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 Bioin스페셜 WebZine 2009년 13호 [후성유전체 연구동향]

 인체의 후성유전학 연구동향

김용성  한국생명공학연구원 유전체의학연구센터

1. 서론: 후성유전학?

우리 인체는 하나의 수정란 세포로부터 출발하여 다양한 조직 및 장기로 분화하여 형성하게 되며, 따라서 각각의 조직 및 장기를 구성하는 모든 세포들의 유전체 염기 조성은 당연히 동일하다.  하지만 세포들의 형태 및 기능은 서로 크게 다른데, 어떻게 한 세포의 유전체 정보가 다양한 기능을 갖는 다양한 세포로 분화할 수 있는 것일까?  그것은 각 조직을 구성하고 있는 세포별로 특정한 유전자의 세트만이 발현되고 있으며, 유전체의 후성유전학적 조절기전에서 그 해답을 찾을 수 있다. 

본고에서는 먼저 후성유전학의 기본 개념을 정의하고, 인체를 중심으로 하는 후성유전학의 연구동향 및 후성유전학 또는 후성유전체학의 연구기법을 정리해 보고자 한다. 

1) 크로마틴 리모델링과 후성유전학

인간유전체에는 ''''''''CpG'''''''' 라는 이중 염기서열이 다량으로 존재하고 있고 이중 약 70%에 이르는 CpG의 시토신 염기에는 메틸기(-CH3)가 결합되어 있는데, 이를‘DNA 메틸화’(DNA methylation)라고 부른다.  이러한 DNA 메틸화 현상은 유전체의 각종 반복서열 등에서 흔히 관찰되며, 이는 유전체안정성 유지 등에 중요한 역할을 하고 있는 것으로 보고 있다.  한편 각종 유전자의 5’상단 조절부위에 CpG가 밀집된 독특한 영역이 존재하는데 이를 ''''''''CpG island'''''''' 라 부르며, 이 경우 CpG의 시토신은 대부분 메틸기가 결합되어 있지 않다.  그러나 경우에 따라서 시토신 메틸화가 발생하며 이 부위 뉴클레오솜 히스톤 분자들과의 교감을 통해 크로마틴의 구조에 변화를 이끌어 결국 유전자발현에 영향을 주게 된다. 

즉, CpG island에서 시토신 염기들의 비메틸화 상태는 이 부위의 뉴클레오솜 히스톤 아미노산 잔기들의 아세틸화와 연관되어 ‘크로마틴의 열린 구조’(Opened chromatin)를 형성하며, 이러한 구조에서 프로모터 영역에 전사인자의 자유로운 결합을 허용함으로써 활발한 mRNA의 합성이 유도된다.  그러나 CpG island에서 시토신의 메틸화는 주변의 뉴클레오솜 히스톤 아미노산 잔기에서의 탈아세틸화 및 메틸화 등의 연속적인 화학적 변형과 연관되어 결국 ‘크로마틴의 닫힌 구조’(Closed chromatin)를 형성하며 이때 전사인자들의 프로모터 영역에의 결합을 방해함으로써 유전자 발현이 억제된다(그림 1 참조).  따라서 유전자의 발현은 DNA 메틸화 및 히스톤 변형 등과 같은 화학적 가역반응에 의해 조절된다고 할 수 있는데, 이와 같이 DNA 염기서열의 변화 없이 크로마틴의 구조적 변화, 즉 ‘크로마틴 리모델링’에 영향을 주어 유전자 발현이 조절되는 기전에 관한 연구 분야를‘후성유전학’(Epigenetics)이라고 한다.

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