J. of Korean Orthopaedic Research Society Volume 8, Number 2, October, 2 0 0 5
골형성 세포의 계통과 골모세포 발달의 조절
가톨릭대학교 의과대학 정형외과학교실
김석중・김용식・권순용
※ 통신저자: 권 순 용
서울특별시 영등포구 여의도동 6 2번지 가톨릭대학교 성모병원 정형외과
TEL: 02) 3779-1192 FAX: 02) 783-0252 E-mail: [email protected]
* 본 논문의 요지는 2 0 0 4년 보건복지부 (바이오생체조직장기개발센터 No-0405-BO01-0204-0006) 연구 과제의 연구 비로 이루어졌음.
골은 대단히 활동적인 결합조직으로서, 그 구조 적, 생화학적, 기계적인 성질과 미네랄의 항상성 에 기여하는데 필요한 세포군들이 정교하게 구성 되어있으며, 이들과 함께 혈장의 칼슘과 인의 요 구량을 조절하는 기계적인 힘( m e c h a n i c a l s o u r c e s )과 대상성 조절 신호 (metabolic regu- latory signal)에 대한 골 조직의 반응은 일생 동 안 일어난다. 골격계의 구조적, 기능적 특성을 조 절하는 주된 세포들로는 골기질을 형성하는 골모 세포( o s t e o b l a s t )와, 골조직을 지탱하고 미네랄화 된 골기질을 통해서 조직화되는 골세포( o s t e o- cyte), 골표면세포(bone-lining cell), 그리고 골 기질의 흡수를 담당하는 파골세포( o s t e o c l a s t )들 이 있다. 골 형성과 재형성이 잘 일어나기 위해서 는 이러한 세포군들과 그 조상세포군( p r o g e n i t o r c e l l s )들 간에 조절신호가 원활히 교환되어야 한 다. 한편, 골모세포와 파골세포는 서로 다른 세포 계통(cell lineage)을 통해서 형성되며, 특히 골 모세포의 분화는 여러 단계의 발달과정을 거치는 데, 이 과정은 증식을 유도하는 유전자들의 순차 적 발현에 이어서 골형성 및 흡수에 관여하는 유 전자들의 발현에 의해 조절된다. 이외에, 세포의 증식 및 분화와 관련된 유전자의 발현을 매개하는 성장인자들(growth factors)과 스테로이드 호르
몬도 중요한 역할을 차지한다.
골형성 세포와 조절인자
골형성과 조직 재생을 위해 분화하는 줄기세포 의 특성을 관찰하는 것은 매우 중요한 일이다. 그 러나 줄기세포는 직접 동정해내기 어렵고, 그 존 재를 추정할 수 있으며, 이것은 시간에 따른 생물 학적 경과에 의해 관찰 될 수 있다. 예를 들면 줄 기세포의 활성도를 보는 방법은 세포를 동물에 이 식한 후에 예상되는 분화 세포를 관찰하는 것이다
9 ). 가장 미숙한 상태의 줄기세포( p r i m i t i v e pluripotent stem cell)가 미분화 상태의 간엽세 포(undifferentiated multipotential mes- enchymal cell)로 발달해가는 과정은 잘 알려져 있지 않고, 다능한 세포(pluripotent cell)가 미 성숙 골조상세포(immature osteoprogenitor c e l l )로 유도되는 것을 매개하는 몇 개의 인자들 만이 알려져 있을 뿐이다. 골조상세포는 줄기세포 와는 달리 제한된 자기 재생산( s e l f - r e n e w a l )능 력을 가진 것으로 보이며, 증식능력은 대단히 크 다. 골모세포 계통 (osteoblastic lineage)을 이 해하는데 있어서 어려운 점은 골과 관련된 표현형 을 나타내기 이전의 골조상세포들을 확인하는 것
이 불가능하다는 것이다. 그래서 이를 해결하고자 골수기질세포(marrow stromal cell)를 이용하 여 세포표면단백에 대한 항체를 만들어 사용하고 있으며. 이들은 골격계의 줄기세포를 찾아 분리하 는 데에 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다
2 , 3 6 ). 이러한 줄기세포, 다능의 간엽조상세포
(multipotential mesenchymal progenitor), 그리고 골조상세포(osteoprogenitor cell)들의 중요한 공급처는 골수( m a r r o w )이며, 골수와 그 기질( s t r o m a )은 조혈계통의 세포나 비조혈계통의 세포로서 자라날 수 있는 여건을 제공해 준다. 골 수세포를 배양하면 섬유모세포 양상으로 자라는 균일한 군락(clonal colony)을 형성하는데, 각각 의 군락은 C F U / F인 단일 세포에서 기원된 것이 다. 이 세포들은 증식능과 분화능이 크고, 폐쇄된 환경의 d i f f u s i o n c h a m b e r에서는 줄기세포의 특 성을 나타낸다1 2 ). 사이토카인, 성장인자, 호르몬 등을 포함해서 몇몇의 신호물질은 골원성 세포의 군락형성, 골조상세포의 성장 및 분화에 영향을 미치는데 몇가지 인자들을 살펴보면 다음과 같다.
LIF(leukemia inhibitory factor)는 줄기세 포의 분화를 억제함으로써 그 수를 유지하는데 p r e o s t e o b l a s t의 분화를 촉진함으로써 골 형성능 을 갖는 것으로 알려져 있으며6 ), Platelet- derived growth factor(PDGF)와 e p i d e r m a l growth factor(EGF)는 C F U / F의 증식을 촉 진하는데 중요한 기능을 갖는 것으로 밝혀졌다1 3 ). Fibroblast growth factor (bFGF) 와 t r a n s- forming growth factor-β1 (TGF- β1 )은 골막 하 골조상세포들과 골수 기질세포(marrow stro- mal cell)에 대한 강력한 분열원( m i t o g e n )이며, 이들은 골모세포 계통의 세포들에 의해 발현되고
생산된다2 7 ).이러한 성장인자들은 뼈의 세포외 기
질에 저장되어 골의 미세환경에서 조상세포들 ( p r o g e n i t o r s )의 증식을 촉진하는 국소 기전을
제공한다2 3 ). bone morphogenic protein(BMP)
들의 골 유도효과(osteoinductive effect)는 매 우 복잡하며, BMP의 종류, 농도, 골조상세포의 표현형에 따라 다르게 나타난다2 6 ).전신성 인자 (systemic factor)들 또한 골형성의 초기단계에 서 영향을 나타내는데, 부갑상선 호르몬은 골조상 세포들의 성장을 자극하며1 7 ). parathyroid hor-
mone related peptide(PTHrP)는 발달과정의 분화를 위한 세포의 성장을 조절하는 사이토카인 으로 작용한다2 6 ). 한편, 글루코코르티코이드( g l u- c o c o r t i c o i d )는 사람과 r a t에서 C F U s와 골조상 세포의 성장과 분화를 촉진하여 골형성세포로 진 행하게 하지만 마우스의 골수기질세포들에서는 그 러한 작용을 하지 않는다3 3 ).
골모세포 발생의 마지막 단계는 골의 세포외기 질의 형성과 조직화( o r g a n i z a t i o n )로 정의된다.
P r e o s t e o b l a s t가 증식을 멈추면 방추상의 골조상 세포에서 큰 입방형의 골모세포로 변화하는데, 골 모세포는 제1형 교원질과 특정한 골기질 단백을 미네랄화가 일어나는 부위를 향해서 일정한 방향 성을 가지고 분비한다. 골모세포의 분화와 기능은 세포와 기질단백과의 상호작용에 의해서 조절되며
1 6 ), 세포와 기질(cell-matrix), 그리고 세포와 세
포( c e l l - c e l l )사이의 상호작용이 골모세포의 성숙 에 있어서 중요한 것으로 보인다. 골조상세포의 분화와 성숙에 있어서 i n t e g r i n이나 다른 부착단 백(adhesion molecule)들의 정확한 기능은 잘 알려져 있지 않지만 골모세포는 β1 integrin을 사용하여 R G D를 갖는 모든 골기질 단백에 부착
한다1 5 ). 기질 성숙 단계(matrix maturation
s t a g e )는 증식이 끝난 골모세포를 특징으로 하는 데, 미네랄화를 위한 기질의 여건을 제공하기 위 해 최고치의 alkaline phosphatase를 발현한다.
제1형 교원질은 특정한 칼슘결합 단백들( o s t e o- pontin, bone sialoprotein, osteocalcin)과 함 께 축적되는데, 세포외기질의 미네랄화가 시작되 면 이들 단백들은 u p r e g u l a t i o n된다.
증식하는 골모세포에서 발현하는 중요한 세포 내 단백들은 증식후의 시기에 표현형 유전자 (phenotypic gene)를 발현시킨다. 그래서 골모 세포 유전자의 s u b c l a s s들의 발현은 골모세포 성 숙의 단계별 표지인자로서 사용될 수 있고, 뼈 속 에서 골모세포의 위치에 따른 기능의 변화 등을 나타낸다. 골 기질이 미네랄화되면서 골모세포를 둘러싸게 되면, 이 세포는 형태적 변화가 일어나 고, 마지막 분화단계인 골세포( o s t e o c y t e )로 진 행하게 된다. 시험관 내에서 골세포의 특징적인 형태는 골 결절(bone nodule)의 단면을 관찰함 으로써 알 수 있는데, 세포질 막이 밖으로 뻗어
나오는 양상을 볼 수 있다3 1 ). 골세포는 완전히 분 화된 세포이며, 골 조직에서 분리되었을 때도, 시 험관 내에서 그 형태적인 특징을 유지하고 있다.
배양 시 세포는 증식하지 않고 표면에 붙어서 사 방으로 세포질을 뻗어내는 특징적인 양상을 띤다
3 7 ). 또한 골 세포는 골모세포 만큼이나 특정한 기
질 물질(matrix molecule)들을 만들 수 있는 능 력을 가지고 있다. 예를 들면 O s t e o c a l c i n은 시 험관내 배양에서 골모세포로의 분화를 강력히 시 사하는데, 이는 미네랄화된 소결절( m i n e r a l i z e d n o d u l e )에서 최고치로 측정된다2 8 ). 한편, 골형성 세포의 분화 과정 중 생체1 8 )및 시험관 내에서2 0 )골 모세포와 골세포의 a p o p t o s i s가 보고되고 있다.
시험관 내의 미네랄화 된 소결절과 연관되어 일부 세포의 a p o p t o s i s를 관찰할 수 있는데, 이는 생 체 내에서의 골형성과 유사하여 골형성이 일어나 는 부위의 골모세포가 모두 골세포로 변하지 않는 다는 사실을 나타내준다3 0 ). 미네랄화 단계에서는 세포내 콜라제나아제가 증가하는데 이는 골모세포 가 골세포로 성숙하는 데 필요한 세포외기질의 재 구성을 반영하며, 골세포는 생체 내에서와 마찬가 지로 생존에 필요한 인자가 결핍되게 된다3 5 ). 기 능상 중요한 유전자의 유도와 관련되어 세포 표현 형이 변화되는데, 미네랄화 된 세포외기질은 비후 된 연골세포와 병적인 칼슘침착과 관련된 세포에 영향을 미친다. 비후된 연골세포( h y p e r t r o p h i c c h o n d r o c y t e )는 형태적, 기능적으로 정의된 독 특한 성질을 갖는데, 이 세포에만 국한된 단백의 발현, 예를 들면 제1 0형 교원질의 발현 등에 의해 특징지울 수 있다. 비후된 연골세포는 제한된 수 명을 가지고 있고, 이 세포들 중 일부는 o s t e o- c a l c i n과 같은 골모세포의 특징적인 산물을 생산 하기도 한다1 4 , 1 9 ). 그래서 미네랄화 된 연골기질은 비후된 연골세포가 골모세포로 되는“t r a n s d i f- f e r e n t i a t i o n”을 매개하기도 한다3 4 ). 비 골원성 세포가 골원성 세포로 전환되는 다른 예는 혈관주 위세포로서, 이것은 골모세포로 분화될 수 있으며
5 , 3 2 )
, 석회화된 혈관성 조직과 연관된 세포로 분화 하여 뼈와 연관된 단백을 분비할 수 있다1 , 5 ). 이러 한 현상은 아직 명확하지는 않지만 초기에 형성된 석회화된 부분이 미네랄화된 세포외기질에서 만들 어지는 것과 비슷한 신호물질들을 주변의 세포에
게 제공하여 골성 단백(bone related protein) 의 생성을 유도하고, 미네랄침착을 조절하는 것으 로 여겨진다.
분화 과정 중 골원성 세포의 기능적 특징과 조절
활발하게 골형성이 일어나는 부분의 골모세포는 유골조직을 만들고 미네랄 침착을 촉진하는 인자 들을 분비함으로써 뼈의 부피를 늘려나간다.
Insulin-like growth factors(IGFs)는 골모세 포의 동화활성을 조절하는 주된 인자이다1 0 ). I G F - 1과 I G F - 2는 골모세포에서 만들어져서4 ), 제 1형 교원질의 합성을 직접적으로 증가시키고, collagenase 3나 MMP-13 의 활성을 감소시키 는데 이는 I G F가 골기질을 유지함을 보여준다.
골의 재형성과정에서 I G F - 1과 I G F - 2의 동화활 성은 성장인자에 의해 이 단백들이 조절됨으로써 더욱 강조되고 있다7 ). 특히, 부갑상선 호르몬은 I G F - 1의 합성을 자극하는 반면에 글루코코르티코 이드는 골격계의 I G F - 1의 발현을 억제 한다2 4 , 2 5 )
. 골모세포와 p r e o s t e o b l a s t의 중요한 기능은 내분 비인자에 반응하고, 골조상세포를 모으고, 미네랄 화 된 골기질의 파골세포성 골흡수를 조절하기 위 해 paracrine, autocrine 인자를 생산하는 것이 다. 골모세포들과 골세포는 사이토카인, 부갑상선 호르몬, 1,25(OH)2D3, 그리고 에스트로겐에 대 한 수용체를 가지고 있는데, 이들은 골 재형성에 있어서 주요 조절물질이다. 골형성이 일어나지 않 은 골표면의 골모세포는 편평한 단일층으로 되어 골수에 대해 골내막을 형성하고, 골막 하에 위치 하게 된다. 이 층은 세포외액 공간으로부터 뼈를 보호한다. 이러한 골모세포들은 미네랄화된 골기 질 내에서 골소관을 통해서 골세포와 직접적인 관 계를 한다. 그래서 골세포와 표면세포는 g a p j u n c t i o n에 의한 세포돌기의 연결에 의해서 c o n- t i n u u m이나 s y n c y t i u m을 형성한다. 골모세포 와 골세포는 대사 및 전기적으로 c o n n e x i n이라 불리우는 다른 gap junction단백에 의해 짝지워 져 있다8 ). 이 연접을 통한 칼슘의 빠른 유입은 골 표면의 골모세포와 골내부의 골세포 사이에 정보 전달이 잘 될 수 있게 하는 것으로 생각된다. 이
러한 구성이나 골모세포와 골세포의 직접적인 연 결은 다양한 물리적 신호에 반응해서 골세포들이 서로의 반응과 정보를 주고받는다는 개념과 통한 다. 골모세포는 대부분의 전신적, 국소적인 신호 들을 받아서 골세포로 전달할 수 있다. 반대로 뼈 에 가해지는 기계적인 힘을 골세포가 인지하고, 이 조절 정보를 골표면의 골모세포에게 전달한다.
자극을 준 후에 골조직이나 분리된 세포에서 실험 연구가 진행되면서 골세포의 기능과 반응에 대해 서 많은 이해가 가능해졌다. 골세포는 I G F - 1을 생산하고, 자극에 대해서 p r o s t a g l a n d i n을 분비
한다2 1 ). 골세포가 기계적인 부하를 감지한다는 증
거는 3H-uridine uptake에서 관찰되듯이 대사 능(metabolic activity)의 빠른 변화, glucose- 6-phosphate dehydrogenase활성의 증가, I G F - 1발현의 증가를 통해 알 수 있다2 2 ). 체액의 흐름에 의해 유도되는 것으로 알려져 있는 신호 물질들은 PGE-2, cAMP, nitrous oxide등이며
3 ), integrin 이나 CD44 수용체와 같은 세포외기 질 수용체들은 세포가 기계적 부하를 감지하는데 관여하는 것으로 생각된다3 8 ). Integrin들은 세포 골격( c y t o s k e l e t o n )에 단단히 연결되어있고, 이 integrin-cytoskeleton 복합체는 유전자의 발현 을 조절하는 기계적 신호들을 전도하기 쉽게 해준 다.
요 약
골형성세포의 생물학적 성질에 대한 이해는 매 우 빠르게 변해가고 있으며, 골격계의 줄기세포나 골모세포에 대한 표현형을 결정하고 이를 조절하 는 복잡한 기전들도 많은 실험을 통해서 밝혀지고 있다. 많은 조절인자들의 국소적, 전신적 효과와 영향이 알려지고는 있지만, 골형성과 미네랄의 항 상성의 조절에 골형성 세포 계통간의 상호작용에 대한 더 깊은 이해가 필요하다. 많은 연구를 통해 그 세포에 특징적인 단백이나 전사인자들을 찾아 내고, 골형성세포의 증식과 분화를 매개하는 신호 전달 과정을 밝혀내는 것은, 골격계 질환에 대한 새로운 치료법의 등장에 매우 큰 기여를 할 것으 로 기대된다.
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