김태수 교수팀, 유전자 켜고 끄는 ‘후성유전 스위치’ 작동 원리 규명
김태수 교수
생명과학과
히스톤 H3K79 메틸화의 전사 조절 기전 확인… 백혈병 등 정밀 치료 토대 마련
세계적 학술지 <Nucleic Acids Research> 게재
생명과학과 김태수 교수팀이 히스톤 H3K79 메틸화 패턴을 미세하게 조절하는 새로운 기전을 규명하는 연구결과를 발표했다.
H3K79 메틸화의 상태별 분포와 이를 조절하는 분자적 기전, 그리고 전사 조절에서의 기능적 차이를 체계적으로 제시한 이번 연구 결과는 세계적 학술지 <Nucleic Acids Research> (5-Year IF 16.8, 생화학·분자생물학 분야 상위 1.8%) 온라인판에 「Trans-histone crosstalk establishes distinct H3K79 methylation zones with differential transcriptional functions」이라는 제목으로 4월초 게재됐다. 세포 내 유전자 발현을 마치 스위치처럼 켜고 끄는 후성유전적 조절의 핵심 기전을 규명함으로써 백혈병 등 유전자 조절 이상으로 발생하는 질환의 정밀 치료 기술 개발에 새로운 전기를 마련할 것으로 기대된다.
히스톤 단백질의 화학적 변형은 DNA 염기서열의 변화 없이도 유전자 발현을 조절하는 대표적인 후성유전학적 조절 기전이다. 이 가운데 H3K79 메틸화는 효모부터 인간까지 진화적으로 보존되어 있으며 발생, DNA 손상 반응, 백혈병 및 암 등 다양한 생물학적 과정에 관여한다. 그러나 H3K79의 세 가지 메틸화 상태(me1/2/3)가 유전체 전반에서 어떤 원리로 분포하며, 각 상태가 실제로 어떤 기능적 차이를 갖는지는 그간 명확히 밝혀지지 않았다.
연구팀은 차세대 염기서열 분석 기술인 ChIP-seq을 활용해 H3K79 메틸화의 후성유전체 지도를 구축하고, 각 메틸화 상태의 분포 패턴을 분석했다. 그 결과 H3K79 메틸화는 유전체 상에서 무작위로 분포하는 대신 상태별로 서로 다른 크로마틴 구역(chromatin zones)을 형성한다는 사실을 확인했다. 이들 구역은 유전자 중심부에서 특정 메틸화 상태가 우세하게 나타나며 외부 환경 변화에도 비교적 안정적으로 유지되는 특성을 보였다.
더 나아가 연구팀은 H2B 유비퀴틴화와의 상호작용(trans-histone crosstalk)이 이러한 구역의 형성과 유지에 핵심 역할을 수행한다는 사실을 규명했다. 또한 RNA-seq 분석을 통해 H3K79me3와 H3K79me1이 각각 전사 활성화와 억제라는 서로 다른 생물학적 기능을 수행한다는 점을 세계 최초로 제시했다.
이러한 연구 결과는 세 가지 H3K79 메틸화 구역이 공간적 분포뿐 아니라 기능적으로도 구별됨을 입증하고 이를 결정하는 핵심 기전을 규명했다는 점에서 후성유전체 및 유전자 발현 조절에 대한 이해를 획기적으로 넓힌 것으로 평가받는다.
H3K79 메틸화 패턴 형성 및 전사 조절 개념도
김태수 교수는 “이번 연구 성과는 H3K79 메틸화 상태별 기능 및 제어 기전을 규명한 것으로, 향후 특정 메틸화 상태를 표적으로 하는 정밀 후성유전체 편집 기술 개발과 백혈병 등 관련 질환 연구의 중요한 기초 자료로 활용될 전망”이라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 선도연구센터사업, 중견연구자지원사업, 바이오·의료기술개발사업의 지원을 받았으며 연세대학교·서울대학교·강원대학교 연구팀과의 공동연구로 수행됐다. 연구논문은 김태수 교수가 교신저자로 참여했으며, 박나현 박사가 제1저자, 이수영 교수가 공동저자로 이름을 올렸다.
(왼쪽부터) 김태수 교수, 박나현 박사