세포 역분화, DNA에선 어떤 일 일어나나 -후성유전체 분석

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오철우 2014. 12. 11

캐나다와 한국·호주·네덜란드 연구진, 네이처 등 5편논문

서정선 교수팀 “역분화 과정의 후성유전물질 변화 추적”

유전자 켜고끄는 메틸기 작용으로 본 분화-역분화 과정

» 디엔에이(DNA) 메틸화. DNA 염기에 메틸기가 달라붙은 모습을 표현한 그림. DNA 메틸화는 후성유전물질의 유전자 조절 기전에서 중요한 역할을 한다. 출처/ Wikimedia Commons

이미 분화를 마친 체세포에다 세포의 시간을 되돌리는 유전자 조절 물질(이른바 ‘야마나카 전사인자’)을 집어넣어 체세포가 줄기세포로 바뀌는 역분화가 일어날 때, 세포 안의 유전물질에선 어떤 변화가 일어날까?

‘프로젝트 그랜디오스(Grandiose)’라는 이름의 국제 공동연구진은 역분화를 일으키는 유전자 조절 물질인 ‘야마나카 전사인자’를 생쥐의 체세포에 넣고서 이 세포가 줄기세포로 역분화하는 과정에 나타나는 유전체, 후성유전체, 단백질 등의 변화를 살펴 <네이처>(2편)와 <네이처 커뮤케이션스>(3편)에 5편의 논문을 발표했다. 공동연구는 캐나다 토론토대학 연구진이 중심을 이루고 한국, 오스트레일리아, 네달란드 연구팀이 참여했으며, 한국의 서울대 유전체의학연구소 서정선 교수 연구팀은 주로 후성유전물질의 변화를 분석해 1편의 논문을 주도하고 다른 3편 논문에 공저자로 참여했다 (논문 목록과 링크, 아래 일문일답 참조).

» 참조. DNA와 후성유전물질의 '생명협주'. 한겨레 자료그림 (2010년) 후성유전체 분석 논문의 책임저자인 서정선 교수는 “분화를 마친 체세포가 분화 이전의 줄기세포로 역분화하는 과정에 나타나는 후성유전체(에피게놈) 전체를 2, 3일 간격으로 자세하게 분석한 것은 이번이 처음”이라고 말했다. 그는 “역분화 과정에서 ‘메틸기’라는 후성유전물질이 언제, 어디에서, 어떻게 떨어져나가는지(탈메틸화) 자세히 살펴 유도만능줄기세포(iPSc, 역분화 줄기세포)의 생성 과정에 후성유전체가 어떤 역할을 하는지 이해하는 데 기여했다”고 밝혔다.

연구진은 야마나카 전사인자를 집어넣은 생쥐의 체세포가 역분화하는 동안에, 2~3일 간격마다 총 13차례에 걸쳐 세포에 일어나는 후성유전체의 변화를 분석했다. 분석과 출판에 1년 반이 걸렸다고 한다.

후성유전물질이 왜 줄기세포와 관련이 있을까?

후성유전물질의 일종인 ‘메틸기’는 유전자 기능의 염기서열 부위에 달라붙어 유전자 발현을 억제하는 구실을 하는데, 말단세포에선 분화된 세포 기능과 관련 없는 유전자들에 달라붙어 그 기능이 발현되지 않도록 억제하는 구실을 한다. 특히 거의 모든 세포로 분화하는 능력(pluripotency)과 관련한 유전자에는 이런 메틸기가 아주 단단히 달라붙어 기능을 하지 못하게 막는다. 그런데 분화 이전의 분화능력을 회복하는 역분화 과정에선 꽁꽁 싸매진 분화능 관련 유전자가 메틸기에서 풀려나야만 한다.

연구팀은 후성유전물질의 변화를 분석하며 몇 가지 흥미로운 사실을 밝혀냈다.

인간 디엔에이(DNA)의 30억 염기쌍 중에서 이런 후성유전물질 메틸기가 잘 달라붙는 곳은 염기 시토신(C)과 구아닌(G)이 연속된 부분(CpG)인데, 이런 곳이 대략 2800만 개나 된다. 그런데 CG 연속구간이 촘촘하게 나타나는 곳과 드물게 나타나는 곳이 구분되어 관찰됐는데, 이렇게 구분하면 “인간 게놈은 약 7.1%의 CpG 밀집 지역과 93%의 CpG 희귀 지역으로 나눌 수 있다”고 한다.

두 지역은 후성유전물질과 관련해 매우 다른 성질을 지닌 것으로 나타났다. 서 교수는 “CpG가 촘촘한 DNA 지역에는 도리어 메틸기가 잘 달라붙지 않아 유전자 발현 억제가 잦지 않은데 이런 곳에는 말단세포를 줄기세포로 바꾸는 전분화능(pluripotency)과 관련한 유전자들이 거의 자리잡지 않는다”며 “도리어 CpG가 드물어 일종의 ‘원시적인’ DNA 지역에 그런 유전자들이 자리잡고 있는데, 이런 유전자는 메틸기로 꽁꽁 싸여 있는 초메틸화(hyper-methylation)의 모습을 보였다”고 말했다.

그는 “전분화능 관련 유전자가 말단세포에서 혹시라도 발현되면 말단세포가 암세포가 될 수도 있는 매우 위험한 상황이기 때문에, 이 유전자들은 초메틸화로 싸매지고 다시 히스톤 단백질에 의해 발현이 억제되는 이중의 잠금장치로 통제되는 것으로 나타났다”고 말했다.

이런 체세포에 역분화를 촉발하는 전사인자가 들어가면, 꽁꽁 싸매고 있던 후성유전물질의 잠금장치는 해제되었다. 연구진의 설명을 들으면, 역분화의 초기에는 역분화 전사인자가 활발히 활동하며 DNA 부위에 결합하는데 이때에는 좁은 구간에서만 탈메틸화가 나타날 뿐이지만, 전사인자의 활성이 잠잠해지는 후기 단계에서 비로소 수만 개 염기서열 부위에서 폭넓은 탈메틸화가 일어나며 이것이 실제적인 역분화 줄기세포를 만드는 것으로 관찰됐다.

'F-클래스 줄기세포'

그랜디오스 프로젝트 연구진은 공동연구를 통해, 새로운 상태의 줄기세포를 찾아내기도 했다. 역분화가 진행되는 초기 단계에 완전한 역분화 줄기세포의 성질을 갖추지 못한 세포들에서도 재생치료에 쓸 수 있을 정도의 줄기세포 성질이 나타나 활용 가치가 있다는 것이다. 연구진은 이런 세포를 ‘줄기세포 성질이 아직 모호하다’는 의미에서 퍼지(fuzzy)의 첫 글자인 에프(F)를 따서 ‘에프-클래스(F-class) 줄기세포’라고 명명했다. 서 교수는 “체세포를 유도만능줄기세포(역분화 줄기세포)로 만들려면 성공율이 1% 미만에 불과해 어려움이 큰 데 비해, 에프-클래스 줄기세포는 완전한 상태는 아니더라도 상당한 줄기세포를 갖춰, 짧은 시간에 상당히 많은 양의 줄기세포를 만드는 데에는 효율적이라 나름의 응용 가치가 클 것으로 기대된다”고 말했다. ◑

■ '후성유전체 변화' 논문 초록

체세포를 유도만능줄기세포(iPSc, 역분화 줄기세포)로 역분화(reprogramming)하는 데에는 후성유전물질의 역동적 재정렬이 관련돼 있다. 이런 후성유전체 로드맵의 성격을 규명하기 위해, 우리는 그랜디오스 프로젝트의 일환으로 쥐에서 2차 역분화가 일어나는 동안에 시간 간격을 두고서 몇 차례에 걸쳐 얻은 샘플을 대상으로 MethylC-seq, ChIP-seq (H3K4/K27/K36me3), RNA-Seq 분석을 시행했다. 우리는 역분화가 일어나는 동안 디엔에이(DNA) 메틸화는 점진적으로 일어나며, 반면에 메틸기의 소실은 배아줄기세포 같은 상태에 이르렀을 때에만 일어남을 발견했다. 활성 인자들이 결합한 지점들에선 역분화가 일어나는 동안에 좁은 구역의 탈메틸화(focal demethylation)가 나타나며, 반면에 배아줄기세포 같은 분화능을 지닌(pluripotent) 세포는 더 넓게 주변까지 탈메틸화를 확장한다는 점에서 구분된다. 우리는 CpG가 풍부한 프로모터를 지닌 유전자들이 안정적으로 낮은 메틸화를 보여주며 강한 히스톤 마크가 관여함을 보여주는 데 비해, CpG가 희귀한 프로모터를 지닌 유전자들은 메틸화에 의해서 보호된다는 점을 밝혔다. 이런 메틸화에 의한 DNA 조절은 배아줄기세포 같은 분화능의 유전자들(Dppa4, Dppa5a, Esrrb 등)를 조절하는 데에서 핵심적인 것이다. 이런 연구결과는 DNA 메틸화가 체세포를 전분화능 세포로 이끄는 후성유전물질 스위치로서 결정적 역할을 한다는 것을 보여준다.

■ 일문일답/ 서정선 교수

앞서 보내주신 설명자료를 읽고도 잘 이해되지 않는 부분 몇 가지를 질문하고자 합니다. 흔히 후성유전물질 중 하나인 ‘메틸기’가 디엔에이(DNA)에 붙어 있을 때 유전자 기능이 억제되는 것으로 알고 있었기에, 당연히 이렇게 유전자를 덮고 있던 메틸기가 떨어져 나가면 잠자고 있던 특정 유전자 어떤 것이 활동을 재개하면서 역분화 과정이 일어난다고 어렴풋이 이해해 왔습니다. 이번에 밝힌 것은 특정 유전자 부위에서 일어나는 탈메틸화를 말씀하시는 것인지요? 탈메틸화가 역분화 과정에 관여한다고만 말하면 너무 막연하고 당연한 이야기처럼 들릴 수도 있어서요. 제가 이해하지 못한 다른 연구내용과 의미가 있을 듯한데요.
　“[배경]: 체세포가 줄기세포로 되기 위해서는 분화 관련 유전자들은 활성이 억제되어야 하고 전분화성 유전자들은 다시 활성화되어야 합니다. 이런 일들은 DNA를 싸고 있는 히스톤 단백질의 부위별 메틸화/탈메틸화로 주로 일어나고 있다고 알려져 있습니다(단백질 메틸화). DNA 메틸화는 4개 염기중 시토신에서만 일어나며 특히 시토신과 구아닌이 연속된 경우(CpG)에 대부분의 메틸화가 일어납니다. 그러나 CpG가 풍부하게 존재하는 ‘CpG 섬’은 진화적으로 메틸화가 일어나지 않는 지역입니다. 결론적으로 인간 게놈은 “약 7.1%의 CpG 섬”과 “93%의 CpG 희귀 지역”으로 나눌 수 있습니다.
　체세포가 줄기세포로 되는 과정은 분화의 반대 방향으로 진행되는 역분화 과정입니다. 4개의 야마나카 인자는 전사 인자로서 체세포에 주입되면 역분화가 시작됩니다. 야마나카 인자의 인위적 발현을 중단한 후에 일정 시간이 지나면 유도만능줄기세포가 생성됩니다. 일반적으로 역분화 과정은 야마나카 인자의 인위적 발현 시기인 전기 과정과 이를 중단시킨 뒤인 후기 과정으로 구성되어 있습니다.
　이번 우리 연구는 시간적으로 역분화 과정을 13개 시점으로 나누어 차세대 유전체 분석기술을 이용해, 30억개의 염기 하나하나에서 전사체와 후성유전체(DNA 메틸화/히스톤 변이)의 변화를 관찰하였습니다.
　역분화는 1% 미만의 소수 개체에서 일어나는 과정입니다. 우리 연구는 역분화의 기전을 밝힘으로써 그 효율과 안정성을 높이려는 것입니다.
　[결과]: 역분화 과정에서 가장 중요한 부분은 전분화능 유전자를 활성화하는 것입니다. 우리가 밝힌 것은 유전자 조절에서 CpG 밀도에 따른 두 가지 기전이 존재한다는 것입니다. CpG 군집 유전자는 히스톤 변이에 의해 발현이 조절되며, CpG 희귀 유전자는 메틸화에 의해 억제되거나 탈메틸화에 의해 활성화됩니다. 특히, 대부분의 전분화능 유전자들은 CpG 희귀 지역에 존재하며 DNA 탈메틸화 후에(자물쇠가 풀린 후에야) 히스톤 변이에 의해 정교한 조절이 가능해집니다.
　따라서 역분화 과정에서 중요한 부분은, CpG 밀도가 낮은 지역에 존재하는 전분화능 유전자의 탈메틸화에 의한 활성화라고 할 수 있습니다.”
　
게놈 분석 기술을 이용해서 염기별 메틸화 수준을 측정했다고 하셨는데, 그렇다면 일반 체세포와 역분화가 일어난 세포들에 대해 메틸화 수준을 측정하고 탈메틸화가 어떤 식으로 일어났는지 측정해, 탈메틸화 현상을 관찰하신 것인지요?
　“네 맞습니다. 우리는 역분화 과정을 13개 시점으로 나누어 유전체 전반의 30억 염기서열 하나하나의 메틸화를 측정하고 비교하였습니다 (후성유전체 분석 논문의 ‘그림 2b’ 참조).
　
에프(F)-클래스 줄기세포라는 말은 처음 듣는데요.
　“F-클래스 줄기세포는 이번에 공동연구 컨소시움 연구를 통해 새롭게 발견된 줄기세포입니다. 이는 iPSC의 생성 과정 중에 야마나카 인자의 발현을 높게 유지할 때 만들어지는, 전능성을 가진 세포로서, 생성 효율이 높고 따라서 미래의 줄기세포 맞춤치료에 사용 가능성이 있는 세포입니다. F-클래스의 F는 앞으로 연구할 부분이 많다는 의미인 퍼지(Fuzzy)의 약자입니다.”
　
결국에 후성유전 물질인 메틸기를 조절할 수 있다면 효율이 높은 줄기세포를 만들 수 있다는 것을 보여준 것인지요? 5편 논문의 핵심 요지가 무엇인지요?
　“F-클래스는 메틸기 조절과는 상관이 없이 유도만능줄기세포 생성 과정에서 만들어진 줄기세포입니다. 5편 논문의 핵심을 담은 논문 제목은 다음과 같습니다.
　- An epigenomic roadmap to induced pluripotency reveals DNA methylation as a reprogramming modulator (네이처 커뮤니케이션스)
　http://www.nature.com/ncomms/2014/141210/ncomms6619/full/ncomms6619.html
　- Genome-wide characterization of the routes to pluripotency (네이처)
　http://www.nature.com/nature/journal/v516/n7530/full/nature14046.html
　- Divergent reprogramming routes lead to alternative stem cell states: (네이처)
　http://www.nature.com/nature/journal/v516/n7530/full/nature14047.html
　- Small RNA changes en route to distinct cellular states of induced pluripotency (네이처 커뮤니케이션스)
　http://www.nature.com/ncomms/2014/141210/ncomms6522/full/ncomms6522.html
　- Proteome adaptation in cell reprogramming proceeds via distincttranscriptional networks (네이처 커뮤니케이션스)
　http://www.nature.com/ncomms/2014/141210/ncomms6613/full/ncomms6613.html
　
5편 논문에서 서울대 의대 연구팀이 어떤 식으로 기여했는지가 분명하게 구분되지 않아 헷갈립니다. 5편 중 1편이 서울대 연구팀의 논문(네이처 커뮤니케이션스)이고, 다른 3편은 국제 공동연구팀과 공저한 논문인지요.
　“위 논문 중에서 첫번째 것이 우리 연구팀이 주도적으로 진행한 논문이고(교신저자 논문), 2-4번 논문은 공동논문입니다. 우리 팀은 후성유전체에 관련된 전반적인 부분을 맡아서 연구하였습니다.”

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr

@한겨레 과학웹진 사이언스온

[고침] 본문 후반부에 있는 문장 “체세포를 유도만능줄기세포(역분화 줄기세포)로 만들려면 성공율이 1%에 불과해..."에서, '1%'를 '1% 미만'으로 수정합니다. 2014년 12월12일 오전 9시 45분.

[역분화와 후성유전체와 관련한 사이언스온의 글]

'세포분화 운명의 시계 되돌리다' 노벨생리의학상 (2012년)
http://scienceon.hani.co.kr/61196

게놈 유전의 밑그림에 세밀화 덧칠하는 에피게놈 (이하 2010년의 글)
http://scienceon.hani.co.kr/29139

[인터뷰 자료] 후성유전학은 진화를 어떻게 설명하나
http://scienceon.hani.co.kr/29069

[인터뷰 자료] 후성유전학은 `생명 큰 물음' 도전중
http://scienceon.hani.co.kr/28766

[사이언스온의 길목]