건국대 연구팀, 돼지 유전자 조절 DNA메틸화 정보 첫 해독

건국대 연구팀 , 돼지 유전자 조절 DNA 메틸화 정보 첫 해독
건국대 동물생명과학대학 박찬규 교수팀

(미디어원=정인태 기자) 건국대 연구팀이 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 된다 .

건국대학교 동물생명공학과 (2016 학년도 줄기세포재생생물학과 ) 박찬규 교수팀은 지난 2012 년 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 30 일 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 . 또한 DNA 라는 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 CG 의 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 .

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

각각의 장기 간 전반적인 DNA 의 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 CpG 가 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 .

또한 기존에 알려진 돼지의 장기별 유전자 발현 정보와도 서로 비교하여 5 가지의 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 결과 ” 라고 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 .