건국대 교수팀이 인간질환 대체 동물 모델로 중요하게 부각되고 있는 돼지의 장기에서 조직 특이적 유전자 발현을 조절하는 ‘DNA 메틸화’ 정보를 세계 최초로 해독했다.

유전자 발현을 조절하는 화학적 변형의 하나인 ‘DNA 메틸화’ 정보를 해독하게 되면 각 장기의 생리학적 특성과 발달과정, 각종 질병과 부작용의 원인을 파악하고 연구하는데 유용한 정보가 될 것으로 기대된다.

건국대학교 동물생명공학과(2016학년도 줄기세포재생생물학과) 박찬규 교수팀은 지난 2012년 발표된 돼지의 참조 유전체 지도(pig genome reference map) 작성에 이어, 돼지의 각종 장기의 특징과 관련된 유전자들의 후성유전학적(epigenetic) 발현 조절 메커니즘을 보여 줄 수 있는 참조 메틸화 지도(pig methylome reference map) 완성에 성공했다고 30일 밝혔다.

 

DNA 메틸화 연구는 DNA 염기서열을 통한 전통적인 유전현상 외에도 환경과 같은 외부 요인에 의한 변화가 대물림되는 현상을 연구하는 후성유전학의 한 부분으로, 특히 유전자 각인, 태아의 발달 과정을 비롯하여 암과 같은 중증 질환과도 밀접한 연관성이 있음이 보고되어있다.

또 DNA라는 유전 정보를 담은 동일한 설계도를 가진 각각의 장기들이 서로 다르게 분화하고 발달하는데 밀접한 연관이 있을 것으로 여겨지고 있다.

최근 유전자 발현 조절 과정에서 후성유전학적 요인의 중요성이 대두되기 시작하며, 인간에 이어 각종 동물에서도 메틸화 분석이 진행되고 있으나 돼지의 여러 장기에서 단일염기서열 수준의 유전체 DNA 메틸화 분석이 완료된 것은 이번이 처음이다.

이번 연구에서 분석된 돼지의 주요 장기는 대뇌피질, 간, 비장, 근육이며 돼지의 중증호흡기질환(PRRS)과 면역체계에서 중요한 역할을 하는 돼지의 폐 대식세포의 세포주도 분석됐다.

박 교수팀의 이번 연구는 농촌진흥청의 우장춘 프로젝트의 지원으로 이루어졌으며, 연구논문(‘중아황산염 처리 염기서열 분석기술을 이용한 돼지의 전장 유전체 메틸화 분석’ (Genome-wide analysis of DNA methylation in pigs using reduced representation bisulfite sequencing))은 세계적인 과학저널 ‘DNA 리서치(DNA research)’최근호에 게재됐다.

그동안의 연구에 따르면 포유동물 유전체에서 시토신과 구아닌이 연속적으로 나열된 이중 염기서열(CG)이 많이 존재하는데 이중 약 70% 정도가 메틸기(-CH3)와 결합된 상태로 존재한다.

반면 일반적으로 각종 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 지역의 CG 이중염기서열이 밀집된 CpG 섬(CpG island)이라 불리는 부분의 CG의 경우 메틸기와 결합한 비율이 상대적으로 매우 낮음이 밝혀졌고, 이러한 차이가 염색사의 구조 변화를 유도하여 실제 유전자의 발현을 조절하는 하는 것으로 알려졌다.

프로모터 지역의 DNA 메틸화 정도는 유전자의 발현을 예측 할 수 있는 중요한 요인이다.

전반적인 돼지의 DNA 메틸화 정보는 이미 단일염기수준의 DNA 메틸화가 분석된 포유류 중 인간의 DNA 메틸화 정보와 가장 유사했으나 이번 연구와 같은 방법(reduced representation bisulfite sequencing :RRBS)을 이용한 분석에서 인간보다 5%정도 높은 비율의 CG 이중염기를 분석 가능한 것으로 밝혀졌다.

박찬규 교수팀은 분석을 위해 주요장기 별 DNA의 메틸화 지도를 작성하고 이를 서로 비교하여 총 6,968개의 조직 특이적 사이토신의 메틸화 변화 위치(tissue specific differentially methylated cytosine : tDMC)를 발굴했다.

각각의 장기 간 전반적인 DNA의 메틸화 정도 및 패턴은 서로 유사하였으나 세포주와 장기 조직 간의 DNA 메틸화는 큰 차이를 보였다. 유전학적 구조를 기준으로 프로모터지역에서는 DNA 메틸화 정도가 가장 낮았다.

흥미로운 점은 CpG가 모여있는 CGI 지역을 기준으로 2kb 바깥쪽 지역(CGI shore)의 DNA 메틸화 정도는 상대적으로 높고 다른 지역에 비해서 조직 간의 차이가 큰 것을 알 수 있었다.

또 기존에 알려진 돼지의 장기별 유전자 발현 정보와도 서로 비교하여 5가지의 조직에서 특정 유전자 발현과 연관된 DNA 메틸화 정보를 추출했다.

그 결과 대뇌피질 조직에서 신경 발달에 깊은 연관이 있는 NRXN2, MAPT, SYNE1 유전자에서 DNA 메틸화와 유전자 발현 간에 음의 상관관계를 나타내었고, 근육 조직과 비장 조직에서도 각각 장기의 특성과 연관 있는 유전자의 발현과 DNA 메틸화가 음의 상관관계를 띄는 유전자를 발견했다.

 

박찬규 교수는 “이는 DNA 메틸화가 각각의 장기에서 유전자 발현 조절을 통하여 장기의 생리학적 특성을 유지하고 발달시키는 것에 깊은 연관이 있음을 보여주는 결과다”고 말했다.

이번 연구결과는 앞으로 있을 돼지를 이용한 후성유전학 연구의 참조지도로 사용되어 관련 분야의 연구를 촉진 할 수 있는 계기가 될 수 있으며, 이를 이용한 질병 및 발달 과정에 대한 이해를 증진시키는 큰 도움이 될 것으로 보인다.