세포만의 특이적인 염색체로 알려져 있다.[29][30][31][32] 특이적인 염색체는 원래 염색체 여러 개에서 유래하여 본래 핵형 분석법으로 번호를 매기기가 어렵다. 비정상적인 핵형이 어떻게 안정적으로 존재하는지 연구된 바 있다.[29]
인간 유두종바이러스(HPV)는 흔히 세포 DNA에 통합되어 자궁경부암을 일으킨다. 우리는 형광 제자리 혼성화(fluorescence in situ hybridization, FISH) 기법을 이용하여 HPV18이 DNA에 통합되는 자리의 지도를 만들었다. 정상적인 8번 염색체의 장완 24(8q24)에 세 군데, 8q24의 일부를 가진 파생 염색체(derivative chromosome) der(5)t(5;22;8)(q11;q11q13;q24)와 der(22)t(8;22)(q24;q13)에 두 군데로 총 다섯 군데였다. 비교 유전체 혼성화(comparative genomic hybridization, CGH) 결과 8q24 복제 수가 증가하는 것이 보였다. 두 가지 색의 FISH에 c-Myc 탐침을 이용하여 8q24에 나타낸 결과 모든 HPV18 통합 자리에서 c-Myc가 같이 나타났다. 이는 바이러스가 삽입된 이후에 c-Myc가 확산되고 증폭되었음을 나타내며, 단일 통합 자리에 의해 초래되었을 가능성을 보여준다. 염색체 수와 구조 이상, 유전체 불균형, HPV18가 c-Myc 유전자좌에서 통합되는 것(앞에서부터 각각 스펙트럼 핵형 분석(spectral karyotyping), CGH, FISH 기법으로 밝혀짐)은 자궁경부 암종 진행 악화기의 대표적인 특성이다. 헬라 세포 유전체는 수 년간의 반복된 배양에도 매우 안정적이다. 따라서 이상에서 관찰한 유전적 변형이 처음 종양에도 있었으며 자궁경부암이 발달하는 과정에서 일어나는 변화와 관련이 있을 것으로 추정된다. -Macville et al., 1999[29]
2013년 3월 11일 헬라 세포의 완전한 유전체 서열이 밝혀졌다.[30][33] 랙스의 가족은 이 사실에 대해 모르고 있다가[34] 나중에 이의를 제기하였으며, 저자 일동은 자발적으로 서열 자료에 대한 접근을 보류하였다.[34] 워싱턴 대학교의 제이 센듀어(Jay Shendure)가 지휘한 헬라 세포 시퀀싱 프로젝트의 출판 또한 랙스의 가족의 사생활 문제가 해결될 때까지 유보하기로 결정하였다.[35] 2013년 8월 7일, 미국 국립 보건원장 프랜시스 콜린스(Francis Collins)는 랙스 일가족의 동의 아래 헬라 세포주 유전체에 대한 제한적인 접근 방침을 발표하였다.[36] 자료 접근 위원회는 의학 연구와 헬라 유전체 자료 사용 동의(HeLa Genome Data Use Agreement)에 따라 요청을 검토한다. 위원회는 랙스의 가족 두 명을 포함하여 의학, 과학, 생명윤리계를 대표하는 사람 여섯으로 구성된다.[36] 콜린스는 인터뷰에서 랙스 일가족이 어려운 상황에 참여하고 기꺼이 허락해 준 것에 대한 감사를 표하면서, 일가족과 협력하게 된 것은 과학과 과학의 역사 및 윤리적 문제를 한데 모은 특별한 일이라고 말하였다.[37]
헬라 세포는 배양 접시에서 매우 잘 적응하고 성장하기 때문에 통제하기 어려운 경우도 있다. 헬라 세포는 같은 실험실에 있는 다른 세포를 오염시켜서 생물학 연구를 방해하고 연구 결과를 무효화한다. 이미 잘 정립된 세포주의 순도를 검사하려는 연구자는 거의 없기 때문에 헬라 세포가 다른 세포주를 어느 정도 오염시키는지에 대한 자료는 알려져 있지 않다. 시험관 내(in vitro) 세포주 상당수(10-20%)가 헬라 세포에 감염되어 있는 것으로 추정된다. 스탠리 가틀러(Stanley Gartler, 1967)와 월터 넬슨-리스(Walter Nelson-Rees, 1975)가 헬라 세포에 오염된 다양한 세포주에 대한 자료를 처음 발표하였다.[38]
과학 저술가 마이클 골드(Michael Gold)는 저서 《A Conspiracy of Cells》에서 넬슨-리스가 발견한 헬라 세포로 인한 오염이 전 세계적으로 만연한 문제임을 지적하였다. 그는 조너스 소크를 포함하여 명망 있는 연구 시설에도 이와 같은 문제가 존재하며, 학자들의 감정과 자존심, 그리고 실수를 인정하지 않으려는 태도로 인하여 문제가 커졌다고 주장하였다.[39]
과학자와 과학 저술가들은 헬라 세포 오염 문제를 해결할 방법을 모색하는 대신에 계속해서 이 문제를 사람의 실수로 생긴 오류나 결점이 아닌 헬라 세포 자체의 강인함과 압도적인 증식력 때문으로 여기며 단순한 오염 사건으로 다룬다.[40] 교차 오염은 현대 세포 배양 방법의 주요 문제로 현재진행형이라는 연구가 있다.[3][41]
헬라 세포는 무한정 증식할 수 있고 염색체 수가 사람과 다르기 때문에 리 밴 베일런(Leigh Van Valen)은 현시대의 새로운 종의 예시로 들고 학명을 Helacyton gartleri로 정하였다. 밴 베일런은 "이 종의 놀라운 적응력"을 발견한 공로로 스탠리 가틀러의 이름을 따 종의 이름을 정한다고 밝혔다.[42] 밴 베일런이 주장은 다음과 같다.
헬라 세포를 새로운 종으로 제시하는 것과 함께, 밴 베일런은 새로운 과 Helacytidae와 속 Helacyton을 제안하였다.[42] 그러나 이 명명에 따르면 Homo와 Hominidae는 측계통군에 속하게 되는데, Helacyton gartleri는 Homo sapiens(사람)와 가장 가깝기 때문이다.
밴 베일런의 제안은 저명한 진화생물학자들이나 과학계에서 받아들여지지 않고, 대개는 거의 주목을 받지도 못하고 있다.[출처 필요] 헬라 세포는 암 핵형의 불안정성과 엄밀한 의미의 조상-자손 계보가 존재하지 않기 때문에 단세포 무성생식을 하는 독립적인 종의 기준을 충족하지 못한다.[44][45] 단지 헬라 세포는 인간 세포를 대표한다고 보기에는 부정확하며,[출처 필요] 정상 핵형에 더 가까운 다른 인간 유래 세포주와 동시에 사용되어야 한다.[출처 필요]
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