바이오인

핵심내용

백혈병 유발 인자의 후성유전 코드 인식 기작과 유전체 불안정화 과정 규명

□ 백혈병에서 발암유전자가 발현되기 쉬운 구조로 변형되는 핵심 기작이 드러났다. 송지준 교수(KAIST) 연구팀이 백혈병 유발 인자가 후성유전 코드를 인식하고, 이로 인해 DNA와 히스톤의 결합구조가 불안정하게 되는 과정을 규명했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

□ 혼합형 백혈병은 예후가 좋지 않고 재발률이 높으며, 특히 어린이 환자의 치료율이 낮은 악성 혈액 암이다. 유전자 돌연변이에 의해 ‘DOT1L’이라는 단백질이 과활성화되면서 혼합형 백혈병이 발병한다고 알려지면서, DOT1L을 억제 표적으로 하는 치료법 연구가 활발히 진행되고 있다.

□ 연구팀은 백혈병을 일으키는 DOT1L이 후성유전적으로 DNA 구조에 어떻게 영향을 미치는지 심도있게 연구했다. DOT1L은 유비퀴틴화*된 히스톤에 결합해 DNA와 히스톤이 응축된 뉴클레오좀*의 구조를 불안정하게 유도하는 것으로 밝혀졌다.
    * 유비퀴틴화 : 유비퀴틴이 결합해 다른 단백질의 기능을 조절하는 표지 역할을 하는 상태
    * 뉴클레오좀 : DNA가 히스톤 단백질을 감으며 바퀴 형태로 형성된, 유전체의 최소 단위

 ㅇ 연구팀은 최신 기술인 초저온 전자 현미경을 통해 이를 관찰했다. DOT1L이 아미노산을 이용해 유비퀴틴화된 히스톤에 결합하면, DNA가 히스톤으로부터 분리되고, 응축되어 있던 유전체가 전체적으로 불안정해졌다.

□ 송지준 교수는 “이 연구는 백혈병 유발 인자이며 메틸화 효소로 널리 알려진 DOT1L 단백질이 유비퀴틴 히스톤 코드를 인식하는 기작과 유전체를 불안정화하는 또 다른 기능을 규명한 연구”라며, “혼합형 백혈병의 치료법 개발에 새로운 단서를 제공할 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 ‘유전자와 발달 (Genes & Development)’에 3월 29일 게재되었다.

상세내용

 < 논문명, 저자정보 >

논문명
Structural basis of recognition and destabilization of histone H2B ubiquitinated nucleosome by DOT1L histone H3 Lys79 methyltransferase

저  자
송지준 교수(교신저자/카이스트), 장성민 박사과정(제1저자/카이스트)

< 연구의 주요내용 >

1. 연구의 필요성

 ○ 유전자의 비정상적인 재배열로 인해 발병하는 혼합형 백혈병 (MLL - rearranged leukemia)은 여러 백혈병 분류 중에서도 예후가 좋지 않은 위험군에 속한다. 특히 소아 백혈병 환자에게서 자주 발견되는 예후 인자면서도 그 치료율이 높지 않아 치료법 개발이 절실한 상황이다.

 ○ 혼합형 백혈병을 유발하는 유전자의 재배열은 MLL 유전자에서 발생한다. MLL 유전자는 AF4 유전자와 함께 재배열되어 MLL-AF4 융합 단백질을 형성하는데, 이 거대 단백질이 또 다른 단백질인 DOT1L 단백질을 유전체에 유도한다. 유도된 DOT1L은 DNA에 결합한 히스톤을 메틸화시켜 발암 유전자를 활성화시키고, 이는 백혈병의 발병으로 이어진다고 알려져 있었다. 또한, 히스톤에 부착된 유비퀴틴(ubiquitin) 코드가 DOT1L 단백질의 활성화에 중요하게 관여한다고 알려져 있었지만, 자세한 기작은 알려져 있지 않았다.

 ○ 지금까지의 혼합형 백혈병 치료 연구는 MLL-AF4 융합 단백질, 혹은 DOT1L 단백질의 활성을 억제시켜 결과적으로 발암유전자 활성을 억제하는 방식으로 진행되었다. 실제 DOT1L 단백질의 기능이 저해되면 백혈병 세포의 발생이 억제되는 것이 확인되었다. 하지만 DOT1L 단백질 자체에 대한 이해가 부족해 추가적인 치료법 연구에 한계가 있는 실정이다.

2. 연구내용

 ○ 연구팀은 DOT1L 단백질과 유전체의 최소 단위인 뉴클레오좀의 복합체를 만들고, 이 복합체의 구조를 초저온 전자 현미경(cryo-EM)을 이용해 규명하였다. 규명된 구조를 통해, DOT1L이 두 개의 아르기닌(arginine)을 이용해 뉴클레오좀의 산성 패치(acidic patch)와 강하게 상호작용하고 있음을 밝혔다. 또한 DOT1L은 카르복시 말단(C-terminal)의 비극성 아미노산들을 이용해 뉴클레오좀 표면의 유비퀴틴과 강하게 상호작용하고 있음을 확인하였다.

 
 ○ 또한 구조 분석 과정에서, 예상하지 못했던 뉴클레오좀의 불안정화 상태를 관찰할 수 있었다. 본래 여덟 개의 히스톤 옥타머(histone octamer)를 한 바퀴 반 감고 있는 DNA가 상당 부분 풀려나가 있으며, 이 DNA의 고정과 관계된 히스톤 단백질의 지지 구조들도 손상된 것이 확인되었다. 단분자 형광관찰기술(smFRET)을 적용한 결과, 실제 DOT1L이 뉴클레오좀의 DNA를 히스톤 옥타머(histone octamer)로부터 탈착시키는 기능을 가지고 있으며, 뉴클레오좀 표면에 유비퀴틴 코드가 있을 경우 불안정화가 더 심화된다는 사실을 최초로 밝혔다.

3. 연구성과/기대효과

 ○ 연구팀은 초저온 전자 현미경을 통한 DOT1L 단백질과 뉴클레오좀 복합체의 구조 규명을 통해 DOT1L의 메틸화 기능에 중요한  유비퀴틴 코드 인식 부위를 최초로 규명하고, 이전에는 알려져 있지 않았던 DOT1L의 유전체 불안정화 기능을 최초로 발견하여 보고하였다.

 ○ 이를 통해 DOT1L의 메틸화 기능 억제에 집중되어있던 기존 연구에 도움이 될 정보를 제공하는 것은 물론, DOT1L에 의한 유전체 구조의 변형이라는 새로운 단서를 보임으로써 백혈병 치료 연구의 새로운 방향을 제시하였다.

...................(계속)

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.