파킨슨병 발병 3차원 게놈 지도 최초 제시

권기산 기자 2023-05-10 (수) 15:29 10개월전 940  

- KAIST-미국 국립보건원 공동연구팀, 파킨슨병 환자 뇌 조직 유래 위험 인자 연구 

- 단일세포 3차원 후성유전체 지도 기반 656개의 파킨슨병 신규 연관 유전자 제시

- 향후 암, 당뇨 등 다양한 복합유전질환 규명에 중요하게 활용 될 것으로 기대

 

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▲그림설명: 단일 세포 후성유전체 지도 분석을 통한 파킨슨병 연관 분자기전 규명.

세포 타입 별 후성유전체 지도 구축은 질환 특이적 유전자 조절 기전을 규명하는 데 매우 중요하며, 전장 유전체 분석에서 밝혀진 유전변이의 기능을 해석하는 데 중요한 단서를 제공한다. 또한 염색질 3차 구조 정보를 통해 효과적으로 후보 유전자들을 세포군 특이적으로 규명하고, 질병 특이적인 유전자 조절 네트워크 기반 신규 병리 기전 연관 타겟 도출이 가능하다.


파킨슨병은 60세 이상 인구의 1.2% 이상 발병하는 흔한 퇴행성 뇌 질환으로 급격한 인구 고령화에 따라 전 세계적으로 발병률이 증가하고 있어, 2040년 약 1,420만 명의 환자가 발병할 것으로 예측되고 있다. 현재 파킨슨병의 다양한 발병 원인이 명확하게 규명되지 않은 상황에서, 비정상적으로 발생하는 후성 유전학적 특징들이 파킨슨병 발병에 관여하는 것을 최초로 확인되어 화제다.


KAIST(총장 이광형)는 생명과학과 정인경 교수 연구팀이 미국 국립보건원(National Institute of Health, NIH) 산하 국립노화연구소(National Institute on Aging, NIA) 엘리에자 매슬리아(Eliezer Masliah) 교수와의 공동연구를 통해 전 세계 최초로 파킨슨병 발병 뇌 조직의 단일세포 3차원 후성유전체 지도를 작성하고, 이를 토대로 656개의 파킨슨병 연관 신규 유전자들을 제시했다고 8일 밝혔다.


이번 연구에서 연구팀은 최신 개발된 단일세포 유전체 기술과 3차원 후성 유전체 기술을 접목하여 신경세포 뿐 아니라 뇌 환경 유지에 주요한 역할을 하는 것으로 알려진 신경교세포 (희소돌기아교세포, 미세아교세포 등)의 후성유전적 변화들이 3차원 게놈 구조를 통해 파킨슨병 발병에 관여하는 것을 밝혔다. 이러한 비정상적인 후성유전학적 특징들은 파킨슨병의 원인 또는 진행에 관여하는 유전자 발현 조절에 핵심적인 역할을 하기 때문에, 본 연구 결과는 차후 진단과 치료 연구에 중요한 단서를 제공하게 될 것이라고 연구팀은 전했다.


이번 연구를 수행한 KAIST 이정운 박사는 단일세포 수준에서 환자 뇌조직을 분석한 결과 기존의 신경세포에 국한된 연구에서 한발 나아가, 신경교세포 또한 파킨슨병에 중요한 역할을 할 수 있다는 단서를 제시하였다는 점에서 중요한 발견이라고 밝혔다.


이번 연구 결과는 국제 학술지, ‘사이언스 어드벤시스(Science Advances, IF=14.14)'414일 게재됐다. (논문명 : Characterization of altered molecular mechanisms in Parkinson’s disease through cell type-resolved multi-omics analyses)


교신 저자인 정인경 교수는 "이번 연구 결과는 퇴행성 뇌 질환의 표적 발굴에 있어 3차원 후성유전체 지도 작성의 중요성을 보였기에 차후 다양한 복합유전질환 규명에도 중요하게 활용될 것이다ˮ라고 말했다.


한편 이번 연구는 서경배과학재단, 보건복지부, 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다.


 

용어설명

1. 질환 연관 유전변이

유전역학자들은 사람 사이에 존재하는 DNA 서열의 차이들이 질병의 유전 가능성(heritability)에 어떻게 기여 하는지 연구해 왔다. 특히, 대규모 집단의 유전체 정보를 비교하여 특정 질병에서 빈번히 발생하는 유전변이들을 규명하는 전장 유전체 연관성 분석(GWAS)이 활발히 이루어졌다.


2. 후성 유전학

후성 유전학은 유전자 서열에 변형 없이 염색체에 생긴 변화만으로 인한 유전자 발현 조절 기전을 연구하는 분야이다. 생물 내 세포들 간의 염기서열 정보는 동일 하지만, 각각의 세포는 다른 정체성을 지니며 역할 역시 서로 다르다. 이는 세포 종류에 따른 선별적으로 유전자 발현이 조절되기 때문인데, 이를 연구하기 위해 생겨난 분야로, 현재는 전반적인 유전자 발현을 촉진하거나 억제시키는 분자 기전에 대해 초점을 맞춘다. 예시로 DNA 염기서열 정보는 변화시키지 않고 사이토신(Cytosine)에 메틸기(Methyl group)만 붙이는 DNA 메틸화, DNA를 감싸는 히스톤 단백질의 라이신(Lysine)에 생기는 아세틸화(Acetylation), 그리고 핵 내의 공간상의 거리를 통해서 유전자 발현을 조절하는 염색질 3차 구조 등이 있다.


3. 비전사 지역

게놈은 유전자를 발현하는 전사 지역과 이를 제외한 나머지 영역인 비전사 지역으로 이루어진다. 인간 게놈의 대부분은 (~98%) 비전사 지역으로 구성되어 있다.


4. 시스-조절인자

비전사 지역에 존재하면서 원거리에서 유전자 발현을 조절하는 게놈 인자이다. 이들 인자는 매개자 단백질과 전사인자 등과 복합체를 형성하여 유전자의 프로모터 지역에 물리적인 상호작용을 하여 유전자를 억제 또는 활성화 시킨다.


5. 게놈 3차구조

게놈이 핵이라는 3차원 공간 안에 존재하기 위해 복잡한 3차 구조를 형성하고 이를 통해 멀리 떨어져 있는 두 게놈 지역이 공간상에서 상호작용하는 현상이다.

 

6. 단일세포 유전체

단일세포 유전체란 1개의 세포를 분리하여 극미량의 DNA 또는 RNA를 증폭하고 차세대염기서열 분석법으로 시퀀싱하여 해당 세포의 유전자 발현 또는 염색질 접근성을 분석하는 기술이다. 이를 통해 다양한 세포를 포함한 조직이나 혈액을 단순 분석하는 기본 방식과 다르게 시료에 존재하 정보를 단일세포 수준에서 분석할 수 있다.

 

 

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