바이오인

 KISTI 미리안에서 발간된 자료입니다.

최정균  KAIST 바이오 및 뇌공학과 교수

2003년 Human Genome Project가 마무리되고 학자들은 사람 유전체의 1.5% 정도만이 단백질을 만드는 정보를 포함하고 있으며 98% 이상에 해당하는 대다수는 그러한 정보가 없는 이른바 junk DNA임을 발견하게 된다. 이러한 지역을 학술적으로는 non-coding DNA라 일컫는데, Human Genome Project가 끝나는 즉시 대규모 국제프로젝트인 ENCODE (ENCyclopedia of DNA Elements), 즉 DNA 요소들의 백과사전을 만드는, 다시 말하여 단백질을 만들지 않는 DNA들이 과연 어떤 기능을 가지고 있는지를 발굴하기 위한 작업이 시작되었다.

  약 10년에 걸친 노력과 최근 급속도로 발전한 next-generation sequencing 혹은 차세대 서열분석이라 일컫는 DNA 분석 기술, 그리고 DNA를 둘러싸고 있는 염색체 구조에 대하여 연구하는 후성유전학 (epigenetics) 지식의 급속한 발달에 힘입어 2012년 중반 ENCODE 프로젝트의 수많은 성과가 학계에 발표되는데에 이르렀고, 이러한 junk DNA의 약 80% 정도가 특정한 기능을 가지고 있다는 결론을 내리게 되었다.

  단백질을 coding하는 서열에 일어나는 변이는 대체로 생명에 치명적인 영향을 주거나 진화적으로 선택압 (ion pressure)을 강하게 받기 때문에 인류 집단내에서 사라질 가능성이 높은 반면, junk DNA에 일어나는 변이는 정상 개체 간의 형질 차이를 유발하는 채로 집단 안에 남아 있거나 당뇨, 암, 고혈압 등 성인병과 복잡질환의 발병도를 높여주는 인자로 작동할 가능성이 높다. 실제로 그 동안 600여개 이상의 질병이나 형질과 연관된 유전변이 (single nucleotide polymorphism)를 대규모 집단연구를 통하여 밝혀낸 결과들을 모아보니 ENCODE 프로젝트에서 발굴한 non-coding 지역에 존재하는 기능성 부위들, 특히 유전자의 전사조절을 주관하는 부위들에서 주로 나타난다는 것이 여러 연구결과들을 통하여 밝혀졌다.

  그러나 이러한 연구들의 한계는 이러한 기능성 부위들이 enhancer라 불리는, 해당 유전자로부터 멀리 떨어져서 3차원 chromatin 상호작용을 통하여 작동하는 유전자 전사조절 스위치로서, 2차원적인 염색체 분석을 통하여서는 그 해당 유전자를 찾기가 불가능하다는 점이다. 즉 질병과 연관된 특정 유전변이가 있을때에 그 유전변이가 enhancer내에 존재할 가능성이 높은데, 이 enhancer가 어떠한 유전자를 조절하는지 알기가 어려우므로 해당 유전변이가 어떻게 질병의 형질에 영향을 주는지 미지수라는 점이다. 이를 알기 위해서는 3차원 게놈지도를 통해서 원거리 chromatin 상호작용을 발굴해 내고 각각의 enhancer들에 대한 대상 유전자를 찾아내야 한다.

  또한 이렇게 유전변이에 의해 연결된 유전자는 단독으로 작용하는 것이 아니라 전사조절 네트워크, 신호전달 네트워크, 단백질 상호작용 등을 통하여 작동하므로 정밀한 네트워크 분석을 통하여 유전변이가 어떠한 경로를 통해 질병에 기여하는지를 알 수 있어야 한다. 질병 뿐 아니라 본 연구실에서는 특히 사람에서 진화속도가 빠른 non-coding DNA 지역들을 발굴해 내고 이러한 지역들이 태아의 뇌발달과 관련된 전사조절과 깊은 연관성이 있다는 것을 발견하였다. 역시 3차원 게놈지도와 다양한 네트워크 분석을 통하여 어떻게 DNA서열의 진화가 사람 뇌의 복잡성에 기여하는지를 연구하고 있다. 발생과정을 더 깊이 이해하기 위해서 모델동물을 이용하기도 하는데 초파리의 경우 인위적으로 유전변이를 유도한 수많은 개체들이 실험실에서 사용되며 이들 중 중요한 형질들에 대하여 각 유전변이들이 발생과정을 통하여 어떻게 형질로 발현되는지를 알기 위한 연구 또한 진행되고 있다.
  이러한 연구들을 통하여 junk DNA 중 주요지역들의 기능이 밝혀지면 이를 통해 진화, 질병, 발생 등 중요한 생물학적 현상을 이해하고 질병의 치료에 응용하는 등에 기여할 수 있을 것이다. 

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