원시생식세포(primordial germ cell; PGC)는 성성숙 이후에 기능을 갖는 생식세포의 근원이 되는 세포로서, 다능성을 갖고 있는 것으로 알려져 있다. 그러므로 chimera 및 유전자 변환동물 생산을 위해 널리 사용되어 온 배아주(embrynic stem; ES)세포를 대신할 다른 세포계라고 생각되어져 많은 연구가 진행되고 있다. 본 실험은 체외배양을 통하여 원시생식세포의 증식과 확립을 위해 배양조건을 구명하고, 또한 성장인자의 효과를 검증하기 위하여 실시되었다. 원시생식세포는 12.5일째의 ICR 생쥐태아의 원시생식선 융기조직으로부터 추출하였으며, DMEM + 20% FCS + nucleosides + antibiotics로 조성된 sDMEM 배양액을 사용하여 mitomycin C로 전처리한 되먹임세포단층(feeder layer)위에서 체외배양하였다. bFGF 및 LIF를 20, 40ng/ml농도로 각각 또는 함께 첨가하여 성장인자의 효과를 검토하였다. 원시생식세포는 성에 따라 유의적인 colony 형성율을 보였고(♂:1.9 colonies / genital ridge, ♀:1.3 colonies / genital ridge), bFGF 및 LIF의 첨가 및 첨가농도에 따라서도 유의성 있는 결과를 보였다(0.3~1.9 colonies / genital riege). 그러나 3회 이상 계대배양을 할 경우, 원시생식세포의 colony를 4% prarformaldehyde로 20분간 고정한 후, tris-maleate buffer(pH 9.0)로 10분간 3회 세정하였다. Fast Red로 염색을 실시한 결과, 대부분의 colony가 염색반응을 보여 다능성을 갖는 원시생식세포의 colony임이 입증되었다. 그러나 대부분의 colony가 3회 이상의 계대배양시 생종율이 급격히 떨어지는 것을 감안하면, 또 다른 미지의 성장인자나 보다 적절한 배양조건이 요구된다고 생각된다.
본 연구는 생식선 키메라 생산효율을 높이기 위한 방법으로 busulfan 가온 주입법을 이용하여 효과적인 원시생식 세포의 이동능력을 검증하였다. 효율적인 생식선 키메라 닭 생산에서 중요한 요건 중 하나인 공여체 원시생식세포의 생존율을 측정한 실험에서는 시간이 지남에 따라 생존율에 변화를 보였으나, 평균 $70{\sim}80%$을 유지하고 있었으며, busulfan 처리 유무에 따른 공여체 원시생식세포 이동능력은 형광염색 후 주입한 실험에서 대조구가 4.8%인 반면 실험구는 23.5%을 나타냈다. 이식전 원시생식세포 배양 조건에 따라, 96시간과 118시간 배양 처리구에서 높은 이동능력을 보여 주었다. 원시생식세포의 형태학적, 생리학적 특징을 응용한 이식방법은 매우 효과적일 것이다. 그리고 본 연구에서는 생식반월의 발달단계 별 busulfan 처리 효과는 48시간이 가장 높은 53.4%였으며, 그러나 본 연구에서는 생식반월 유래 원시생식세포 이식은 48시간 이전, 혈관계가 발달하기 직전으로 가장 높은 효율을 보였다. 결론적으로 생식선 키메라 방법을 통한 형질전환 닭 생산 연구의 가장 큰 관건은 최대한 많은 수의 공여체 원시생식세포가 수용체의 저해작용 없이 안정적으로 수용체 gonad로 이동하여 분화하는 것으로, 본 연구 결과를 토대로 개선된 방법을 이용하면 높은 효율의 생식선 키메라 닭이 생산될 것으로 사료된다.
돼지 원시 생식세포를 미성숙 성선에서 분리하고 체외 배양하여 EG 세포를 얻으려 할 경우 , 상당수의 세포들이 배양초기에 손실을 입게 된다. 이러한 돼지 원시 생식세포의 체외 손실 원인을 규명하고자, 미성숙 성선에서 분리된 세포를 부유 배양을 하고 FACS (fluorescent activated cell sorter)를 이용한 DNA 절편 분석법으로 apoptosis를 관찰한 결과 체외 배양된 처리구에서 apoptosis가 증가되었다. 그러나, 미성숙 성선에서 분리된 세포는 원시 생식세포와 체세포가 혼합된 세포들이므로, apoptosis가 일어난 돼지 원시 생식세포를 다른 체세포들로부터 구분하기 위하여 0 시간부터 24 시간까지 배양된 세포를 대상으로 정량 TUNEL 분석을 시행하였다. 이 결과, alkaline phosphatase 활성과 in situ TUNEL 분석을 통하여 apoptosls 가 일어난 돼지 원시 생식세포가 시간이 경과함에 따라 증가되었다. 이러한 결과들을 종합하여 볼 때 apoptosis가 돼지 원시 생식세포의 체외 손실의 원인 중 하나임을 규명하였다.
형질전환 가금의 생산은 생체반응기(Bioreactor)가금에 의한 고부가가치의 생의약 물질을 저비용, 고효율로 생산할 수 있으며, 배 발달과정 및 유전자 조절기작 규명을 통한 학문적 이용성 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 형질전환 가금을 생산하기 위한 방법 중 닭의 배 발생 초기에 발생하는 성세포(정자 혹은 난자)의 전구세포인 원시생식세포를 이용한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 이를 검증할 원시생식세포 특이적 마커의 부재로 많은 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 연구는 원시생식세포의 특성 분석을 위해 PAS(Periodic acid-Schiff) 염색 및 특이항체 (SSEA-1,3,4 & Integrins $\alpha$6, $\beta$l) 그리고 lectins (STA, DBA, ConA, WGA)를 이용하였다. 이번 연구결과를 통한 닭 원시생식세포의 특이적 마커의 개발은 원시생식세포를 이용한 가금의 형질전환 연구에 기여할 것이다.
귀중한 한국재래닭 (오계)의 원시생식세포를 냉동보존하고, 키메라 닭을 통한 재래종의 복원을 도모하는 방법을 실용화하기 위해서, 오계의 원시생식세포에 있어 최적의 동결방법에 대해 검토했다. 원시생식세포의 동결은, 세포를 분리한 후, 동결배지의 기초가 되는 혈청으로서 소 태아혈청 (FBS) 그리고 닭 혈청(CS)를 이용하고, 동결보호제로서는 EG 및 DMSO의 첨가량을 2.5, 5, 10, 15%로 설정하고, 300 ${\mu}L$의 동결배지 용량으로 동결 튜브 안에서 $-70^{\circ}C$로 동결했다. 융해 후에는 오계 PGC의 생존율을 확인 및 검토를 했다. 그 결과, FBS 처리군이 CS 처리군 보다 생존 PGC 회수율이 높은 경향을 나타냈다. 또한 항동해제로서 최적의 조건은 10% EG + FBS의 조합을 기초로 한 동결배지에서 가장 높은 오계원시 생식세포의 생존율을 확인했다. 이러한 결과들로부터 한국재래종(오계)의 원시생식세포의 동결보존의 실용화가 보다 더 향상 될 수 있는 또 하나의 방법이 될 수 있음을 시사한다.
유도된 3배체 미꾸라지 Misgurnus mizolepis의 자, 치어를 재료로 시원생식세포의 출현, 생식 융기 및 원시생식소 형성 및 발달 과정을 조사하여 2배체와 비교하였다. 2배체와 3배체 모두 시원생식세포는 부화후 2일, 체후부의 중신관과 장관사이의 섬유성 간충직을 따라 식별되었다. 생식 융기는 부화후 4-5일 체벽 상피로부터 복강으로 돌출되기 시작하였고 원시 생식소는 부화후 8일의 후기자어에서 식별되어, 부화후 20-25일까지 시원생식세포들의 분열 증식과 풍부한 섬유성 결체조직의 형성과 함께 앞쪽으로 신장되어 가는 선상의 생식소로 나타나 두 실험군 모두 동일한 조직학적 특성을 보였다. 시원생식세포의 형태는 2배체와 3배체 모두 원반형에서 타원형 내지 구형으로 발달되었고 크기의 차는 없었으나, 원시생식소의 길이는 2배체가 3배체에 비해 길게 나타났다.
동결 닭 원시생식세포의 생식계열 키메라를 이용한 생체에의 복원을 실용화하기 위해서는, 닭 원시생식세포의 동결보존기술의 향상에 의해 동결 및 융해 후의 많은 생존세포를 확보하는 것과, 생식계열 키메라의 제작효율을 높이는 것이 반드시 필요하다. 닭 원시생식세포는 배양 5.5~6 일령의 닭 원시생식선으로부터 채취하고, MACS 방법에 의해서 순수 닭 원시생식세포를 분리했다. 15% 각각의 EG와 DMSO를 동결보호제로 사용한 처리군이 각 군의 농도에 상관없이 유의적(p<0.05)으로 glycerol 처리군보다 동결 및 융해 후의 세포의 생존율이 높음을 확인하였다. 특히 10% EG + FBS 조합의 처리군에서 상업용 닭(C : $89.4{\pm}0.2%$)과 이사브라운 (A : $87.4{\pm}0.4%$)의 두 품종이 오계(B : $77.6{\pm}1.1%$) 및 화이트레그혼(D : $76.2{\pm}0.9%$의 두 품종보다 동결 및 융해 후의 원시생식세포의 생존율이 유의적(p<0.05)으로 높음을 확인하였다. 이상의 결과들로부터10% EG + FBS와10% DMSO + FBS 조합의 두 처리구 간에 동결 및 융해 후의 세포생존율의 유의적인 차이는 보이지 않았지만, 동결 배지의 농도별 효율이 높음을 확인했다. 또한 네 품종 간의 동결 및 융해 후의 닭 원시생식세포 생존효율의 비교에서는 상업용 닭, 이사브라운, 오계 그리고 화이트레그혼 품종 순으로 생존율이 높음을 확인하였다. 초자화 동결에 있어서 가장 높은 생존율을 보인 10% EG이 10% DMSO와 함께 최적의 동결보호제로서 사용 가능성을 확인하였다.
조류의 원시생식세포는 수용체 배자로의 주입을 통해서 생식선 카이메라 생산을 가능하게 하기 때문에 유전자 도입에 매우 효율적인 도구이다. 특히, 메추리는 성성숙이 빠르며 산란능력이 뛰어 나기 때문에 형질전환 조류 생산과 유전자 기능 연구에 매우 적합하다. 형질전환 조류 생산 효율을 높이기 위해서는 수용체 배자 내의 원시생식세포의 수를 줄이는 것이 필수적인 요소이지만, 아직까지 메추리에서 이러한 시도를 했다는 보고는 없다. 본 연구는 감마선 조사가 수용체 내의 원시생식세포의 수를 감소시킬 수 있는지 알아보았다. 먼저 0, 250, 500, 750, 1,000 rads 강도의 감마선을 갓 산란된 메추리알에 조사 후 5일령 배자에서 기형 발생빈도를 측정하였고, 0과 500 rads에서 17일째 부화율을 검정하였다. 그리고 500 rad의 감마선을 산란된 알에 73초간 조사 후 5일간 배양시킨 뒤 원시생식세포의 수를 측정하였다. 그결과, $1{\times}10^4$개의 세포 당 원시생식세포의 수는 수컷은 $107.75{\pm}3.96$에서 $80.30{\pm}4.34$로, 암컷에서 $99.56{\pm}3.22$에서 $81.67{\pm}3.72$로 원시생식세포수가 감소되었다. 이상의 연구 결과는 감마선 조사가 수용체 배자내의 원시생식세포를 감소시킬 수 있고, 이를 형질 전환 기술에 접목시켜서 생식선 카이메라 효율을 높일 수 있는 가능성을 보여 주고 있다.
본 연구는 원시생식기 유래 원시생식세포를 이용하여 효율적인 생식선 카이메라 생산 조건을 확립하고자 하였다 전체 실험구에서 301마리가 부화하였으며, 이중 수컷 141마리, 암컷 160마리가 성성숙에 도달하였다. 후대 검정을 통하여 수컷 15마리와 암컷 12마리가 생식선 카이메라로 밝혀졌으며, 생식선 카이메라 생산 효율은 평균 9.0%였다. 실험처리구간 생식선 카이메라 생산효율간에 유의적인 차이는 없었으나 (p=0.6831), 생식선 카이메라의 공여체 유래 자손 생산 효율은 유의적인 차이를 나타냈다. 실험처리구간 생식선 카이메라의 공여체 유래 자손 생산효율은 피콜처리 없이 10일간 배양한 원시생식세포를 이식하였을 때 가장 높았고 (49.7%), 피콜처리후 배양하지 않은 원시생식세포를 이식하였을 때 가장 낮았다 (0.6%). 또한, 피콜 처리에 상관없이 10일간 배양한 원시생식세포를 이식한 실험구가 배양하지 않은 실험구와 5일간 배양한 실험구보다 각각 50배와 10배 더 높은 전이효율을 나타내었다 (p<0.0001). 따라서, 수용체 배자에 이식하기전에 실시한 체외배양 기간은 효율적인 생식선 카이메라 생산에 있어서 매우 중요한 요인으로 사료된다. 이와 같이, 본 연구에서는 배양 기간, 피콜 처리 유무 등에 대한 비교 분석을 통하여 생식선 카이메라 생산을 위한 최적 조건을 확립하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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