KR20110078234A - Generation composition for induced pluripotent stem cells with purmorphamine treatment and oct4, and method of manufacturing induced pluripotent stem cells using the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A composition for inducing redifferentiation from somatic cells to embryonic stem cell-like cells is provided to treat various diseases. CONSTITUTION: A composition contains purmorphamine; and a virus which expresses Oct4 protein by introduction of a nucleic acid molecule encoding Oct4 protein. A method for preparing embryonic stem cell-like cells comprises: a step of culturing fibroblast in a medium; a step of performing transfection of a vector to the cultured fibroblasts and infecting packaging cells; and a step of culturing the fibroblasts.

Description

퍼모파민 및 Oct4를 이용하여 체세포로부터 배아줄기세포 유사세포로의 역분화를 유도하는 조성물 및 이를 이용한 배아줄기세포 유사세포의 제조방법{Generation composition for induced pluripotent stem cells with purmorphamine treatment and Oct4, and method of manufacturing induced pluripotent stem cells using the same}Composition composition for inducing pluripotent stem cells with purmorphamine treatment and Oct4, and method of inducing differentiation of somatic cells from embryonic stem cell-like cells using permophamine and occ-4 manufacturing induced pluripotent stem cells using the same}

본 발명은 퍼모파민 및 Oct4를 이용하여 체세포로부터 배아줄기세포 유사세포로의 역분화를 유도하는 조성물 및 이를 이용한 배아줄기세포 유사세포의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 Bmi1의 상위 조절인자인 Shh의 유사체인 퍼모파민 (purmorphamine)과 역분화 유도인자인 Oct4를 이용하여 체세포로부터 리프로그래밍 과정을 통해 배아줄기세포와 같은 세포를 유도하는 새로운 조성물 및 이를 이용한 배아줄기세포 유사세포 제조방법을 제시하는 것이다.The present invention relates to a composition for inducing the differentiation of somatic cells from embryonic stem cell-like cells using permopamine and Oct4, and to a method for producing embryonic stem cell-like cells using the same. More specifically, the present invention uses a novel composition that induces cells, such as embryonic stem cells, through reprogramming from somatic cells using permorphamine (purmorphamine), an analogue of Shh, a higher regulator of Bmi1, and Oct4, a derivatization inducer. And to suggest a method for producing embryonic stem cell-like cells using the same.

줄기세포는 정상적인 체세포와 다르게 무한히 분열할 수 있는 능력을 가지며 적합한 환경 조건 아래에서 특정 세포로 분화하는 능력을 가진다. 그 분화 능력은 줄기세포의 특성에 따라 전분화능(pluripotency), 다분화능(multipotency), 또는 단일분화능(unipotency) 으로 정의되어진다. 따라서 줄기세포를 배양을 통해 증식 시킨 후 특정 세포로 분화를 시키는 기술은 세포 치료라는 측면에서 여러 질병을 치료할 수 있는 잠재력을 가지고 있다 할 수 있다. Stem cells, unlike normal somatic cells, have the capacity to divide indefinitely and to differentiate into specific cells under suitable environmental conditions. The differentiation capacity is defined as pluripotency, multipotency, or unipotency depending on the characteristics of the stem cells. Therefore, the technique of proliferating stem cells through culture and then differentiating them into specific cells has the potential to treat various diseases in terms of cell therapy.

조혈줄기세포(hematopoietic stem cell), 골수줄기세포(bone marrow stem cell), 신경 줄기세포(neural stem cell) 등의 줄기세포는 성체에서도 존재하므로 환자 본인으로부터 추출할 수 있어 질병 치료 시 면역 거부반응이라는 문제점을 극복할 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점은 기존의 장기이식에서 장기 제공자의 확보가 어려웠던 부분을 극복할 수 있다. Stem cells such as hematopoietic stem cells, bone marrow stem cells, and neural stem cells are also present in adults and can be extracted from the patient's own body. There is an advantage to overcome the problem. This advantage can overcome the difficulty of securing long-term providers in the existing organ transplantation.

하지만, 지금까지 알려진 견해에 따르면 성체줄기세포는 단지 다분화능으로, 분화할 수 있는 능력에 한계를 가진다. 이는 곧 조직 특이줄기세포는 같은 조직유형의 세포로만 분화할 수 있다는 것인데, 중추신경계(central nervous system) (Science 255, 1707-1710 1992; Science 287, 1433-1438 2000), 골수(bone marrow) (Science 276, 71-74, 1997; Science 287, 1442-1446, 2000; Science 284, 143-147, 1999), 망막(retina) (Science 287, 2032-2036, 2000)와 골격근(skeletal muscle) (Proc. Natl Acad. Sci. USA 96, 14482-14486, 1999; Nature 401, 390-394, 1999)에서 분리된 줄기세포는 분화능력 역시 유사조직 계통으로만 분화가 가능하다는 것을 의미한다. 그 예로 조혈줄기세포(hematopoietic stem cell)는 혈액에 관련된 세포로, 신경줄기세포(neural stem cell)는 신경세포(neuron) 또는 신경아교세포(glial cell)로, 골수줄기세포(bone marrow stem cell)는 중배엽세포(mesodermal cell) 로 분화가 가능하다. 뿐만 아니라 이론적으로 무한히 증식 가능한 성체줄기세포이지만, 현재까지의 보고로는 이러한 성체줄기세포를 인 비트 로(in vitro) 상에서 증식시키는데 어려움이 있으며 실제 환자로부터 많은 양의 세포를 분리해 내는 것 또한 어렵다.However, according to the known opinion, adult stem cells are only multipotent and have a limited ability to differentiate. This means that tissue-specific stem cells can only differentiate into cells of the same tissue type, including the central nervous system (Science 255, 1707-1710 1992; Science 287, 1433-1438 2000), bone marrow ( Science 276, 71-74, 1997; Science 287, 1442-1446, 2000; Science 284, 143-147, 1999), retina (Science 287, 2032-2036, 2000) and skeletal muscle (Proc Stem cells isolated from Natl Acad. Sci. USA 96, 14482-14486, 1999; Nature 401, 390-394, 1999) also indicate that the differentiation capacity can only be differentiated into similar tissue lineages. For example, hematopoietic stem cells are blood-related cells, neural stem cells are neurons or glial cells, and bone marrow stem cells are mesoderm. Differentiation into mesodermal cells is possible. Not only are the adult stem cells capable of proliferating in theory in theory, but reports up to now have difficulty growing these adult stem cells in vitro, and it is also difficult to separate large amounts of cells from actual patients. .

전분화능 줄기세포(pluripotent stem cell)는 앞에서 열거한 성체줄기세포가 가지고 있던 여러 가지 단점들을 극복해 줄 수 있는 훌륭한 자원이다. 이 세포는 인체를 구성하는 모든 종류의 세포로 분화가 가능하며 인 비트로(in vitro) 상에서 무한히 증식이 가능하다. 현재까지 알려진 전분화능 줄기세포로는 배아줄기세포(embryonic stem cell), 배아생식세포(embryonic germ cell), 배아종양세포(embryonic carcinoma cell)가 있으며 그 중 배아줄기세포는 가장 많은 연구가 이루어져 특정 세포들로의 분화 방법 및 동물질병 모델 연구한 기능성 검증과 임상 이용시 다양한 질병들에 대한 치료 가능성을 보여주었다. Pluripotent stem cells are an excellent resource for overcoming many of the disadvantages of adult stem cells listed above. These cells are capable of differentiating into all kinds of cells that make up the human body and can infinitely multiply in vitro. Known pluripotent stem cells to date include embryonic stem cells, embryonic germ cells, and embryonic carcinoma cells, of which embryonic stem cells are the most studied. The differentiation method and animal disease model in the furnace have been studied and demonstrated the potential for treatment of various diseases in clinical use.

하지만 이러한 배아줄기세포 역시 성체줄기세포처럼 임상이용을 위해 극복해야만 하는 단점들이 존재한다. 우선, 배아줄기세포를 얻기 위해서는 수정된 배아를 파괴해야 하므로 윤리적인 문제점을 가지고 있으며 배아줄기에서 분화된 세포를 환자에 이식했을 경우 면역 거부반응이 일어난다는 문제점을 가지고 있다. However, embryonic stem cells also have disadvantages that must be overcome for clinical use like adult stem cells. First of all, in order to obtain embryonic stem cells, it is necessary to destroy fertilized embryos, so there is an ethical problem, and when the cells differentiated from embryonic stems are transplanted into a patient, an immune rejection reaction occurs.

때문에 배아줄기세포의 이러한 문제점들을 극복하기 위해서 다양한 접근 방법이 시도되었는데 그 중 가장 각광을 받은 것이 분화된 세포에서 미분화된 세포로의 역분화 유도 (reprogramming) 이다. 역분화는 분화된 세포를 이용하여 배아줄기세포와 같은 전분화능 줄기세포를 만들어내는 것을 총칭하며, 이러한 방법으로는 1) 핵치환 (nuclear transfer), 2) 핵융합 (cell fusion), 3) 세포추출물 처리 (cell extract treatment), 그리고 4) 유전자 도입을 통한 역분화(induced pluripotent stem cell;iPS cell) 기술이 있다 (Cell 132, 567-582, 2008). Therefore, various approaches have been attempted to overcome these problems of embryonic stem cells, the most prominent of which is the reprogramming of differentiated cells from undifferentiated cells. Reverse differentiation collectively refers to the generation of pluripotent stem cells, such as embryonic stem cells, using differentiated cells, such as 1) nuclear transfer, 2) cell fusion, and 3) cell extracts. Cell extract treatment, and 4) induced pluripotent stem cell (iPS cell) technology (Cell 132, 567-582, 2008).

iPS cell 기술은 현재까지 연구되어 오던 어떤 기술보다 배아줄기세포에 가까운 세포를 만들어 내는데 성공했으며 이러한 결과와 기작을 증명하기 위해 처음 기술이 발표되었던 2006년 이후 현재까지 수많은 연구 논문들이 쏟아져 나오고 있는 실정이다. 기본적으로는 마우스 또는 인간의 체세포에 4개의 유전자 (역분화 유도인자; Oct4, Sox2, Klf4, and C-Myc/Oct4, Sox2, Nanog, Lin28)를 도입한 후 배아줄기세포 배양조건에서 장기간 배양 했을 경우 배아줄기세포와 유사한 특성의 줄기세포가 확립될 수 있었으며 이는 배아줄기세포와의 유전자발현 (gene expression), 후성학적 특성 (epigenetics), 인 비트로/인 비보 (in vitro/in vivo) 에서의 삼배엽성 분화 능력 (three germ layer differentiation), 테라토마 (teratoma) 형성 능력, 키메라 마우스 생성 (chimeric mouse generation) 그리고 키메라 마우스의 생식 가능 (germline transmission) 등의 특성이 상당히 유사한 것으로 증명되었다 (Cell 126, 663-676, 2006; Science 318, 1917-1920, 2007). iPS cell technology has succeeded in producing cells that are closer to embryonic stem cells than any other technology that has been studied so far, and numerous research papers have been pouring out since 2006 when the technology was first published to prove these results and mechanisms. . Basically, four genes (de-differentiation inducer; Oct4, Sox2, Klf4, and C-Myc / Oct4, Sox2, Nanog, Lin28) were introduced into mouse or human somatic cells and cultured in embryonic stem cell culture conditions for a long time. In this case, stem cells with similar characteristics to embryonic stem cells could be established, which are three times in gene expression, epigenetics, and in vitro / in vivo. Three germ layer differentiation, teratoma formation ability, chimeric mouse generation, and germline transmission of chimeric mice have been shown to be quite similar (Cell 126, 663-). 676, 2006; Science 318, 1917-1920, 2007).

하지만, 이러한 역분화 과정의 기작은 역분화 유도를 위해 사용된 유전자의 수가 너무 많아 자세한 기작을 규명하기 어렵기 때문에 현재까지 밝혀진 수준이 미미한 상태이다. 또한, 역분화 유도기술이 확립이 되었음에도 실제 치료적용을 위해서는 기술적으로 간편하고 효율이 높은 방법을 계속해서 개발해야만 하고 이렇게 개발된 기술들은 모두 효율과 안전성 측면에서 평가되어야 한다. However, the mechanism of this dedifferentiation process is so small that it is difficult to elucidate the detailed mechanism because the number of genes used to induce dedifferentiation is too small. In addition, despite the establishment of dedifferentiation induction technology, a technically simple and efficient method must be continuously developed for actual therapeutic application, and all of the developed technologies must be evaluated in terms of efficiency and safety.

최근 발표된 연구 결과에 따르면, 암억제 유전자인 p53의 비활성화 (inactivation)는 iPS 세포의 생성 효율을 증가시킨다고 보고되었다 (Nature 460, 1132-1135, 2009). p53유전자는 Ink4a/Arf locus에 의해 조절되는데 이 locus는 선택적 스플라이싱 (alternative splicing)에 의해 발현이 조절되며 Arf 에 의해 생성된 p19Arf 는 p53유전자를, Ink4a에 의해 생성된 p16Ink4a 는 Rb 유전자의 발현을 유도하는 것으로 알려져 있다. 이 두 가지 유전자 p16Ink4a 와 p19Arf 의 발현을 억제 시킨 경우 p19Arf 만을 억제시킨 경우 보다 iPS 생성 효율이 증가되었다는 보고도 있다 (Nature, 460, 1140-1144, 2009).Recently published studies have reported that inactivation of the cancer suppressor gene p53 increases the production efficiency of iPS cells (Nature 460, 1132-1135, 2009). The p53 gene is regulated by the Ink4a / Arf locus, which is regulated by selective splicing. p19 Arf produced by Arf is the p53 gene and p16 Ink4a produced by Ink4a is the Rb gene. It is known to induce the expression of. Inhibition of the expression of these two genes, p16 Ink4a and p19 Arf , has been reported to increase iPS production efficiency compared to the inhibition of p19 Arf alone (Nature, 460, 1140-1144, 2009).

Polycomb group(PcG) 단백질은 후생유전학적 유전자 억제자 (epigenetic gene silencer)로써 PcG 단백질의 하나인 Bmi1은 p16Ink4a 와 p19Arf의 발현을 억제 시킴으로써 p53과 Rb의 발현을 억제시킨다고 보고 되어있다 (Genes Dev, 2678-2690, 1999). 또한 Bmi1은 염색질(chromatin)의 구조를 변화시켜 타겟 유전자의 발현을 억제한다고 알려져 있으며 이러한 특성으로 인해 신경줄기세포 (neural stem cell) 및 조혈줄기세포 (hematopoietic stem cell)의 자가재생 (self-renewal)에서 중요한 역할을 수행한다고 알려져 있다. 이에 따라 본 발명자들의 기존 연구에서는 마우스의 성상세포(astrocyte)에 Bmi1을 과발현(overexpression) 시켜 신경줄기세포(neural stem cell)로의 역분화에 성공했음을 보고 하였으며 이렇게 역분화된 신경줄기세포의 특성은 실제 마우스에서 분리한 신경줄기세포와 상당 부분 유사하였는데 그 중 역분화 유도인자 중 하나이자 신경줄기세포의 자가재생에 중요한 역할을 하는 유전자인 Sox2의 발현이 증가됨을 확인하였다 (Biochem Biophys Res Commun. 371, 267-272, 2008). Polycomb group (PcG) protein is an epigenetic gene silencer. It is reported that Bmi1, one of the PcG proteins, inhibits the expression of p53 and Rb by inhibiting the expression of p16 Ink4a and p19 Arf (Genes Dev). , 2678-2690, 1999). In addition, Bmi1 is known to inhibit the expression of target genes by altering the structure of chromatin, and this property is responsible for the self-renewal of neural stem cells and hematopoietic stem cells. It is known to play an important role. Accordingly, the present inventors reported that Bmi1 was overexpressed in the astrocytes of the mouse and succeeded in the differentiation into neural stem cells. The characteristics of the de-differentiated neural stem cells in the mouse It was similar to the isolated neural stem cells. Among them, the expression of Sox2, one of the de-differentiation inducing factors and an important role in the self-renewal of neural stem cells, was increased (Biochem Biophys Res Commun. 371, 267-272, 2008).

일반 체세포의 경우 역분화를 하기 위해서는 4개 (Oct4, Sox2, Klf4, C-Myc) 혹은 3개(Oct4, Sox2, Klf4)의 유전자가 필요하지만 이 유전자를 내재적으로 발현(endogenously expression) 하는 세포에 한해서는 유전자의 도입이 추가적으로 필요하지는 않은 것으로 알려져 있다. 그중 대표적인 것이 마우스/사람의 신경줄기세포에 Oct4유전자 하나만을 도입하여 역분화줄기세포를 확립했다는 연구 결과이며 이는 신경줄기세포가 내재적으로 Sox2, Klf4, C-Myc을 발현하기 때문이다 (Nature, 461, 649-653, 2009). 그러나 아직까지 체세포로부터 Oct4 유도인자만을 이용하여 전분화능을 가진 배아줄기세포 유사세포를 제조하는 방법은 알려진 바가 없다. Normal somatic cells require 4 genes (Oct4, Sox2, Klf4, C-Myc) or 3 genes (Oct4, Sox2, Klf4) in order to dedifferentiate, but to endogenously expressing cells It is known that no additional introduction of genes is necessary. Representative among them is the result of the research that established only differentiated stem cells by introducing only one Oct4 gene into mouse / human neural stem cells, because neural stem cells intrinsically express Sox2, Klf4, and C-Myc (Nature, 461, 649). -653, 2009). However, there is no known method for producing embryonic stem cell-like cells having pluripotency using only Oct4 inducer from somatic cells.

본 발명자들은 마우스의 체세포에 Oct4의 과발현과 함께 Sox2 유전자의 발현 유도 및 p16Ink4a 와 p19Arf의 발현을 억제시킬 수 있는 Bmi1의 과발현을 통해 역분화된 유도 만능 줄기세포를 확립할 수 있을 것이라는 가설을 세웠다. 이러한 가설을 바탕으로 하여 Oct4와 Bmi1 유전자를 도입하고 역분화 유도를 하였을 때 배아줄기세포와 같은 특성을 지니는 세포로의 유도가 가능하였다. 이 결과를 토대로 하여 Bmi1을 대체할 수 있는 상위 조절인자에 의해 Bmi1이 유도가 된다면, 유전자 도입없는 역분화 줄기세포로의 유도 기법의 확립에 기반이 되는 기술을 제공할 수 있을 것이라고 생각하였다. 이러한 가설을 바탕으로 Bmi1을 과발현 시키기 위해 Shh 신호체계(sonic hedgehog signaling)를 이용하였는데 Shh는 신경줄기세포의 자가재생에 있어 중요한 사이토카인으로써 직접적으로 Gli1 단백질을 조절하며 Bmi1, Sox2를 비롯한 신경줄기세포의 주요인자들의 발현을 증가시키는 것으로 보고되어 있다 (Curr Mol Med. 9, 873-886, 2009; Crit Rev Oncol Hematol. 65, 43-53, 2008). Shh 시그널을 유도하기 위해 Shh를 유도할 수 있는 퍼모파민 (purmophamine)을 이용하였다 (Stem cells 27, 703-713, 2009). 퍼모파민 (Purmorphamine)을 신경줄기세포의 배양 조건에서 마우스 섬유아세포에 처리를 하였을 때 Bmi1 유전자의 발현이 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 이 때 Sox2의 발현이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Bmi1 유전자의 타겟 유전자인 p16Ink4a와 p19Arf 유전자의 발현이 줄어들고 있는 것을 확인할 수 있어 퍼모파민 (purmorphamine) 처리에 의한 Bmi1, Sox2가 조절이 되고, Bmi1의 타겟 유전자들의 발현이 조절되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 퍼모파민 (purmorphamine)의 처리에 의해 유도된 세포가 신경줄기세포와 같은 모양을 보이며 신경줄기세포의 대표적인 마커인 nestin과 sox2의 발현을 확인할 수 있었다. 이는 Bmi1이 과발현된 시스템과 동일한 결과이기 때문에, Shh 유사체 (analog)인 퍼모파민 (purmorphamine)의 처리에 의한 방법이 적절한 것으로 생각되며, 이와 같은 접근 방법을 통해 유전자 수를 줄일 수 있었다. 퍼모파민 (Purmophamine)을 첨가한 조건에서 Oct4 유전자를 도입한 후에 배아줄기세포의 배양 조건에서 배양한 결과 배아줄기세포와 유사한 형태의 세포군을 확립 할 수 있었으며 이렇게 확립된 세포군은 유전자발현(gene expression), 후성학적 특성(epigenetics), 인 비트로/인 비보 (in vitro/in vivo) 에서의 삼배엽성 분화 능력(three germ layer differentiation), 테라토마(teratoma) 형성 능력, 키메라 마우스 생성(chimeric mouse generation) 이 마우스 배아줄기세포와 매우 유사함을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다. The present inventors hypothesized that de-differentiated induced pluripotent stem cells could be established by inducing expression of Sox2 gene and overexpression of Bmi1, which can suppress the expression of p16 Ink4a and p19 Arf with Oct4 overexpression in mouse somatic cells. Built up. Based on this hypothesis, the introduction of Oct4 and Bmi1 genes and induction of differentiation led to the induction into cells having the same characteristics as embryonic stem cells. Based on these results, if Bmi1 is induced by higher regulators that can substitute for Bmi1, we could provide a technique that can be used to establish a technique for inducing into differentiated stem cells without transduction. Based on this hypothesis, we used Shh hedgehog signaling to overexpress Bmi1. Shh is an important cytokine in neural stem cell self-renewal and directly regulates Gli1 protein and is important for neural stem cells including Bmi1 and Sox2. It has been reported to increase the expression of factors (Curr Mol Med. 9, 873-886, 2009; Crit Rev Oncol Hematol. 65, 43-53, 2008). In order to induce the Shh signal, permophamine capable of inducing Shh was used (Stem cells 27, 703-713, 2009). When Permopamine (Purmorphamine) was treated to mouse fibroblasts in the culture condition of neural stem cells, it was confirmed that the expression of Bmi1 gene was increased, and the expression of Sox2 was increased at this time. In addition, the expression of p16 Ink4a and p19 Arf genes, the target genes of the Bmi1 gene, was reduced, indicating that Bmi1 and Sox2 were regulated by the treatment of permorphamine, and the expression of target genes of Bmi1 was regulated. I could confirm it. In addition, the cells induced by the treatment of permorphamine (purmorphamine) showed the shape of neural stem cells and the expression of nestin and sox2, the representative markers of neural stem cells was confirmed. Since this is the same result as the system overexpressing Bmi1, the method by treating Shh analog (purmorphamine), which is an Shh analogue, is considered appropriate, and this approach can reduce the number of genes. After introducing Oct4 gene under the condition of adding permophamine and culturing under the culture condition of embryonic stem cells, it was possible to establish a cell population similar in shape to embryonic stem cells. Epigenetics, three germ layer differentiation in vitro / in vivo, teratoma-forming ability, chimeric mouse generation The present invention was completed by confirming that the embryonic stem cells are very similar.

따라서 본 발명의 목적은 Bmi1의 상위 조절인자인 Shh의 유사체인 퍼모파민 (purmorphamine) 및 역분화 유도인자인 Oct4 유전자를 이용하여 체세포로부터 배아줄기세포 유사세포로의 역분화를 유도하는 조성물을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a composition for inducing the differentiation of somatic cells into embryonic stem cell-like cells by using the morphomorphic factor Shh analogue of Bmi1, purmorphamine, and Oct4 gene, which is a reverse differentiation inducer. will be.

본 발명의 다른 목적은 퍼모파민 및 Oct4를 이용하여 체세포로부터 배아줄기세포와 유사한 특성을 지니는 전분화성 역분화 줄기세포를 제조하는 제조방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method for producing pluripotent dedifferentiated stem cells having characteristics similar to embryonic stem cells from somatic cells using permopamine and Oct4.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 방법으로 생산된 배아줄기세포 유사세포를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an embryonic stem cell-like cell produced by the above method.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 더욱 명확하게 된다.Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, claims and drawings.

본 발명자들은 체세포에 퍼모파민 (purmorphamine)을 처리하여 신경줄기세포와 같은 세포로의 유도를 하면서 Oct4 유전자를 도입하고 배아줄기세포의 배양 조건에서 배양할 경우, 이미 분화된 세포 타입인 체세포가 전분화능을 가지는 배아줄기세포 유사세포로 역분화 (de-differentiation) 되는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다. The present inventors treated with permopamine (purmorphamine) in somatic cells to introduce into cells such as neural stem cells while introducing the Oct4 gene and cultured in the culture conditions of embryonic stem cells, somatic cells that are already differentiated cell type has a pluripotent capacity Eggplants were found to be de-differentiated into embryonic stem cell-like cells and completed the present invention.

하나의 양태로서, 본 발명은 다음을 포함하는 체세포로부터 배아줄기세포 유사세포로의 역분화를 유도하는 조성물을 제공한다.In one aspect, the present invention provides a composition for inducing reverse differentiation from somatic cells to embryonic stem cell-like cells, including:

a) 퍼모파민 (purmorphamine); 및a) purmorphamine; And

b) Oct4 단백질 또는 Oct4 단백질을 코딩하는 핵산분자.b) Oct4 protein or nucleic acid molecule encoding Oct4 protein.

본 발명에서 용어, "배아줄기세포(embryonic stem cell, ESC) 유사 세포"는 전분화성을 가지는 세포를 의미하며, 형질전환 없는 증식, 무한증식, 자가-재생산 및 3종류의 모든 배아 층으로부터 유래된 어떠한 세포로 발달할 수 있는 능력을 포함하는 배아줄기세포의 특성을 의미하나, 이에 제한되지는 않는다. 본 발명에서 배아줄기세포 유사세포는 배아줄기세포, 유도된 전분화성 줄기세포, 또는 유도 만능 줄기세포로도 기술되기도 한다. As used herein, the term "embryonic stem cell (ESC) -like cell" refers to a cell having pluripotency, and is derived from all three embryonic layers without proliferation, endless growth, self-reproduction and transformation without transformation. Refers to the characteristics of embryonic stem cells, including but not limited to the ability to develop into any cell. Embryonic stem cell-like cells in the present invention may also be described as embryonic stem cells, induced pluripotent stem cells, or induced pluripotent stem cells.

본 발명의 배아줄기세포 유사세포를 유도함에 있어서, 출발 체세포의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 임의의 체세포를 이용할 수 있다. 예를 들어, 태아기(embryonic period)의 체세포 이외에 성숙한(matured) 체세포를 이용해도 된다. 배아줄기세포 유사세포를 질병의 치료에 이용하는 경우에는 환자로부터 분리된 체세포를 이용하는 것이 바람직하며, 예를 들어, 질병에 관여하는 체세포나 질병치료에 관여하는 체세포 등을 이용할 수 있다. 바람직하게는 상기 체세포는 섬유아세포이며, 본 발명에서 섬유아세포는 인간과 마우스, 말, 양, 돼지, 염소, 낙타, 영양, 개 등의 동물 유래의 모든 섬유아세포를 포함한다. In inducing embryonic stem cell-like cells of the present invention, the type of starting somatic cell is not particularly limited, and any somatic cell may be used. For example, mature somatic cells may be used in addition to somatic cells of the embryonic period. When embryonic stem cell-like cells are used for the treatment of a disease, it is preferable to use somatic cells isolated from the patient. For example, somatic cells involved in the disease or somatic cells involved in the disease treatment can be used. Preferably, the somatic cells are fibroblasts, and in the present invention, the fibroblasts include all fibroblasts derived from animals such as humans, mice, horses, sheep, pigs, goats, camels, antelopes, and dogs.

본 발명의 퍼모파민 (purmorphamine)은 퓨린화합물 (purine compound)로서, Shh 신호체계에 관여하는 것으로 알려져 있다.Purmorphamine of the present invention is a purine compound and is known to be involved in the Shh signaling system.

상기 퍼모파민은 Shh 시그널을 유도할 수 있다면 특별한 제한이 있는 것은 아니며 다양한 유도체가 사용될 수 있다. 예를 들어 2-(1-Naphthoxy)-6-(4-morpholinoanilino)-9-cyclohexylpurin) 등을 시중에서 구입하여 사용할 수 있다. The permopamine is not particularly limited as long as it can induce the Shh signal, and various derivatives may be used. For example, 2- (1-Naphthoxy) -6- (4-morpholinoanilino) -9-cyclohexylpurin) can be purchased commercially.

상기 퍼모파민은 신경줄기세포 유사세포로 역분화를 유도하기 위하여 통상적으로 사용되는 배지에 처리하면 된다. 이렇게 Shh 유사체인 퍼모파민을 처리하면 용이하게 Bmi1을 유도할 수 있어, 역분화를 유도하기 위해 도입해야 하는 유전자수를 최소화할 수 있는 이점이 있다.The permophamine may be treated with a medium commonly used to induce differentiation into neural stem cell-like cells. By treating Shh analog permophamine, it is possible to easily induce Bmi1, thereby minimizing the number of genes to be introduced to induce differentiation.

상기 퍼모파민은 상기 배지에 유효 농도로 포함되도록 한다. 배지의 종류와 배양방법 등 당분야에서 잘 알려진 요소에 따라 퍼모파민의 유효 농도는 영향을 받을 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는, 0.5μM ~ 1μM의 양으로 처리하 였다.The permophamine is included in the medium at an effective concentration. Effective concentrations of permopamine may be affected by factors well known in the art, such as media type and culture method. In a specific example of the present invention, the treatment was carried out in an amount of 0.5 μM to 1 μM.

본 발명의 Oct4는 단백질 또는 이의 단백질을 코딩하는 핵산의 형태로 제공된다. 본 발명의 조성물에 사용되는 Oct4는 인간과 말, 양, 돼지, 염소, 낙타, 영양, 개 등의 동물 유래의 모든 Oct4를 포함하며, 바람직하게는 인간 Oct4이다. 또한, 배아줄기세포 유사세포로의 역분화에 사용되는 본 발명의 Oct4 단백질은 이의 야생형(wild type)의 아미노산 서열을 갖는 단백질뿐만 아니라 Oct4 단백질의 변이체를 포함한다. Oct4 of the present invention is provided in the form of a protein or a nucleic acid encoding the protein thereof. Oct4 used in the composition of the present invention includes all Oct4s derived from humans and animals such as horses, sheep, pigs, goats, camels, antelopes, dogs, and preferably human Oct4. In addition, the Oct4 protein of the present invention used for reverse differentiation into embryonic stem cell-like cells includes variants of the Oct4 protein as well as proteins having their wild type amino acid sequences.

Oct4 단백질의 변이체란 Oct4의 천연 아미노산 서열과 하나 이상의 아미노산 잔기가 결실, 삽입, 비보전적 또는 보전적 치환 또는 이들의 조합에 의하여 상이한 서열을 가지는 단백질을 의미한다. 상기 변이체는 천연 단백질과 동일한 생물학적 활성을 나타내는 기능적 등가물이거나 필요에 의해서 단백질의 물리 화학적 성질이 변형된 변이체일 수 있다. 물리, 화학적 환경에 대한 구조적 안정성이 증대되거나 생리학적 활성이 증대된 변이체이다.Variants of Oct4 protein refer to proteins in which the native amino acid sequence of Oct4 and one or more amino acid residues have different sequences by deletion, insertion, non-conservative or conservative substitution, or a combination thereof. The variant may be a functional equivalent exhibiting the same biological activity as the native protein or a variant in which the physicochemical properties of the protein are modified as necessary. It is a variant with increased structural stability to physicochemical environment or enhanced physiological activity.

또한, Oct4 단백질을 코딩하는 뉴클레오타이드 서열을 갖는 핵산의 형태로 제공된다. It is also provided in the form of a nucleic acid having a nucleotide sequence encoding Oct4 protein.

Oct4 단백질을 코딩하는 뉴클레오타이드 서열은 야생형 또는 상기한 바와 같은 변이체 형태의 Oct4 단백질을 코딩하는 뉴클레오타이드 서열로서, 하나 이상의 염기가 치환, 결실, 삽입 또는 이들의 조합에 의해 변이될 수 있으며, 천연에서 분리되거나 화학적 합성법을 이용하여 제조할 수 있다.The nucleotide sequence encoding the Oct4 protein is a nucleotide sequence encoding Oct4 protein in wild-type or variant form as described above, wherein one or more bases can be mutated by substitution, deletion, insertion, or a combination thereof, It may be prepared using chemical synthesis.

상기한 Oct4 단백질을 코딩하는 뉴클레오타이드 서열을 갖는 핵산은 단쇄 또 는 이중쇄일 수 있으며, DNA 분자(게놈, cDNA) 또는 RNA 분자일 수 있다. The nucleic acid having the nucleotide sequence encoding the Oct4 protein described above may be single or double stranded, and may be a DNA molecule (genome, cDNA) or an RNA molecule.

하나의 바람직한 양태에서, 본 발명에서 체세포를 배아줄기세포 유사세포로 역분화를 유도하는 조성물은 Oct4 단백질을 코딩하는 핵산을 포함하는 Oct4 단백질을 발현하는 벡터를 포함한다. In one preferred embodiment, the composition for inducing differentiation of somatic cells into embryonic stem cell-like cells in the present invention comprises a vector expressing an Oct4 protein comprising a nucleic acid encoding an Oct4 protein.

본 발명에서 용어, "벡터"란 적당한 숙주세포에서 목적 단백질을 발현할 수 있는 발현 벡터로서, 유전자 삽입물이 발현되도록 작동가능하게 연결된 필수적인 조절 요소를 포함하는 유전자 작제물을 말한다. As used herein, the term "vector" refers to a gene construct, which is an expression vector capable of expressing a protein of interest in a suitable host cell, and which contains essential regulatory elements operably linked to express the gene insert.

본 발명에서 용어, "작동가능하게 연결된(operably linked)"은 일반적 기능을 수행하도록 핵산 발현조절 서열과 목적하는 단백질을 코딩하는 핵산 서열이 기능적으로 연결(functional linkage)되어 있는 것을 말한다. 재조합벡터와의 작동적 연결은 당해 기술 분야에서 잘 알려진 유전자 재조합 기술을 이용하여 제조할 수 있으며, 부위-특이적 DNA 절단 및 연결은 당해 기술 분야에서 일반적으로 알려진 효소 등을 사용한다. As used herein, the term "operably linked" refers to a functional linkage of a nucleic acid expression control sequence and a nucleic acid sequence encoding a protein of interest to perform a general function. Operational linkage with recombinant vectors can be prepared using genetic recombination techniques well known in the art, and site-specific DNA cleavage and ligation employs enzymes commonly known in the art.

본 발명의 벡터는 프로모터, 오퍼레이터, 개시코돈, 종결코돈, 폴리아데닐화 시그널, 인핸서 같은 발현 조절 요소 외에도 막 표적화 또는 분비를 위한 신호 서열 또는 리더 서열을 포함하며 목적에 따라 다양하게 제조될 수 있다. 벡터의 프로모터는 구성적 또는 유도성일 수 있다. 또한, 발현벡터는 벡터를 함유하는 숙주 세포를 선택하기 위한 선택성 마커를 포함하고, 복제 가능한 발현벡터인 경우 복제 기원을 포함한다. 벡터는 자가 복제하거나 숙주 DNA에 통합될 수 있다. Vectors of the present invention include signal or leader sequences for membrane targeting or secretion in addition to expression control elements such as promoters, operators, initiation codons, termination codons, polyadenylation signals, enhancers, and can be prepared in various ways depending on the purpose. The promoter of the vector may be constitutive or inducible. In addition, the expression vector includes a selectable marker for selecting a host cell containing the vector and, in the case of a replicable expression vector, a replication origin. Vectors can self replicate or integrate into host DNA.

벡터는 플라스미드 벡터, 코즈미드 벡터, 바이러스 벡터 등을 포함한다. 바 람직하게는, 바이러스 벡터이다. 바이러스 벡터는 레트로바이러스(Retrovirus), 예를 들어 HIV(Human immunodeficiency virus) MLV(Murineleukemia virus) ASLV(Avian sarcoma/leukosis), SNV(Spleen necrosis virus), RSV(Rous sarcoma virus), MMTV(Mouse mammary tumor virus) 등, 아데노바이러스(Adenovirus), 아데노 관련 바이러스(Adeno-associatedvirus), 헤르페스 심플렉스 바이러스(Herpes simplex virus) 등에서 유래한 벡터를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는, Oct4 유전자의 경우에는 MLV-기반-바이러스 벡터로 니오마이신 (neomycine)에 대한 선별 마커를 포함하는 pBabe neo Oct4 벡터를 이용하였다.Vectors include plasmid vectors, cosmid vectors, viral vectors, and the like. Preferably, it is a viral vector. Viral vectors are retroviruses such as Human immunodeficiency virus HIV (Murineleukemia virus) Avian sarcoma / leukosis (ASLV), Spleen necrosis virus (SNV), Rous sarcoma virus (RSV), and Mouse mammary tumor viruses, such as, but are not limited to, vectors derived from Adenovirus, Adeno-associated virus, Herpes simplex virus, and the like. In a specific embodiment of the present invention, for the Oct4 gene, a pBabe neo Oct4 vector containing a selection marker for neomycin was used as the MLV-based-virus vector.

Oct4 단백질을 코딩하는 핵산은 당 분야의 공지 방법, 예를 들어 벡터 형태의 네이키드 DNA로 세포내로 전달하거나(Wolff et al. Science,1990: Wolffet al. J Cell Sci. 103:1249-59, 1992), 리포좀(Liposome), 양이온성 고분자(Cationic polymer)등을 이용하여 세포내로 전달할 수 있다. 리포좀은 유전자 전달을 위하여 DOTMA나 DOTAP 등의 양이온성 인지질을 혼합하여 제조한 인지질 막으로, 양이온성의 리포좀과 음이온성의 핵산이 일정 비율로 혼합하면 핵산-리포좀 복합체가 형성된다. Nucleic acids encoding Oct4 proteins can be delivered intracellularly by methods known in the art, such as naked DNA in the form of vectors (Wolff et al. Science, 1990: Wolffet al. J Cell Sci. 103: 1249-59, 1992). ), Liposomes, cationic polymers (Cationic polymer) can be delivered to the cell. Liposomes are phospholipid membranes prepared by mixing cationic phospholipids such as DOTMA or DOTAP for gene transfer. Nucleic acid-liposomal complexes are formed when cationic liposomes and anionic nucleic acids are mixed at a predetermined ratio.

또 다른 바람직한 양태로서, 본 발명에서 체세포로부터 배아줄기세포 유사세포로의 역분화를 유도하는 조성물은 Oct4 단백질을 코딩하는 핵산을 포함하는 Oct4 단백질을 발현하는 바이러스를 포함한다. In another preferred embodiment, the composition inducing reverse differentiation from somatic cells to embryonic stem cell-like cells in the present invention comprises a virus expressing Oct4 protein comprising a nucleic acid encoding Oct4 protein.

본 발명에서 용어, "바이러스"는 Oct4 단백질을 코딩하는 핵산을 포함하는 바이러스 벡터를 패키징 세포로 형질전환 및 감염시켜 제작한, Oct4를 발현하는 바이러스를 의미한다. As used herein, the term "virus" refers to a virus expressing Oct4 produced by transforming and infecting a viral vector containing a nucleic acid encoding Oct4 protein with packaging cells.

본 발명의 Oct4 단백질을 발현하는 바이러스 제조에 사용될 수 있는 바이러스는 레트로바이러스, 아데노바이러스, 아데노 관련 바이러스, 헤르페스 심플렉스 바이러스 등을 포함하며 이로 제한되지 않는다. 바람직하게는, 레트로바이러스이다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는, pBabe neo 벡터에 인간 Oct4 단백질을 코딩하는 뉴클레오타이드 서열(서열번호 1)을 삽입하여 제조한 벡터(pBabe neo Oct4)를 광범위한 포유류 숙주세포에 감염이 가능한 고역가바이러스를 생성하는 패키징 세포인 PT67 세포에 형질전환시켜 Oct4 단백질을 발현하는 바이러스를 제조하여 섬유아세포를 감염시켰다. Viruses that can be used to prepare viruses expressing Oct4 proteins of the invention include, but are not limited to, retroviruses, adenoviruses, adeno-associated viruses, herpes simplex viruses, and the like. Preferably, it is a retrovirus. In a specific embodiment of the present invention, a vector (pBabe neo Oct4) prepared by inserting a nucleotide sequence (SEQ ID NO: 1) encoding a human Oct4 protein into a pBabe neo vector generates a high titer virus capable of infecting a wide range of mammalian host cells. PT67 cells, which are packaging cells, were transformed to prepare viruses expressing Oct4 protein to infect fibroblasts.

또 다른 양태로서, 본 발명은 체세포에 퍼모파민 (purmorphamine)을 처리하고 Oct4 유전자를 체세포에 도입하는 단계를 포함하는 체세포로부터 배아줄기세포 유사세포를 제조하는 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for producing embryonic stem cell-like cells from somatic cells comprising the step of treating the somatic cells with permorphamine (purmorphamine) and introducing the Oct4 gene into the somatic cells.

보다 구체적으로, (i) 섬유아세포 세포를 배지에서 배양하는 단계, (ii) 상기 배양한 섬유아세포에 퍼모파민을 처리하고 Oct4 유전자를 삽입한 벡터를 트랜스펙션시킨 패키징 세포로 감염시키는 단계, (iii) 상기 감염시킨 섬유아세포를 배아줄기세포 배양조건에서 배양하는 단계를 포함한다.More specifically, (i) culturing the fibroblast cells in the medium, (ii) infecting the cultured fibroblasts with packaging cells transfected with the vector treated with permophamine and inserted Oct4 gene, ( iii) culturing the infected fibroblasts under embryonic stem cell culture conditions.

상기 방법의 (i) 단계에서 섬유아세포를 배양하는 배지는 당해 분야에서 섬유아세포 배양에 통상적으로 사용되는 배지를 모두 포함한다. 배양에 사용되는 배 지는 일반적으로 탄소원, 질소원 및 미량원소 성분을 포함한다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 DMEM (high glucose, w/o sodium pyruvate) + 10% FBS (Fetal Bovine Serum) + 0.1mM non-essential amino acid + 1% penicilin/streptomycin + 0.1mM β-mercaptoethanol) 배지에서 배양하였다.The medium for culturing fibroblasts in step (i) of the method includes all media commonly used for culturing fibroblasts in the art. The medium used for the culture generally contains a carbon source, a nitrogen source and a trace element component. In a specific embodiment of the present invention, DMEM (high glucose, w / o sodium pyruvate) + 10% FBS (Fetal Bovine Serum) + 0.1 mM non-essential amino acid + 1% penicilin / streptomycin + 0.1 mM β-mercaptoethanol) Incubated.

상기 방법의 (ii) 단계에서 상기 퍼모파민을 신경줄기세포 배양 조건에서 처리하여 신경줄기세포와 같은 세포로의 유도를 하면서 Oct4 유전자를 섬유아세포로 도입하는 것이 바람직하다. 퍼모파민 처리를 1일 동안 한 후에 Oct4 바이러스로 감염을 16시간 간격으로 3회에 걸쳐 실시하면서 퍼모파민 처리를 계속하는 것이 바람직하다. 이때, 퍼모파민 처리를 총 72시간 동안 계속하면서 신경줄기세포 배양조건을 유지한 후 배아줄기세포 배양조건으로 바꾸어 주는 것이 배아줄기세포 유사세포로의 역분화 효율을 높일 수 있어 바람직하다. In step (ii) of the method, the permopamine is treated under neural stem cell culture conditions, and it is preferable to introduce Oct4 gene into fibroblasts while inducing them into cells such as neural stem cells. It is preferable to continue permophamine treatment after permophamine treatment for 1 day, followed by three times of infection with the Oct4 virus at 16 hour intervals. In this case, it is preferable to maintain the neural stem cell culture condition while continuing the permophamine treatment for a total of 72 hours, and then change the embryonic stem cell culture condition to increase the efficiency of dedifferentiation into embryonic stem cell-like cells.

상기 방법의 (ii) 단계에서 pBabe neo 벡터에 인간 Oct4 단백질을 코딩하는 핵산분자를 삽입하여 제조한 벡터(pBabe neo Oct4)를 광범위한 포유류 숙주세포에 감염이 가능한 고역가바이러스를 생성하는 패키징 세포인 PT67 세포에 형질전환시켜 Oct4 단백질을 발현하는 바이러스를 제조하여 섬유아세포를 감염시킨다. 상기 Oct4 단백질 또는 Oct4 단백질을 코딩하는 뉴클레오타이드 서열인 핵산은 인간과 말, 양, 돼지, 염소, 낙타, 영양, 개 등의 동물 유래의 모든 Oct4 일 수 있으며, 야생형 및 변이체를 포함한다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 인간 Oct4(NCBI accession No. NM_002701; 서열번호 1)를 이용하였다. PT67 cell, which is a packaging cell that generates a high titer virus capable of infecting a wide range of mammalian host cells by incorporating a nucleic acid molecule encoding human Oct4 protein into pBabe neo vector in step (ii) of the method Is transformed into a virus expressing Oct4 protein to infect fibroblasts. The nucleic acid which is the Oct4 protein or the nucleotide sequence encoding the Oct4 protein may be any Oct4 derived from humans and animals such as horses, sheep, pigs, goats, camels, antelopes and dogs, and includes wild-type and variants. In a specific embodiment of the present invention, human Oct4 (NCBI accession No. NM_002701; SEQ ID NO: 1) was used.

상기 방법의 (iii) 단계의 배아줄기세포 배양 조건은 당해 분야에서 배아줄 기세포 배양에 통상적으로 사용되는 배지를 모두 포함한다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 지지세포가 있는 조건에서 하이 글루코오즈 DMEM에 15% FBS (Fetal bovine serum) + 0.1mM nonessential amino acid +1% penicillin/streptomycin + 0.1mM β-mercaptoethanol + 1000 unit/ml mouse LIF (leukemia inhibitory factor)의 배양액에서 배양하면서 2-3일에 한 번씩 계대 배양을 하였다.Embryonic stem cell culture conditions of step (iii) of the method includes all of the medium commonly used in the culture of embryonic stem cells in the art. In a specific embodiment of the present invention, 15% FBS (Fetal bovine serum) + 0.1 mM nonessential amino acid + 1% penicillin / streptomycin + 0.1 mM β-mercaptoethanol + 1000 unit / ml mouse in high glucose DMEM in the presence of supporting cells Subcultures were performed every 2-3 days while incubated in LIF (leukemia inhibitory factor) media.

또 다른 양태로서, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 배아줄기세포 유사세포를 제공한다.In another aspect, the present invention provides embryonic stem cell-like cells prepared by the above method.

본 발명의 역분화 방법으로 제조된 배아줄기세포 유사세포는, 배아줄기세포 특이적인 마커인 알카라인포스파타아제(alkaline phosphatase) 및 SSEA1, Oct4, Sox2에 대한 항체에 양성 반응을 나타내며, 배아줄기세포의 자가재생능력의 유지에 중요한 유전자들(Oct4, Sox2, Nanog, c-myc, Klf4)의 발현이 배아줄기세포와 비슷한 양상으로 발현이 된다. 또한, 일반적인 배아줄기세포와 동일한 전분화능을 가지는 것을 확인하였다. 나아가, 본 발명의 역분화 방법으로 제조된 배아줄기세포 유사세포는 자가재생 (self-renewal)의 특징을 가진다. Embryonic stem cell-like cells prepared by the reverse differentiation method of the present invention show positive responses to antibodies against alkaline phosphatase and SSEA1, Oct4, and Sox2, which are embryonic stem cell-specific markers. Expression of genes (Oct4, Sox2, Nanog, c-myc, Klf4), which are important for the maintenance of self-renewal ability, is expressed in a similar pattern to embryonic stem cells. In addition, it was confirmed to have the same pluripotency as the general embryonic stem cells. Furthermore, embryonic stem cell-like cells prepared by the reverse differentiation method of the present invention have the characteristics of self-renewal.

본 발명의 배아줄기세포 유사세포는 다양한 타입의 세포를 제공하는 좋은 소스(source)이다. 예를 들면, 상기 배아줄기세포 유사세포는 세포 분화를 위한 조건의 배지에서 배양하여 조혈세포, 신경세포, 베타세포, 간세포, 연골세포, 상피세포, 요로 세포 및 이의 유사 세포로 분화 유도될 수 있다. Embryonic stem cell-like cells of the present invention are good sources for providing various types of cells. For example, the embryonic stem cell-like cells may be induced to differentiate into hematopoietic cells, neurons, beta cells, hepatocytes, chondrocytes, epithelial cells, urinary tract cells and similar cells by culturing in a medium for cell differentiation. .

배아줄기세포 유사세포가 분화하기 위한 배지 조건 및 방법은 Palacios, et al., PNAS. USA, 92:7530-7537(1995), Pedersen, J. Reprod. Fertil. Dev., 6;543-552(1994), 및 Bain et al., Dev. Biol, 168:342-357(1995)에 개시되어 있다. 상기 배아줄기세포 유사세포는 이식을 통해서 수많은 치료에 응용될 수 있다. 상기 배아줄기세포 유사세포는 당뇨병, 파킨스병, 알츠하이머병, 암, 척수 손상, 다발성 경화, 근위축성 측삭 경화증(루게릭병), 근이영양증, 간 질환, 고 콜레스테롤 혈증, 심장 질환, 연골 대체, 창상, 족부 궤양, 위장병, 혈관질환, 신장 질환, 요로 질환, 노화관련 질환 및 상태와 같은 수많은 질병 또는 질환 치료에 응용할 수 있다. 그 외, 본 발명의 배아줄기세포 유사세포는 약물개발 시 평가 등에도 응용될 수 있다.Media conditions and methods for differentiation of embryonic stem cell-like cells are described in Palacios, et al., PNAS. USA, 92: 7530-7537 (1995), Pedersen, J. Reprod. Fertil. Dev., 6; 543-552 (1994), and Bain et al., Dev. Biol, 168: 342-357 (1995). The embryonic stem cell-like cells can be applied to numerous treatments through transplantation. The embryonic stem cell-like cells are diabetes, Parkin's disease, Alzheimer's disease, cancer, spinal cord injury, multiple sclerosis, amyotrophic lateral sclerosis (Lou Gehrig's disease), muscular dystrophy, liver disease, hypercholesterolemia, heart disease, cartilage replacement, wound, It can be applied to the treatment of numerous diseases or disorders such as foot ulcers, gastrointestinal diseases, vascular diseases, kidney diseases, urinary tract diseases, aging-related diseases and conditions. In addition, the embryonic stem cell-like cells of the present invention can be applied to evaluation during drug development.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 Shh의 유사체인 퍼모파민을 처리하면서 Oct4 유전자만을 도입하여 체세포를 전분화능을 가진 역분화 줄기세포로 유도할 수 있다. 본 발명에 의해 역분화된 배아줄기세포 유사세포는 예를 들어, 심근세포, 인슐린 생산세포, 또는 신경세포 등의 세포로 분화하여 심부전, 인슐린의존성 당뇨병, 파킨슨병이나 척수손상 등 다양한 질환에 대한 줄기세포 이식요법에 이용할 수 있으며, 사람배아를 이용하는 윤리적 문제나 이식 후의 거부반응을 회피할 수 있으므로 극히 유용하다. 또한, 유도 전분화성 줄기세포를 분화시켜서 생기는 각종 세포(예를 들어, 심근세포, 간세포 등)는 화합물, 약제, 독물 등의 약효나 독성을 평 가하기 위한 시스템으로서 유용하게 사용될 수 있다.As described above, according to the present invention, somatic cells can be induced into dedifferentiated stem cells having pluripotency by introducing only Oct4 gene while treating perhamine, an analog of Shh. Embryonic stem cell-like cells differentiated by the present invention are differentiated into cells such as cardiomyocytes, insulin-producing cells, or neurons, for example, stems for various diseases such as heart failure, insulin-dependent diabetes mellitus, Parkinson's disease or spinal cord injury. It can be used for cell transplantation and is extremely useful because it can avoid ethical problems using human embryos and rejection after transplantation. In addition, various cells (for example, cardiomyocytes, hepatocytes, etc.) generated by differentiating induced pluripotent stem cells can be usefully used as a system for evaluating the efficacy and toxicity of compounds, drugs, and poisons.

또한, 본 발명은 Bmi1 유전자의 상위 조절인자인 Shh 유사체인 퍼모파민이라는 화학물질을 역분화 유도인자를 대체할 수 있도록 이용함으로써 Oct4 유전자 하나만으로 역분화 배아줄기세포 유사세포를 제조할 수 있으며, 더 나아가 유전자 도입없는 세포주 확립을 하는데 기반이 되는 기술을 제공하는 줄기세포분야에 매우 유용한 발명이라고 할 수 있다.In addition, the present invention can be used to produce a differentiation embryonic stem cell-like cells using only Oct4 gene by using a chemical called permophamine, a Shh analog that is a higher regulator of the Bmi1 gene, to replace the reverse differentiation inducer. Furthermore, it can be said to be a very useful invention in the field of stem cells that provides a technology based on establishing a cell line without gene introduction.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention .

실시예 1. 마우스 섬유아세포의 배양 Example 1 Culture of Mouse Fibroblasts

배아줄기세포 유사세포를 제조하기 위해, 마우스 체세포 중 마우스 섬유아세포를 이용하였다. 마우스 섬유아세포는 CF1 스트레인 마우스(CF1 strain mouse)가 임신한지 13.5일째가 되었을 때의 배아(embryo)를 준비하고 DMEM (high glucose, w/o sodium pyruvate) + 10% FBS (Fetal Bovine Serum) + 0.1mM non-essential amino acid + 1% penicilin/streptomycin + 0.1mM β-mercaptoethanol) 배지의 조직배양 플라스크(tissue culture flask)에서 배양을 한 후에 3 계대(3rd passage) 가 되었을 때 2 X 105의 세포를 6 웰플레이트(well plate)에 접종(seeding)을 하였다. To prepare embryonic stem cell-like cells, mouse fibroblasts of mouse somatic cells were used. Mouse fibroblasts were prepared for embryos at the 13.5th day of CF1 strain mouse pregnancy and DMEM (high glucose, w / o sodium pyruvate) + 3rd passage after incubation in a tissue culture flask with 10% FBS (Fetal Bovine Serum) + 0.1 mM non-essential amino acid + 1% penicilin / streptomycin + 0.1 mM β-mercaptoethanol 2 x 10 5 cells were seeded in 6 well plates.

실시예 2. 퍼모파민(Shh analog) 처리에 의한 Bmi1 유도 및 Oct4 유전자 도입Example 2 Bmi1 Induction and Oct4 Gene Introduction by Permophamine (Shh analog) Treatment

실시예 1에서 준비된 섬유아세포에 Shh (Sonic hedgehog)의 유사체인 퍼모파민을 처리하여 Bmi1이 유도되는지를 확인하였다. 도 1a는 Bmi1 유전자의 상위 조절인자로 알려진 Shh (Sonic hedgehog)의 유사체 (analog)인 퍼모파민 (purmorphamine)을 처리하였을 때 하위 유전자들이 조절되는 것을 RT-PCR 방법을 통해 확인한 결과를 나타내고 있다. 퍼모파민 (purmorphamine, Calbiochem cat. no. 540220)을 0.5μM과 1μM로 신경줄기세포의 배양 조건 (DMEM/F12 + B27 + N2 + 1% penicillin/streptomycin + 20 ng/ml bFGF + 20 ng/ml EGF)에서 처리를 하였을 때 Gli1과 Bmi1이 유도가 되며, 이 때 Bmi1 의 타겟 유전자인 p16Ink4a와 p19Arf의 발현이 마우스 섬유아세포에 비해 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 세포의 모양이 응집 (aggregation) 되면서 신경구와 같은 형태를 보이고 있는 것을 확인할 수 있었다 (도 1b). 이와 같이 유도된 신경줄기세포와 같은 세포는 Nestin, Sox2가 발현이 되는 것을 면역화학염색법을 통해 확인할 수 있었고, SSEA1과 AP 염색에도 포지티브 (positive)한 결과를 보이고 있는 것을 확인할 수 있었다 (도 1c). 이와 같은 결과를 통해 Bmi1을 조절할 수 있는 상위 조절인자인 Shh 의 유사체 (analog) 처리에 의해 Bmi1이 도입된 세포와 유사한 특성을 보이고 있는 것을 확인할 수 있었다. Fibroblasts prepared in Example 1 were treated with permopamine, an analog of Shh (Sonic hedgehog), to confirm whether Bmi1 is induced. Figure 1a shows the results confirmed by the RT-PCR method that the lower genes are regulated when treated with permophamine (purmorphamine), an analog of Shh (Sonic hedgehog) known as the upper regulator of the Bmi1 gene. Permopamine (purmorphamine, Calbiochem cat.no.540220) at 0.5μM and 1μM culture condition of neural stem cells (DMEM / F12 + B27 + N2 + 1% penicillin / streptomycin + 20 ng / ml bFGF + 20 ng / ml EGF) Gli1 and Bmi1 were induced when treated at, and the expression of p16 Ink4a and p19 Arf , the target genes of Bmi1 , was reduced compared to mouse fibroblasts. In addition, as the shape of the cells (aggregation) it can be seen that the neuron-like morphology (Fig. 1b). Thus induced cells such as neural stem cells can be confirmed that the expression of Nestin, Sox2 by immunochemical staining method, showing positive results in SSEA1 and AP staining (Fig. 1c). Through these results, it was confirmed that the Bmi1-introduced cells exhibited similar characteristics to those of Bmi1-introduced cells by analogue treatment of Shh, an upper regulator capable of controlling Bmi1.

상기 퍼모파민이 처리된 섬유아세포에 Oct4 유전자를 레트로 바이러스를 이용하여 도입하였다. 이때 바이러스 파티클(virus particles)을 PT67 패키징 세포주를 이용하여 준비하였다. 보다 구체적으로 pBabe neo 벡터에 인간 Oct4 (NCBI accession No. NM_002701) 유전자를 삽입하여 제조한 pBabe neo Oct4 벡터를 PT67 팩키징 세포주(packagingcell line, Clontech)에 터보펙트(Turbofect, Fermentas)를 이용하여 트랜스펙션(transfection)을 한 후 니오마이신 (neomycine, 1000 ㎍/ml) (BD biosciences) 로 선별하였다. PT67 팩키징 세포주는 광범위한 포유류 숙주세포에 감염이 가능한 고역가 바이러스를 생성하는 세포이다. Oct4 gene was introduced into the permopamine-treated fibroblasts using retrovirus. Virus particles were prepared using PT67 packaging cell lines. More specifically, pBabe neo Oct4 vector prepared by inserting human Oct4 (NCBI accession No. NM_002701) gene into pBabe neo vector was transfected into PT67 packaging cell line (Clontech) using turbofect (Turbofect, Fermentas). After transfection, the mice were selected with niomycin (1000 μg / ml) (BD biosciences). The PT67 packaging cell line is a cell that produces high titer viruses capable of infecting a wide range of mammalian host cells.

Oct4 유전자의 발현을 RT-PCR의 방법을 통해 확인한 후에, 이와 같이 만들어진 세포주가 80% 정도 되었을 때 상등액(supernatant)을 취하여 0.45㎛ (Millipore) 필터로 필터링(filtering)을 하여 세포 파편 (cell debris)을 제거한 후에 폴리브렌 (polybrene, 6㎍/ml)(sigma)을 첨가하여 16시간 간격으로 분리한 마우스 섬유아세포에 3회 반복해서 감염(infection)시켰다. After confirming the expression of Oct4 gene by RT-PCR method, the cell debris was obtained by filtering supernatant and filtering with 0.45㎛ (Millipore) filter when 80% of the cell lines were made. After removal, polybrene (polygrene, 6 µg / ml) (sigma) was added to the mouse fibroblasts isolated at 16 hour intervals, and the cells were repeatedly infected three times.

이때, 퍼모파민 처리를 1일 동안 한 후 레트로바이러스 시스템을 이용하여 Oct4 유전자를 48시간 동안 16시간 간격으로 3회에 걸쳐 도입하면서 퍼모파민 처리를 계속하였다. 퍼모파민은 총 72시간 동안 계속 처리하였고, 퍼모파민을 처리하는 동안 신경줄기세포 배양조건을 유지하였다. 그 이후 마우스 배아줄기세포의 배양 조건으로 바꾸어주면서 역분화 유도를 하였다 (도 1d). 이로써 기존의 유전자 도입 만으로 역분화 유도한 조건과 최근에 보고된 Oct4와 Sox2에 케미컬을 처리하여 역분화를 유도한 조건을 기반으로 하면서 수정된 프로토콜을 확립하였다. 이와 같은 조건으로 역분화 유도를 하였을 때 10-14일 정도가 되면 콜로니와 같은 형태(morphology)들이 보이기 시작하였다. At this time, the permophamine treatment was performed for 1 day, followed by introducing the Oct4 gene three times at 16 hour intervals for 48 hours using a retroviral system to continue the permophamine treatment. Permophamine was continued for a total of 72 hours, and neural stem cell culture conditions were maintained during treatment with permophamine. Subsequently, reverse differentiation was induced while changing to culture conditions of mouse embryonic stem cells (FIG. 1D). As a result, a modified protocol was established based on the conditions that induced reverse differentiation only with the introduction of existing genes and the conditions that induced reverse differentiation by chemical treatment of recently reported Oct4 and Sox2. Induction of reverse differentiation under these conditions led to the appearance of colony-like morphologies after 10-14 days.

실시예 3. Shh 유사체인 퍼모파민을 처리하면서Example 3 While Treating Shh Analogue Permophamine Oct4 유전자 도입에 의한 역분화 줄기세포주 확립Establishment of Differentiated Stem Cell Line by Oct4 Gene Introduction

실시예 2 (도 1d)에 나타난 수정된 프로토콜에 따라, Shh 유사체 퍼모파민 (purmorphamine)을 처리하면서 레트로바이러스를 이용하여 Oct4를 도입한 후 마우스 배아줄기세포의 배양 조건으로 옮겨서 배양을 하여 역분화 줄기세포주를 확립할 수 있었다. 마우스 배아줄기세포의 배양 조건은 지지세포가 있는 조건에서 하이 글루코오즈 DMEM에 15% FBS (Fetal bovine serum) + 0.1mM nonessential amino acid +1% penicillin/streptomycin + 0.1mM β-mercaptoethanol + 1000 unit/ml mouse LIF (leukemia inhibitory factor)의 배양액에서 배양하면서 2-3일에 한 번씩 계대 배양을 하였다. 배양 후 10-14일 정도부터 콜로니와 비슷한 형태(morphology)의 세포들이 보이기 시작하였고, 계속해서 배양을 한 결과 배아줄기세포와 유사한 형태의 콜로니를 얻을 수 있었다. 이와 같은 방법을 통해 확립된 역분화 줄기세포주를 PO-iPS로 명명하였다. According to the modified protocol shown in Example 2 (FIG. 1D), Retrograded stem cell lines could be established by introducing Oct4 using retroviruses while treating Shh analog permorphamine (purmorphamine) and transferring them to culture conditions of mouse embryonic stem cells. Culture conditions of mouse embryonic stem cells were 15% FBS (Fetal bovine serum) + 0.1 mM nonessential amino acid + 1% penicillin / streptomycin + 0.1 mM β-mercaptoethanol + 1000 unit / ml in high glucose DMEM under supporting cells. Subcultures were performed every 2-3 days while incubated in a culture of mouse LIF (leukemia inhibitory factor). After 10-14 days of culture, cells of similar morphology (morphology) began to appear, and after culturing, colonies similar to embryonic stem cells were obtained. The dedifferentiated stem cell line established through this method was named PO-iPS.

PO-iPS를 배아줄기세포와 비교하여 특성을 분석하였다. 배아줄기세포에서 중요한 유전자로 알려진 대표적인 유전자들의 발현을 비교 분석한 결과 배아줄기세포 와 유사한 발현 양상을 보이고 있었다 (도 2a). 이때 외부에서 유래하여 ( exogenous) 삽입된 Oct4 유전자의 발현은 침묵 (silence)된 결과를 보이고 있었다. 또한, 게놈 DNA (genomic DNA) 상에 Oct4 유전자가 융합 (integration)되어 있는 것을 게놈 DNA PCR (genomic DNA PCR) 방법을 통해 확인할 수 있었다 (도 2b). 이와 같은 세포는 자가재생능력의 유지에 중요한 유전자들의 발현이 real-time PCR로 정량화하였을 때 배아줄기세포와 유사한 발현정도를 보이고 있었다 (도 2c). FACS 분석 방법을 통해 SSEA1과 Oct4가 배아줄기세포와 비슷한 정도의 %로 발현이 되고 있는 것을 확인할 수 있었다 (도 2d). 세포의 모양이 배아줄기세포와 유사한 것을 확인할 수 있었고, AP 염색이 포지티브 (positive)하게 된 결과를 보였다. 또한, 대표적인 마커들의 발현을 면역화학염색법을 통해 확인하였을 때 Oct4, SSEA1, Sox2, Nanog의 발현이 배아줄기세포와 유사한 것을 확인할 수 있었다 (도 2e). PO-iPS was compared with embryonic stem cells and characterized. Comparative expression analysis of representative genes known as important genes in embryonic stem cells showed similar expression patterns as embryonic stem cells (FIG. 2A). At this time, the expression of the exogenous inserted Oct4 gene was shown to be silent. In addition, it was confirmed through the genomic DNA PCR (genomic DNA PCR) method that the Oct4 gene is integrated on the genomic DNA (genomic DNA) (FIG. 2B). Such cells showed similar expression levels to embryonic stem cells when the expression of genes important for maintaining self-renewal capacity was quantified by real-time PCR (FIG. 2C). The FACS analysis method showed that SSEA1 and Oct4 were expressed in% of embryonic stem cells at a similar level (FIG. 2D). The shape of the cells was similar to that of embryonic stem cells, and AP staining was positive. In addition, when the expression of representative markers was confirmed by immunochemical staining, it was confirmed that the expression of Oct4, SSEA1, Sox2, and Nanog was similar to that of embryonic stem cells (FIG. 2E).

실시예 4. PO-iPS의 후성유전학적 특성 연구Example 4. Epigenetic Characterization of PO-iPS

PO-iPS가 배아줄기세포와 비교하였을 때 배아줄기세포의 자가재생능력 유지에 중요하다고 알려진 Oct4 와 Nanog의 프로모터 부위의 메틸화 (methylation) 여부를 바이설파이트 시퀸싱 (bisulfite sequencing) 방법을 통해 비교 분석하였다. Oct4와 Nanog의 프로모터 부위가 탈메틸화 (demethylation) 되어 있는 것을 확인할 수 있었다 (도 3a). 또한, 크로마틴 면역침강법 (Chromatin immunoprecipitation)으로 히스톤 H3 (histone H3)에 아세틸화 (acetylation) 되어 있는 것을 확인할 수 있었다 (도 3b). 반면에 마우스 섬유아세포는 라이신 9 (lysine 9)에 탈메틸화 (dimethylation)되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 ChIP 분석 (ChIP assay) 후에 해당하는 Oct4, Sox2, Nanog 유전자의 프로모터 부위의 프라이머 (primer)를 이용하여 real-time PCR로 비교 분석한 결과이다. The bisulfite sequencing method was used to analyze the methylation of the promoter region of Oct4 and Nanog, which is known to be important for maintaining the self-renewal capacity of embryonic stem cells compared to embryonic stem cells. It was. It was confirmed that the promoter region of Oct4 and Nanog was demethylated (FIG. 3A). In addition, it was confirmed that histone H3 (acetylation) was acetylated by chromatin immunoprecipitation (FIG. 3B). In contrast, mouse fibroblasts were found to be demethylated in lysine 9 (dimethylation). This is the result of comparative analysis by real-time PCR using a primer of the promoter region of the corresponding Oct4, Sox2, and Nanog gene after the ChIP assay (ChIP assay).

실시예 5. 전체 유전자 발현 (Global gene expression)을 배아줄기세포와 비교 분석Example 5 Comparative Analysis of Global Gene Expression with Embryonic Stem Cells

PO-iPS를 DNA 마이크로어레이 (DNA microarray) 분석 방법을 통해 배아줄기세포와 비교 분석하였다. 산점도 (Scatter plot)로 이를 표시한 결과 대부분의 유전자의 발현이 2-fold 내에 포함이 되어 있었고, 특히 역분화 유도의 주요 인자이자 배아줄기세포에서 중요한 유전자로 알려진 Oct4, Sox2, Nanog, c-myc, Klf4 가 배아줄기세포와 거의 비슷한 정도로 발현이 되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 퍼모파민의 농도를 다르게 처리하여 유도된 세포에서도 동일한 결과를 보이고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 피어슨 상관관계 (pearson correlation) 방법을 통해 유사정도를 수치화한 결과 0.97과 0.95정도로 높은 유사성을 보이고 있는 것을 확인할 수 있었다 (도 4).PO-iPS was compared to embryonic stem cells by DNA microarray analysis. Scatter plots indicated that most genes were contained within 2-fold, especially Oct4, Sox2, Nanog, and c-myc, which are known to be important factors in inducing differentiation and important genes in embryonic stem cells. , Klf4 was expressed to about the same level as the embryonic stem cells. It was confirmed that the same result was obtained in cells induced by treating the concentration of permophamine differently. In addition, as a result of quantifying the similarity through the Pearson correlation (pearson correlation) method, it was confirmed that the similarity is shown as high as 0.97 and 0.95 (Fig. 4).

실시예 6. 인 비트로와 인 비보에서의 삼배엽성 세포로의 분화 능력 비교 분석Example 6 Comparative Analysis of Differentiation Ability into Trioderm Cells in Vitro and In Vivo

PO-iPS 역분화 줄기세포가 인 비트로상에서 분화 능력이 있는지 여부를 확인하기 위해서 우선 배아체 (embryonic body, EB)를 형성하는지를 확인하였다. 그리 고 EB 형성 7일째가 되었을 때 삼배엽에 해당하는 유전자들이 발현이 되는지 여부를 RT-PCR 방법을 통해 확인한 결과 배아줄기세포와 동일한 양상을 보이고 있는 것을 확인할 수 있었다 (도 5a). 형성된 배아체 (embryonic body)를 0.1% 젤라틴 (gelatin)이 코팅 (coating)된 조직 배양 플레이트 (tissue culture plate)에서 자연발생적 분화 유도를 한 결과 삼배엽에 해당하는 대표적인 세포로의 분화 유도가 되는 것을 각각의 해당하는 마커의 염색을 통해 확인할 수 있었다. 면역화학염색법을 통해 Tuj1, SMA의 발현을 확인하여 삼배엽에 해당하는 대표적인 세포로의 분화 유도가 되는 것을 확인할 수 있었다 (도 5b). In order to confirm whether PO-iPS dedifferentiated stem cells have differentiation ability in vitro, first, an embryonic body (embryonic body, EB) was formed. And on the 7th day of EB formation, it was confirmed by RT-PCR method that the genes corresponding to the three germ layers are expressed, showing that the same pattern as the embryonic stem cells (Fig. 5a). Induction of spontaneous differentiation in tissue culture plates coated with 0.1% gelatin-coated embryonic bodies resulted in induction of differentiation into representative cells of the trioderm. This can be confirmed by staining each corresponding marker. It was confirmed that the expression of Tuj1, SMA through immunochemical staining was induced to differentiate into representative cells corresponding to the three germ layers (Fig. 5b).

인 비보에서도 분화 능력을 가지고 있는지 여부를 확인하기 위해서 106의 세포를 8000 rpm에서 5분 동안 원심분리를 하고 배아줄기세포 배양액에서 펠릿 (pellet) 배양을 37℃ 인큐베이터에서 24시간 동안 한 후에 6주령 Balb/c 누드 마우스 (Balb/c nude mouse)의 신장 (kidney)에 캡슐 (capsule) 형태로 주사 (injection)하였다. 8-10주 후에 신장 (kidney)을 분리하여 삼배엽으로 분화되었는지 여부를 파라핀 블록 (parrafin block)을 만들고 H&E 염색을 하여 확인하였다. 그 결과 삼배엽에 해당하는 세포로 분화가 된 것을 확인할 수 있었다 (도 5c). C57/BL6의 배반포 (blastocyst)에 주사 (injection)를 하고 대리모에 이식을 한 후에 F1에서 키메라 (chimera) 형성이 된 것을 확인할 수 있었다. 대리모인 마우스와 C57/BL6의 마우스와 비교해볼 때 키메라 (chimera) 형성이 된 것을 확인할 수 있었고 (도 5d), 이와 같은 결과를 통해 역분화 줄기세포가 배아줄기세포와 유사한 특 성을 지니고 있는 것을 알 수 있었다.To determine whether they have differentiation capacity in vivo, 10 6 cells were centrifuged at 8000 rpm for 5 minutes and pellet cultured in embryonic stem cell culture in a 37 ° C incubator for 24 hours before 6 weeks of age. The kidneys of Balb / c nude mice were injected in the form of capsules. After 8-10 weeks, kidneys were separated and differentiated into trioderm to determine whether paraffin blocks were made and H & E staining. As a result, it was confirmed that the differentiation into cells corresponding to the three germ layers (Fig. 5c). After injection into the blastocyst of C57 / BL6 and transplantation into the surrogate mother, chimera formation was observed in F1. When compared with surrogate mice and mice of C57 / BL6, chimera formation was observed (FIG. 5D). As a result, dedifferentiated stem cells have characteristics similar to embryonic stem cells. Could know.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those who have

도 1은 Shh (Sonic hedgehog) 유사체인 퍼모파민 (purmorphamine) 처리에 의한 Bmi1 유도 결과를 나타낸다.Figure 1 shows the results of Bmi1 induction by the treatment of Smorph (sonic hedgehog) analog, purmorphamine (purmorphamine).

도 1a는 Shh (Sonic hedgehog) 유사체인 퍼모파민 (purmorphamine)을 마우스 섬유아세포에 처리를 하였을 때 하위 조절 유전자들의 발현을 확인한 결과를 나타내고 있다. 퍼모파민 (purmorphamine)를 처리한 경우 Gli1과 Bmi1의 발현이 증가하는 것을 확인할 수 있고, 이 때 Bmi1 유전자의 타겟 유전자로 알려진 p16Ink4a와 p19Arf의 유전자의 발현이 줄어드는 것을 RT-PCR 방법을 통해 확인할 수 있었다. Figure 1a shows the results of confirming the expression of subregulatory genes when treated with mouse fibroblasts Shh (Sonic hedgehog) analog, permorphamine (purmorphamine). When treated with permorphamine (purmorphamine) it can be seen that the expression of Gli1 and Bmi1 increased, and at this time the expression of p16 Ink4a and p19 Arf genes known as target genes of the Bmi1 gene is reduced by RT-PCR method Could.

도 1b는 퍼모파민 (purmorphamine)을 처리하였을 때 신경구와 같은 모양의 세포로 변화가 되는 것을 확인한 결과를 나타낸다.Figure 1b shows the results of confirming that the change in cells shaped like neurospheres when treated with permorphamine (purmorphamine).

도 1c는 이와 같이 형성된 신경구와 같은 모양의 세포가 신경줄기세포와 같은 특성을 지니고 있는 것을 확인한 결과를 보여주고 있다. Nestin, Sox2의 대표적인 마커들의 발현을 면역화학염색법을 통해 확인을 하고 SSEA1과 AP에 포지티브 (positive)한 결과를 보이고 있는 것을 확인할 수 있다. Figure 1c shows the results confirming that the cells formed in the shape of the neurospheres thus formed have the same characteristics as the neural stem cells. Expression of representative markers of Nestin and Sox2 was confirmed by immunochemical staining, and positive results were shown in SSEA1 and AP.

도 1d는 퍼모파민 (purmorphamine)을 처리하면서 Oct4 유전자를 도입하고 배아줄기세포의 배양 조건에서 역분화 유도하는 과정의 프로토콜에 대한 모식도를 나타내고 있다. FIG. 1D shows a schematic diagram of a protocol for introducing Oct4 gene while treating permorphamine, and inducing differentiation in embryonic stem cell culture conditions.

도 2는 퍼모파민 (purmorphamine)을 처리하면서 Oct4 유전자를 도입하여 유도된 역분화 줄기세포를 배아줄기세포와 특성을 비교 분석한 결과를 보여주고 있 다. Figure 2 shows the results of comparing the characteristics of embryonic stem cells and induced differentiation stem cells induced by introducing the Oct4 gene while treating permorphamine (purmorphamine).

도 2a는 RT-PCR의 방법을 통해 배아줄기세포에서 발현이 되는 대표적인 유전자들의 발현을 비교 분석한 결과를 보여주고 있고, 아래의 결과는 외부 유래의(exogenous) Oct4의 발현이 나타나지 않는 것을 확인한 결과를 나타내고 있다.Figure 2a shows the results of comparative analysis of the expression of representative genes expressed in embryonic stem cells by the method of RT-PCR, the results below confirm that the expression of exogenous Oct4 does not appear Indicates.

도 2b는 게놈 DNA 상에 Oct4 유전자가 융합 (interation) 되어 있는 결과를 보여주고 있다. Figure 2b shows the result of the Oct4 gene fusion (interation) on genomic DNA.

도 2c는 real-time PCR의 방법을 통해 배아줄기세포의 자가재생능력의 유지에 중요한 유전자들의 발현을 정량화하여 비교하였을 때도 배아줄기세포와 비슷한 양상을 보이고 있는 것을 확인한 결과를 나타내고 있다. Figure 2c shows the results confirming that similar to the embryonic stem cells when quantifying and comparing the expression of genes important for maintaining the self-renewal ability of embryonic stem cells through the real-time PCR method.

도 2d는 FACS 분석방법을 통해 SSEA1과 Oct4의 발현이 배아줄기세포와 유사하게 나타나는 것을 확인한 결과를 보여주고 있다. Figure 2d shows the results confirmed that the expression of SSEA1 and Oct4 appear similar to embryonic stem cells by FACS analysis.

도 2e는 FACS 분석 방법을 통해 SSEA1과 Oct4의 발현이 상당히 높게 나타나고 있는 것을 확인한 결과를 나타내고 있다.Figure 2e shows the results confirming that the expression of SSEA1 and Oct4 is significantly high through the FACS analysis method.

도 3은 본 발명에 의한 배아줄기세포 유사세포의 후성유전학적 특성을 비교 분석한 결과를 나타내고 있다. Figure 3 shows the results of comparative analysis of epigenetic characteristics of embryonic stem cell-like cells according to the present invention.

도 3a는 역분화 줄기세포 (PO-iPS)와 배아줄기세포가 바이설파이트 시퀀싱 (Bisulfite sequencing) 방법을 통해 Oct4와 Nanog 유전자의 프로모터 부위가 탈메틸화 (demethylation) 되어 있는 것을 확인한 결과를 보여주고 있다. FIG. 3a shows the results of confirming that the promoter regions of Oct4 and Nanog genes are demethylated by bisulfite sequencing method for dedifferentiated stem cells (PO-iPS) and embryonic stem cells. .

도 3b는 크로마틴 면역침강법 (Chromatin immunoprecipitation, ChIP)을 이용하여 배아줄기세포와 역분화 줄기세포의 Oct4, Sox2, Nanog 유전자의 프로모터의 히스톤 (histone) 3번이 아세틸화 (acetylation) 되어 유전자 발현이 활성화된 결과를 나타내고 있다는 것을 증명한 결과를 보여주고 있고, 이에 비해 마우스 섬유아세포에서는 라이신 9 (lysine 9)에서 탈메틸화 (dimethylation)되어 유전자들의 발현이 비활성화된 결과를 나타내고 있다는 것을 증명한 결과를 보여주고 있다.Figure 3b is the histone number 3 of the promoters of Oct4, Sox2, and Nanog genes of embryonic stem cells and dedifferentiated stem cells using Chromatin immunoprecipitation (ChIP) is acetylated (acetylation) gene expression This result shows that the result is shown to be activated. In contrast, mouse fibroblasts are demethylated in lysine 9, indicating that the expression of genes is inactivated. Is showing.

도 4는 DNA 마이크로어레이 (DNA microarray) 방법을 통해 배아줄기세포와 역분화 줄기세포인 PO-iPS를 전체 유전자상에서 비교 분석한 결과를 보여주고 있다. 산점도 (Scatter plot) 방법으로 분석 결과를 표시하였을 때 대부분의 유전자들의 발현 정도가 배아줄기세포와 비슷한 것을 확인할 수 있었고, 피어슨 상관관계 (pearson correlation) 분석 방법을 통해 0.97, 0.95정도의 유사성을 보이고 있는 것을 확인할 수 있었다. Figure 4 shows the results of comparative analysis on the whole gene of embryonic stem cells and de-differentiated stem cells PO-iPS by the DNA microarray method (DNA microarray). When the analysis results were displayed by the scatter plot method, the expression level of most genes was similar to that of embryonic stem cells, and the similarity of 0.97 and 0.95 was shown by the Pearson correlation method. I could confirm that.

도 5는 본 발명에 의한 배아줄기세포 유사세포가 인 비트로와 인 비보에서 삼배엽성 세포로의 분화 능력을 지니고 있는지를 확인한 결과를 보여주고 있다. Figure 5 shows the results confirming whether the embryonic stem cell-like cells according to the present invention has the ability to differentiate from in vitro and in vivo to trioderm cells.

도 5a는 배아줄기세포와 같이 배아체 (embryonic body, EB)를 형성하는 것을 보여주고 있고, 도 5a의 오른쪽 패널 (panel)은 RT-PCR의 방법을 통해 삼배엽에 해당하는 대표적인 유전자들의 발현을 확인한 결과를 나타내고 있다. FIG. 5A shows the formation of an embryonic body (EB) like embryonic stem cells, and the right panel of FIG. 5A shows the expression of representative genes corresponding to the three germ layers through the method of RT-PCR. The confirmed result is shown.

도 5b는 인 비트로에서 자연발생적 분화 유도 후 해당하는 마커를 면역화학염색법을 통해 확인한 결과를 보여주고 있다. Figure 5b shows the result of confirming the markers by immunochemical staining after induction of spontaneous differentiation in vitro.

도 5c는 인 비보에서 테라토마 (teratoma) 형성을 한다는 것을 H&E 염색을 통해 분석한 결과를 보여주고 있다. Figure 5c shows the results of the analysis by H & E staining that teratoma (teratoma) formation in vivo.

도 5d는 C57/BL6의 배반포 (blastocyst)에 세포를 주사 (injection)하고 대 리모에 이식을 한 후에 키메라 (chimera) 형성 비율을 본 것으로, 2마리의 마우스에서 키메라 (chimera) 형성을 확인할 수 있었다. FIG. 5D shows the chimera formation rate after injecting cells into the blastocyst of C57 / BL6 and transplanting into the surrogate mother, thus confirming the chimera formation in the two mice. .

<110> Korea University Industrial and Academic Collaboration Foundation <120> Generation composition for induced pluripotent stem cells with purmorphamine treatment and Oct4, and method of manufacturing induced pluripotent stem cells using the same <130> P11-091218-04 <160> 1 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 1411 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 1 ccttcgcaag ccctcatttc accaggcccc cggcttgggg cgccttcctt ccccatggcg 60 ggacacctgg cttcggattt cgccttctcg ccccctccag gtggtggagg tgatgggcca 120 ggggggccgg agccgggctg ggttgatcct cggacctggc taagcttcca aggccctcct 180 ggagggccag gaatcgggcc gggggttggg ccaggctctg aggtgtgggg gattccccca 240 tgccccccgc cgtatgagtt ctgtgggggg atggcgtact gtgggcccca ggttggagtg 300 gggctagtgc cccaaggcgg cttggagacc tctcagcctg agggcgaagc aggagtcggg 360 gtggagagca actccgatgg ggcctccccg gagccctgca ccgtcacccc tggtgccgtg 420 aagctggaga aggagaagct ggagcaaaac ccggaggagt cccaggacat caaagctctg 480 cagaaagaac tcgagcaatt tgccaagctc ctgaagcaga agaggatcac cctgggatat 540 acacaggccg atgtggggct caccctgggg gttctatttg ggaaggtatt cagccaaacg 600 accatctgcc gctttgaggc tctgcagctt agcttcaaga acatgtgtaa gctgcggccc 660 ttgctgcaga agtgggtgga ggaagctgac aacaatgaaa atcttcagga gatatgcaaa 720 gcagaaaccc tcgtgcaggc ccgaaagaga aagcgaacca gtatcgagaa ccgagtgaga 780 ggcaacctgg agaatttgtt cctgcagtgc ccgaaaccca cactgcagca gatcagccac 840 atcgcccagc agcttgggct cgagaaggat gtggtccgag tgtggttctg taaccggcgc 900 cagaagggca agcgatcaag cagcgactat gcacaacgag aggattttga ggctgctggg 960 tctcctttct cagggggacc agtgtccttt cctctggccc cagggcccca ttttggtacc 1020 ccaggctatg ggagccctca cttcactgca ctgtactcct cggtcccttt ccctgagggg 1080 gaagcctttc cccctgtctc cgtcaccact ctgggctctc ccatgcattc aaactgaggt 1140 gcctgccctt ctaggaatgg gggacagggg gaggggagga gctagggaaa gaaaacctgg 1200 agtttgtgcc agggtttttg ggattaagtt cttcattcac taaggaagga attgggaaca 1260 caaagggtgg gggcagggga gtttggggca actggttgga gggaaggtga agttcaatga 1320 tgctcttgat tttaatccca catcatgtat cacttttttc ttaaataaag aagcctggga 1380 cacagtagat agacacactt aaaaaaaaaa a 1411 <110> Korea University Industrial and Academic Collaboration Foundation <120> Generation composition for induced pluripotent stem cells with          purmorphamine treatment and Oct4, and method of manufacturing          induced pluripotent stem cells using the same <130> P11-091218-04 <160> 1 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 1411 <212> DNA <213> Homo sapiens <400> 1 ccttcgcaag ccctcatttc accaggcccc cggcttgggg cgccttcctt ccccatggcg 60 ggacacctgg cttcggattt cgccttctcg ccccctccag gtggtggagg tgatgggcca 120 ggggggccgg agccgggctg ggttgatcct cggacctggc taagcttcca aggccctcct 180 ggagggccag gaatcgggcc gggggttggg ccaggctctg aggtgtgggg gattccccca 240 tgccccccgc cgtatgagtt ctgtgggggg atggcgtact gtgggcccca ggttggagtg 300 gggctagtgc cccaaggcgg cttggagacc tctcagcctg agggcgaagc aggagtcggg 360 gtggagagca actccgatgg ggcctccccg gagccctgca ccgtcacccc tggtgccgtg 420 aagctggaga aggagaagct ggagcaaaac ccggaggagt cccaggacat caaagctctg 480 cagaaagaac tcgagcaatt tgccaagctc ctgaagcaga agaggatcac cctgggatat 540 acacaggccg atgtggggct caccctgggg gttctatttg ggaaggtatt cagccaaacg 600 accatctgcc gctttgaggc tctgcagctt agcttcaaga acatgtgtaa gctgcggccc 660 ttgctgcaga agtgggtgga ggaagctgac aacaatgaaa atcttcagga gatatgcaaa 720 gcagaaaccc tcgtgcaggc ccgaaagaga aagcgaacca gtatcgagaa ccgagtgaga 780 ggcaacctgg agaatttgtt cctgcagtgc ccgaaaccca cactgcagca gatcagccac 840 atcgcccagc agcttgggct cgagaaggat gtggtccgag tgtggttctg taaccggcgc 900 cagaagggca agcgatcaag cagcgactat gcacaacgag aggattttga ggctgctggg 960 tctcctttct cagggggacc agtgtccttt cctctggccc cagggcccca ttttggtacc 1020 ccaggctatg ggagccctca cttcactgca ctgtactcct cggtcccttt ccctgagggg 1080 gaagcctttc cccctgtctc cgtcaccact ctgggctctc ccatgcattc aaactgaggt 1140 gcctgccctt ctaggaatgg gggacagggg gaggggagga gctagggaaa gaaaacctgg 1200 agtttgtgcc agggtttttg ggattaagtt cttcattcac taaggaagga attgggaaca 1260 caaagggtgg gggcagggga gtttggggca actggttgga gggaaggtga agttcaatga 1320 tgctcttgat tttaatccca catcatgtat cacttttttc ttaaataaag aagcctggga 1380 cacagtagat agacacactt aaaaaaaaaa a 1411  

Claims (6)

다음을 포함하는 체세포로부터 배아줄기세포 유사세포로의 역분화를 유도하는 조성물Compositions that induce differentiation from somatic cells into embryonic stem cell-like cells, including a) 퍼모파민 (purmorphamine); 및a) purmorphamine; And b) Oct4 단백질 또는 Oct4 단백질을 코딩하는 핵산분자.b) Oct4 protein or nucleic acid molecule encoding Oct4 protein. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 The method of claim 1, wherein the composition a) 퍼모파민 (purmorphamine); 및a) purmorphamine; And b) Oct4 단백질을 코딩하는 핵산분자가 도입되어 Oct4 단백질을 발현하는 바이러스를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.b) A composition comprising a virus in which a nucleic acid molecule encoding Oct4 protein is introduced to express Oct4 protein. 체세포에 퍼모파민 (purmorphamine)을 처리하고 Oct4 유전자를 체세포에 도입하는 단계를 포함하는 체세포로부터 배아줄기세포 유사세포를 제조하는 방법.A method of producing embryonic stem cell-like cells from somatic cells comprising treating somatic cells with permorphamine and introducing Oct4 gene into somatic cells. 제3항에 있어서, (i) 섬유아세포 세포를 배지에서 배양하는 단계, (ii) 상기 배양한 섬유아세포에 퍼모파민 (purmorphamine)을 처리하고 Oct4 유전자를 삽입한 벡터를 트랜스펙션시킨 패키징 세포로 감염시키는 단계, (iii) 상기 감염시킨 섬유아세포를 배아줄기세포 배양조건에서 배양하는 단계를 포함하는 체세포로부터 배아줄기세포 유사세포를 제조하는 방법.According to claim 3, (i) culturing the fibroblast cells in the medium, (ii) the cultured fibroblasts were treated with permorphamine (purmorphamine) and the packaging cells transfected with the vector transfected with the Oct4 gene Infecting, (iii) A method for producing embryonic stem cell-like cells from somatic cells comprising the step of culturing the infected fibroblasts in embryonic stem cell culture conditions. 제4항에 있어서, 단계(ii)에서 상기 퍼모파민 (purmorphamine)을 신경줄기세포 배양 조건에서 처리하여 신경줄기세포와 같은 세포로의 유도를 하면서 Oct4 유전자를 섬유아세포로 도입하는 것을 특징으로 하는 체세포로부터 배아줄기세포 유사세포를 제조하는 방법. The embryo from somatic cells of claim 4, wherein in step (ii), the permophamine is treated under neural stem cell culture conditions to introduce Oct4 gene into fibroblasts while inducing into cells such as neural stem cells. Method for producing stem cell-like cells. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 배아줄기세포 유사세포. Embryonic stem cell-like cells produced by the method of any one of claims 3 to 5.
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