바이오인

 High-Throughput sequencing-based

3D chromatin architecture mapping 연구 동향

[요약문]

인간의 몸을 구성하는 모든 세포는 거의 동일한 유전 정보를 가지고 있음에도 불구하고 후성학적 변형과 유전자 발현 조절 네트워크에 따라 세포는 각각의 고유의 기능을 수행하고 있다. 따라서 염색질(chromatid)의 3차 구조 연구(3D chromatin architecture mapping)의 목표는 인간 게놈(genome)의 공간적, 구조적 다이니믹을 분석함으로써, 세포 특이적 유전자 발현 패턴을 규명하고 세포 고유의 기능을 정확히 이해하는 핵심정보를 제공하고자 함에 있다. 현재까지 알려진 바에 의하면 각 인간 세포에는 최소 2만 개에서 6만 개 이상의 원거리 전사조절인자(distal cis-regulatory element)가 존재하고 있으며 질병 관련 유전자들의 95% 이상이 먼 거리에서 존재하는 인핸서와 같은 비전사 지역에 의해 조절됨이 보고되었다. 따라서 이러한 원거리 전사조절인자의 통합적 상호작용을 이해하고 유전자 발현 조절 네트워크를 정확히 규명하는 일은 향후 인간이 발생과 발병을 연구하고 치료법을 개발하는데 중요한 정보를 제공할 것으로 여겨진다. 여기 본 연구 동향 보고서에서는 다양한 3D 연구 기법 더 나아가 현재 연구 추세인 4D 연구 기법들을 소개하고 현재 사용되는 현황과 의의에 대해 보고하고자 한다.

[목차]

1. 서론
2. 3차 구조 분석의 연구 동향
  2.1 3C 기법
  2.2 4C 그리고 5C 기법
  2.3 Hi-C 기법
  2.4 ChIP-PET
 3. 3차 네트워트 기법의 적용 사례 및 의의
4. 4차 구조 네트워크의 구축
5. 3차 네트워크 연구의 당면 과제와 앞으로의 전망
6. 참고문헌

[내용]

1. 서론

 지난 10년간 The ENCODE, Roadmap Epigenome, International Human Epigenome Project, EpiGeneSys(http://www.epigenesys.eu/en/) 그리고 FANTOM과 같은 프로젝트를 통하여 인간의 게놈은 20,000개 이상의 유전자와 수만 개의 조절인자들로 이루어져 있음에 대한 방대한 연구 결과가 세포의 종류별로 모아져 왔다. 더불어 1세대 염기서열 분석방법인 Sanger sequencing 기술에 이어 차세대 염기서열 분석기술(next generation sequencing, NGS)의 획기적인 발전에 힘입어 염기서열 분석방법은 속도와 정확도가 매우 향상되었으며 시간과 비용은 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.

이러한 급격한 유전학 기술의 발전은 초기 프로모터의 기능에 기반을 두고 진행되었던 1차원적 유전자 발현조절에 관한 연구들을 뒤로하고, 다수의 원거리 전사조절인자들의 복합적 상호 작용에 의한 유전자 발현조절 기전에 대한 연구를 활발히 이끌고 있다. 그 결과로 각 세포주 별로 수만 개의 원거리 조절 인자들이 존재하고 있음이 밝혀지게 되었고 이렇게 멀리 떨어진 유전자를 타겟으로 하는 현상이 DNA 접힘(looping)을 통해 가능하게 되었음을 설명할 수 있게 되었다. 총 2미터에 달하는 인간의 유전자는 매우 작은 핵 안에 자연스러운 접힘 과정을 통해 존재하고 있다. 이러한 DNA 접힘은 무작위로 일어나기보다는 특정 패턴을 이루며 형성되어 있으며 이러한 패턴에 따라 유전자의 발현이 조절되고 있음이 보고되었다. 공간적으로 멀리 떨어져 있는 인핸서(Enhancer)가 타겟 유전자의 전사 기전을 조절할 뿐만 아니라 유전자의 3차원적인 위치가 핵막의 구성요소인 라미나(lamina)에 근접해 있는 경우 유전자는 억제기전(silencing)과 복제(replication) 시간에 조절 받고 있음이 확인되었다. 더불어 GWAS (genome-wide association study) 연구를 통하여 수많은 질병관련 조절인자의 위치를 확인하였고 그중 대부분은 해당 유전자로부터 멀리 위치에 있으며 non-coding 인자에 의해 조절되는 수많은 경우가 보고 되었다. 또한 특히나 암세포 내에서는 유전자의 3차 구조적 재조합이 매우 빈번히 일어나는 현상으로 이러한 염색질의 3차원적 재구성은 암세포의 발생과 악화에 중요한 역할을 하고 있음이 보고되어 왔다. 이러한 예로 볼 때 3차원적 염색질의 상호작용을 기반으로 한 유전자 발현 조절의 이해는 어떻게 게놈이 작동되고, 어떻게 3차원적 구조를 이루며 더 나아가 시간에 따라 어떻게 다이나믹한 현상을 보이는지를 이해하는 데 필수적이라 하겠다. 이를 충분히 이해하면 밝혀지지 않은 인간세포의 발생과 분화 그리고 특정 질병에 대한 근본적인 이해를 할 수 있는 중요한 기회라고 생각된다. 따라서 본 연구 동향 보고서를 통해 3D 염색질 네트위크를 이해하기 위한 현재의 기술과 연구 진행 사항을 요약해 보고자 한다.

...................(계속)

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