후성유전학
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1. 개요[편집]
[1]
후성유전학 또는 후생유전학은 DNA의 염기서열이 변화하지 않는 상태에서 이루어지는 유전자 발현의 조절인 후생유전적 유전자 발현 조절을 연구하는 유전학의 하위 학문이다.
유전학(Genetics)의 하위분야로, 유전체의 본질인 DNA와 그것의 염기서열의 변화뿐만이 아니라 그 외의 히스톤 단백질의 변화 및 DNA 메틸화(methylation), 아세틸화(acetylation) 등 DNA 이외의 것들의 유전학을 통칭한다. 이름부터가 그리스어의 '위'를 뜻하는 epi와 유전학의 genetics를 합친 단어다. 'DNA만이 오롯이 유전정보의 주체이고, 유전정보를 후대에 전달한다'라는 명제가 거짓임을 보여준 매우 획기적인 학문이다.
외유전체(epigenome)는 일반적인 멘델의 법칙에 의해 DNA의 후성유전학적으로 유전형질이 전달되는 인자들의 총합을 말한다. 후성유전체라고도 한다.[2]
2. 유전적 측면[편집]
2.1. 소개[편집]
후성유전학은 유전자 고유의 형질이 아니라, 환경에 적응해서 유전자의 발현을 조절하는 형질까지도 후천적으로 획득하게 되고, 그것이 다음 세대로 이어진다는 것이다.
한 가지 대표적인 예를 들자면 키가 있다. 사람들은 제각각의 유전자 서열을 가지고 있다. 그러면 유전자 서열이 키를 결정할 수 있는가? 그 모든 노력에도 불구하고 유전자 서열이 키에 끼치는 영향을 분석하는데 생각만큼 영향을 끼칠 수 있을 만큼의 결론을 도출하는데는 실패했다. 하지만, 알게모르게 키는 유전이 되는 형질이다. 키가 큰 부부의 자식이 키가 크다고하여 유전이라서 그렇다고 답변을 했을 때, 과학적 증거가 부족하다고 하는 사람은 거의 없다. 그럼 DNA 서열말고 대체 무엇이 유전될 수 있는가? 단순히 유전자 서열 이상의 무언가가 있을 수 있다는 것이다.
후천적으로 습득된 형질이 자식에게 유전되는 것에 대해 여러 연구가 진행되었으며 굶긴 예쁜꼬마선충(C.elegans)의 자손이 대를 이어도 굶었던 선조의 기록을 가지고 있었다는 실험이 대표적이다. 예를 들면 초파리나 예쁜꼬마선충의 경우는 piRNA라는 것이 있어서 생식세포의 히스톤 메틸화[3]에 영향을 주어 후성유전을 이어줄 수도 있는 것이 확인되었다. piRNA의 조작으로 인해, 곤충류나 초기 다세포 생물은 쉽게 후성유전학적 성질을 변화 시킬 수 있다. 쥐와 인간에서도 이런 piRNA가 발견되었으며 정자 형성에 중요한 역할을 한다고 한다. 다만, 포유류의 경우는 후성유전학적 성질에 대해서는 의문점이 남아있다. 항시 piRNA를 발현중인 곤충이나 초기 다세포 생물과는 다르게, 포유류에서는 생식세포 발생 초기에 잠깐밖에는 piRNA에 의한 메틸화 기작이 일을 하지 않으며, 진화상으로 piRNA의 발생 및 역할 메카니즘이 크게 달라진것으로 추정된다.
쥐에게선 다른 모델이 있다. Metastable epiallele이라고 하여, 노란색 쥐와 검은색 쥐 사이에는 Agouti라는 유전자가 있다. Agouti모델은 매우 알기 쉽다는 점에서 모범적인 후성유전 모델이라 할 수 있는데, Agouti가 전사가 일어나지 않는 경우 자손은 까만색 쥐가 나오며, 전사가 일어나는 경우는 노란색 쥐가 나온다. 이들을 교배하게 되면 자손은 색이 그 까만색과 노란색만 나오는게 아니라 그라데이션을 그리며 중간색을 포함한 자손들도 나오게 된다. 그런데, 이 비율은 Agouti 유전자 하나에 의해 결정되는데도 불구하고, 멘델리안 법칙을 따르지 않는다. 부모의 Agouti 유전자 윗쪽에 이동성 유전인자 IAP가 존재하는데 해당 자리에 DNA 메틸화가 얼마나 되어있는지에 따라 Agouti가 나오는지 안나오는지가 결정된다. 이 비율이 자손에게 전달되는 것이다. 즉, 부모의 Agouti 유전자 메틸화 정도에 따라 자식의 Agouti 유전자도 확률적으로 메틸화 된 정도가 전부 차이를 보인다. 메틸기가 포함된 식사를 얼마나 주는지 역시 자손들의 메틸화 정도에 영향을 줄 수 있다. 이 Agouti는 살아 있을 때 환경의 영향이 자식에게 유전되며, 멘델리안 법칙을 따르지 않는다는 점에서 후성 유전이 발생하는 대표적 케이스이다.
이러한 특성이 아직도 많은 부분이 미스터리로 남아있는 이유는 포유류에서는 배아세포 및 배아생식세포 형성때 DNA 메틸화된 정보가 대부분 리셋되기 때문이다. 당연히, DNA메틸화 유전자에 끝까지 남아있는 히스톤 변형등을 추적해보았지만, 그 많은 노력에도 불구하고 그럴 듯한 모델을 찾는데 실패하였다. 무엇보다도 알기 쉬운 Agouti 모델과 달리 가족력 질병, 비만, 불임등의 다양한 모델에서 유전되는 형질자체는 관찰되나, 그 원인이되는 메틸화 모델이 실험실 내 그리고 실험실 간에서 일관되게 나타나지 나지 않아 재현성이 매우 나쁘다. 이로 인해 연구 자체가 쉽지 않다는 문제점이 있으며 병리학적 통계처리가 유의미함에도 불구하고 아직도 리뷰 논문제목으로 미신 따위의 수식어가 붙는 이유이기도 하다.
유전자 각인 (Genetic Imprinting) 이란것도 있다. 예를 들어, 만능성 줄기세포나 발생과정의 특정 조직은 부계쪽에서 받은 유전자 혹은 모계에서 받은 유전자가 따로 조정된다. 말하자면, 난자와 정자의 생식세포가 만나서 발생과정에서 각 DNA가 한데 섞이지만 발생 과정에서 특정유전자는 모계에서 받은 유전자만, 아니면 반대로 부계에서 받은 유전자만을 정확히 골라내어 DNA 메틸화로 한쪽을 꺼버리게 된다. [4] 이로 인해, 특정 유전자의 유전 형질은 어떤 것은 모계의 형질과는 관련이 없거나 그 반대로 부계의 형질과는 관련 없이 자손에게 이어지는 결과를 낳게 된다. [5] 이런 배아 초기의 각인 효과는 발생과정에 있어서도 중요한데, 본래 난자는 전기충격을 주면 수정되지 않아도 얼마간 분열을 시작한다. 다만, 후속과정에서 필요한 유전자가 없어서 얼마 안가 분열을 중지하고 죽는다. 그런데, 생식세포가 가지고 있는 각인 유전자를 풀어서 켜버리면 정자 혹은 난자만 가지고도 충분히 하나의 개체를 만들 수 있게 된다.
Parthenogenesis [6]는 imprinting gene인 H19/IGF2과 DLK1/MEG3의 조절부위를 없애버리면서, 성별 관계없이 해당 유전자의 발현제한을 풀어버림으로 가능했다.[7]
Androgenic [8]도 같은 방법으로 성공한 바가 있다. 다만, Parthenogenesis의 경우엔 3개만 지워버리면 되었지만, 이경우엔 본래는 8개를 꺼야 했기때문에 생존률이 매우 낮았다. 즉, 이 유전자 각인이 유성생식에 대해서도 아주 중요한 것이다.
유전에 대해서는 쥐의 사례를 보면[9] 어미쥐가 임신 기간 동안 영양섭취가 부족하면 자기 자손은 에너지를 아끼도록 유전자의 발현이 변경된다고 한다. 그래서 그러한 어미쥐의 자손은 다른 쥐에 비해 비만이나 심장병에 시달릴 확률이 더 높다. 인간의 경우에도 레닌그라드 공방전 당시 심각한 굶주림 속에서 태어난 세대들의 비만발생률이 높았다는 이야기도 있고, 제2차 세계대전 때에 네덜란드 사람들은 ‘봉쇄정책’ 탓에 열악한 영양상태에 처해 있었던 경우도, 그때 태아였던 사람과 그 이전에 태어난 사람들을 조사했는데 그 때 태아였던 사람들이 뚜렷하게 키가 작았다고 한다. 또 그 사람들의 자녀들도 키가 작았다고 한다. 후성유전물질의 작용이 가장 중요한 시기인 태아 때에 제대로 영양소를 섭취하지 못했기 때문에 이런 일이 일어났다고 추론할 수 있다. [기획] 게놈 유전의 밑그림에 세밀화 덧칠하는 에피게놈 2010. 07. 06 이러한 사례가 있어서 포유류도 후성유전이란게 있다는 것이 정설이지만, 몇몇 결과만 확인될뿐 원인 인자를 찾지 못했기 때문에 아직까지는 후성유전이 유전되는 이유에 대해서는 확실하게 말 할 수 없다. 앞서 서술했듯, DNA및 히스톤 메틸화 정보도 전부 그대로 후대로 이어지는게 아니다. 정확히는 표현형만 재현이 되는것일뿐 DNA, 히스톤 메틸화 패턴중에 뭐가 달라졌는지 찾는것은 서울에서 김서방 찾는 격에 가깝다. 그리고 그렇게 찾아낸 유전자 세트마저도 공통점을 찾기 힘들다.
단순한 형질 발현을 후성유전으로 착각하는 경우가 많다. [연재] '대담한, 수줍은, 명랑한...' 같은 동물 다른 성격 2012. 05. 03 이 기사를 예로 들자면 후성유전은 할머니 쥐가 어머니 쥐를 핥아줬을 때 어머니 쥐에게서 유전자 전환이 일어나고, 그런 어머니 쥐의 유전자를 물려받은 자식 쥐의 성격이 (어머니 쥐가 핥아주지 않더라도)어머니 쥐를 닮는것이 후성유전이다. 반면 기사 내에서의 실험은 어머니 쥐가 자식쥐를 핥아준 결과 자식쥐의 성격이 달라진 것인데 이는 자손에게 이어지는 '유전' 현상과는 상관없는 단순한 형질 발현이다. 외상후스트레스장애, 후성유전적 변화와 관련 있나? 이 기사도 마찬가지로, PTSD환자 본인이 아닌 그 자식을 살펴봐야 PTSD가 후성유전이 되는지 안되는지를 확인할 수 있다. 형질발현과 후성유전 양쪽 다 히스톤 단백질과 탈 메틸화에 의한 현상이라는점이 공통점인지라 비전공자들이 착각하기 쉬운 부분이다.
2.2. 용불용설 부활?[편집]
얼핏 보면 라마르크의 용불용설을 연상케 하지만, 후성유전은 오히려 경험이 유전에 영향을 줄 것이라 믿었던 찰스 로버트 다윈의 진화론에 가깝다. #
오히려 용불용설보다는 획득 형질 가설이 이에 좀 더 부합한다. 획득 형질 가설은 '부모 세대에서 일어난 형질 변화(획득 형질)가 자손에게도 유전될 수 있다'라는 것을 전제로 하고 있는데, 용불용설과 달리 획득 형질 가설은 진지하게 연구하는 과학자들이 많았다. 실제로 외부 환경의 변화(스트레스)로 인해 부모 세대에서 형질의 변화가 나타날 수 있으며, 그 변화가 생식 세포에도 일어난다면 충분히 자손에게 유전될 수 있다. 이 과정에는 유전학적 변화 및 후성유전학적 변화가 모두 동반된다고 알려져 있다.
용불용설을 믿었다던 트로핌 리센코도 실은 용불용설을 배척했으며, 자신의 이론을 획득 형질이라고 믿었다.
다만 후성유전학은 없는 형질을 만들어 낼 순 없다. 후성유전학은 어디까지나 존재하는 유전자발현 정도를 조정하는 것이므로, 이미 충분히 발현중인 유전자를 더 만들어낸다던지, 내용을 바꾼다던지 할 순 없다.
3. 분자생물학적 측면[편집]
3.1. 예시[편집]
후성유전학이 본래는 유전학의 확장에서 시작된것은 맞다. 그러나 해당 기작이 당초 예상보다 너무 끼치는 범위가 커지면서, 실제로는 학회에서도 유전학과 관련이 없어도 그냥 Epigenetic이라고 한다. 이렇게 아직도 에피제네틱이라는 단어를 쓰는 이유는, 유전자 온오프를 다루는 학문의 명칭이 따로 없기 때문에, 관습적으로 아직까지 쓰고 있기 때문이다. 또한 Genetic이라는 단어 자체로 유전 이상의 것을 넘어서, DNA 자체에 대한 논의까지 확장되어있는 마당에 Epi + Genetic이라는 단어를 굳이 유전이라는 키워드만 놓고 해석할 이유가 없어졌다. 이러한 까닭에 분자생물학적 기전적 측면으로서의 epigenetics는 논문에서는 아예 대놓고 적는 것은 지양되고 있긴 하지만, 관습적으로 써오던 말이기 때문에 구어적으로는 많이 쓰이고 있는 단어이기도 하다. 실험적으로도 실제 유전에 관련된 분야는 그 난이도로 인해 대단히 축소되어있으며, 발생학 분자생물학적을 넘어서 너무 많은 분야에 막대한 영향을 끼치기 때문에, 여기까지오면 유전자 온오프에 따른 형질 발현과 후성유전학의 경계선을 정확하게 갈라버릴 수가 없기때문에 이런 일이 발생한것이다.
후성유전학이라는 큰 카테고리 안에, 히스톤, DNA 메틸화등등이 서로 유기적으로 얽혀져 있으며, 실질적으로 제노믹 DNA를 세포가 어떻게 관리를 하는가의 측면이 강화되었다. 후성유전학은 DNA 복제, Splicing, RNA 전사 허가, DNA 수선, DNA 안정도[10] 등 여러측면에서 막대한 영향을 끼치기 때문이다.
DNA가 하드디스크안에 든 내용물 전체라면, 후성유전학은 하드디스크 내용을 관리하는 OS나 소프트웨어라고 보면 된다.
컴퓨터를 켜면 OS가 먼저 작동되고, 부팅 절차에 따라 커널이 메모리에 들어가고, 드라이버를 인식하고, 하드디스크 IO를 관리하듯이 후성유전학도 마찬가지이다. 이 절차가 망가지면 세포가 망가지는건 말할것도 없다. [11] 세포안에는 수많은 전사인자가 있지만, 그 전사인자가 인식할 수 있는 부위에 전부 작동한다면, 세포는 그 정체성을 잃어버릴 것이다.
예를 들면, 세포는 환경에 따라 혹은 조건에 따라 에피제놈[12]가 조금씩 달라진다. 생물의 세포는 각종 발달 관련 인자들과 환경의 영향을 받아 최종적으로는 각기 다른 에피제놈 정보를 가진다. 심지어 일란성 쌍둥이도 태어날 때는 대부분의 유전정보가 일치하나 성인이 되면 에피게놈 덕에 거의 일치하는 부분이 사라진다.[13] 원본 DNA는 같으나 에피게놈으로 인하여 발현되고/안 되는 부분이 생기면서 달라지는 것이다.
노화에 있어서는 말이 필요없을정도로 노화의 진행상황에서 텔로미어보다 비교도 안될정도로 정확하게 실제 나이를 예측할 수 있다. [14] 하나의 설로는 후성유전학적 통제가 풀리면서, 이동성유전인자의 전사량이 올라가고, 동시에 mRNA역시 엄격하게 전사가 통제되는게 아니라, 쓸데없는 정보를 담거나, 전사 시작점 통제불능으로 인해, 뭔가 빠져 있거나, 앞 머리에 쓸데없는게 달린 단백질을 코딩하는 불량 RNA들이 늘어나기 때문에, 이러한 RNA 및 단백질을 처리하느라, 정작 필요한 단백질이 적게 나올 수 있으며, 원래는 해당조직에서 는 안나와야할 단백질이 나오게 되어 세포 내외적 신호를 교란시킨다는 것이다. 이러한 것들이 노화 형질에 관련이 있을것으로 설명되기도 한다. 그리고 같은 기작으로 암세포 역시 비슷한 모습을 보이기도 한다. [15]
최근에는 이러한 DNA와 히스톤과의 관계 말고도 DNA 구조체 형성등, DNA와 히스톤의 관계를 단지 2차원적으로만 평가하는게 아니라, CTCF 및 Cohesin등과 연계하여 3D구조 및 DNA와 상호작용하는 RNA역시도 중요하게 떠오르고 있다. 예를 들어 인핸서과 프로모터가 3D상에서 같은 구획안에 들어있어야 작동을 하기 때문에 [16], 인핸서와 프로모터에 어떠한 히스톤 변형이 가해져있는지를 보기도 한다.
이렇듯이 굉장히 메카니즘이 방대하고, 작용하는 요인도 너무나 많은데, 확인하는 방법은 High throughput, 즉, 대량의 세포 혹은 DNA, RNA을 넣어서 차세대 시퀀싱[17] 으로 보는 방법이 일반적인데, 기초적으로는 Chip-seq 및 Rip-seq, Hi-C등등이 대표적이다. 때문에 돈도 굉장히 많이 드는데, 샘플도 대량으로 필요하여 세포양 자체가 적은 경우는 하기 힘들고, 또 다각적으로 동시에 보는것도 힘든데다가, 한번 실험해서 나오는 결과도 빅데이터이기 때문에 분석도 많은 노력이 든다. 즉, 세포 내 현상이 굉장히 다양한데도 불구하고, 실제적으로 볼 수 있는 것은 대단히 노동 집약적이라는 것이다.
후성 유전학에 있어서는 히스톤, DNA 메틸화 문서 참조를 하는 것이 좋다.
4. 응용 연구[편집]
후성유전학 연구 기법을 통하여, 배 발생 과정에 있어서 유전자 발현 조절을 주로 연구한다. 또한, 각 개체에서 발생하는 유전자 발현 조절의 요인으로서 작용하며, 특히 사람에 있어서는 암과 같은 질병에서의 비정상적인 후성유전학적 양상을 확인하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 각 질병 세포에서의 비정상적인 DNA 메틸화 양상은 암유전자의 발현을 조절하는 프로모터 영역 및, 포유류 유전체의 30~50% 정도를 차지하는 이동성 유전인자 영역에서 나타나고 있다.
에피게놈도 누적되면 암을 유발할 수 있다. 에피게놈들은 DNA 유전정보의 발현에 지대한 영향을 끼치기 때문에 암 유발 유전자가 과발현하거나 암 억제 유전자가 과다억제되는 등의 후성유전 변화가 생기면 DNA손상이 없더라도 암으로 발전할 수 있다.
노화 및 암에서 주로 발견되는 패턴은 메틸레이션 패턴이 엉뚱하게 붙어있는것이다. 대부분의 RNA는 원래 프로모터에서부터 발현되어야 정상인데, 비정상 세포에선 프로모터가 아니라, 유전자를 코딩하는 중간부분부터 발현이 시작된다거나 한다. 당연히 앞부분이 잘려먹은 RNA가 제 기능을 할 리가 없다.
노화에선 에피제놈 패턴이 점점 풀려나면서, 원래 나오면 안되는 이동성 유전인자가 전사 레벨이 올라가며, 전체적으로 통제가 풀리는 경향을 보인다.
우울증, 알코올 중독 가능성, 알츠하이머, 자살율 등 정신적인 면에도 후성 유전학이 관여한다. [전문가의 세계-뇌의 비밀] (9) 경험도 유전된다 2017.06.29
5. 관련 문서[편집]
이 문서의 내용 중 전체 또는 일부는 2023-12-27 07:11:07에 나무위키 후성유전학 문서에서 가져왔습니다.[1] 노블교수가 후성유전을 지지하면서 도킨스의 주장을 논박하고 있다. 후천적으로 획득된 유전형질(유전자 조각 뿐만이 아니라 여러 단백질 등등)이 여러 경로를 통해 생식세포로 직접적인 이동을 한다는 것을 노블교수는 지적한다. 그렇다고 도킨스의 주장이 전적으로 틀렸다고는 볼 수 없고, 거시적인 입장에서 볼 때 도킨스의 주장도 타당성이 있다. 여기서는 서로가 자신의 주장이 옳고 상대의 주장은 예외라는 것을 입증하려고 하지만, 토론 내용을 살펴보면 진실은 둘 사이에 놓여 있음을 알 수 있다.[2] 예를 들어, 세포핵 내의 히스톤 단백질과 관계된 메틸레이션과 아세틸레이션등의 유전체 수정(modification)에 관여하는 모든 인자들도 외유전적 인자에 속한다. 가장 중요하고 방대하게 생산되는 외유전체 정보는 DNA상에 생기는 메틸기의 결합이다. 사이토신의 분자에 CH3 메틸기가 유전자 조절 및 환경적인 이유로 결합을 하여, 유전정보의 조절이 일어난다.[3] 초파리나 꼬마선충에서 DNA 메틸화는 거의 보이지 않거나 영향이 거의 없다시피하다.[4] X 염색체처럼 랜덤으로 끄는 게 아니다. X염색체는 만난 한 쌍중에 아무거나 랜덤으로 꺼버린다. 이쪽도 왜 랜덤으로 하나만 켜질 수 있는지에 대해서는 불명이다.[5] 모계 유전자에 DNA 메틸화가 들어가면, maternal imprinting gene, 부계 유전자에 메틸화가 들어가면 paternal imprinting gene이다. 이러한 결과는 maternal imprinting gene은 부계유전자만 발현을 하고, 반대로 paternal imprinting gene은 모계유전자만 발현하는 결과를 낳게 된다.[6] 부계가 없이 난자만 가지고 만드는 것을 말한다.[7] 해당 유전자들은 imprinting gene의 대표이며, 프로모터의 메틸화 유무에 따라 H19이 발현하느냐 아니면 IGF2가 발현하느냐 둘 중 하나만 가능하게 한다. 하지만 조절부위를 없애서, 유전자의 발현여부를 묻지 말고 그냥 전부 발현시키게 만든것이다.[8] 모계가 없이 부계 DNA만 가지고 만드는 것을 말한다. 다만, 정자 자체는 세포로서 기능할 수 있는 단백질이 거의 없다시피하기때문에, 핵을 없앤 난자에 넣어야 한다.[9] Godfrey, K. M., Lillycrop, K. A., Burdge, G. C., Gluckman, P. D., & Hanson, M. A. (2007). Epigenetic mechanisms and the mismatch concept of the developmental origins of health and disease. Pediatric research, 61, 5R-10R.[10] 인간 기준으로 2미터에 달하는 단분자 실타래를 눈에 보이지도 않은 10um짜리 세포에 박아넣는다고 생각해보라. 이거보다 뻣뻣하고 짧은 이어폰줄도 주머니에 안에 집어넣으면 난리가 난다.[11] 간단히 말해서 나는 그림 파일을 불러왔는데, 난데없이 word가 켜지며 이 파일은 읽을 수 없다. 며 에러가 뜬다고 생각해보자. 아니면 사용 중에 뜬금없이 높은 빈도로 디스크 구석에 있던 파일이 갑자기 켜진다고 생각해보자. 그 컴퓨터는 망가진것이다.[12] 제노믹 DNA상에서 DNA 메틸화 패턴 및, 히스톤 변형 패턴등을 총칭한다.[13] Poulsen, P., Esteller, M., Vaag, A., & Fraga, M. F. (2007). The epigenetic basis of twin discordance in age-related diseases. Pediatric Research, 61, 38R-42R.[14] 자세한 것은 DNA 메틸화 참조[15] 암세포는 분열은 잘하지만, 노화세포와 공통적으로, 정작 세포외 신호에 대해 민감하게 반응하지 않으며, 자기일을 제대로 하지 않는 다는 점에서 젊음을 유지하는 세포가 아니라, 노화의 극에 달한 세포로 볼 수도 있다. 결정적으로 암세포가 젊음을 유지하는 세포라면 암 발생률은 노인보다 영아에게서 더 높았어야 한다.[16] 이 구획을 Topologically associating domain, 줄여서 TAD라고 한다. [17] Next generation sequencing, 줄여서 NGS. 아니면 대량으로 읽어서 결과를 내는 방법에 착안하여 Deep sequencing이라고도 한다.