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첨부파일 : Epigenome Datasets of Type 2 Diabetes from Human Primary Cells

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들어가는 말

‘인간게놈프로젝트(Human Genome Project)’로 알려진 전장 염기서열분석(whole genome sequencing)에 의해 인간 유전자 전체 서열이 밝혀진 이후, 그 결과물은 큰 파급력으로 관련 연구에 활발하게 응용되고 있다. 한 사람의 다양한 조직 및 기관을 구성하는 약 250종 이상의 세포는 그 종류에 관계없이 같은 유전자 염기서열을 갖고 있지만, 각 세포별 구조적 또는 기능적 특성은 유전자 발현 차이에 따라 결정된다. 즉 DNA 염기서열에는 변화가 없으나 세포 분열 시 메틸화 등에 의한 DNA

제2형 당뇨병 원시세포의 에피유전체 정보

생산 및 활용

Epigenome Datasets of Type 2 Diabetes from Human Primary Cells

Koh In-Uk, Yu Ho-Yeoung, Park Soo-Jung, Kim Bong-Jo

Division of Genome Research, Center for Genome Science, KNIH, KCDC

Background: Genome-wide epigenetic studies in human disease using human primary cells are important to understand

how the present state of homogeneous human cells is determined as disease progressed in a whole body condition. Genomic profiling of DNA methylation, RNA expression and modified histone could clarify the molecular mechanism for gene regulation and chromatin structures in human cells.

Current status: Korea National Institute of Health (KNIH) has conducted the Korean Epigenome Project (KEP) on complex

diseases of Koreans, joining as a partner of the International Human Epigenome Consortium (IHEC) to complete >1000 reference epigenomes of cell lines or primary cells derived from human subjects. We reviewed current progress in the development of on the reference epigenome datasets of Type 2 Diabetes (T2D)-related primary cells in Koreans and recent trends in epigenome studies of human primary cells worldwide.

Future perspectives: The establishment of the epigenome datasets for human primary cells and epigenomic studies of

complex diseases are interdisciplinary and require joint efforts by clinicians, experimentalists, and bioinformaticians. The data productions on disease-related primary cell epigenome by KEP is expected to play pivotal roles as resources for the identification of novel targets for therapeutic interventions.

질병관리본부 국립보건연구원 유전체센터 유전체연구과 고인욱, 유호영, 박수정, 김봉조* *교신저자 : kbj6181@cdc.go.kr, 043-719-8870

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또는 크로마틴 변형(chromatin modification)을 통한 유전자 발현 변화가 다음 세대에 전달되는 현상이 나타나게 된다. 이와 같은 유전체 수준에서의 유전자 발현 및 조절에 관한 연구 분야가 에피유전체학(Epigenomics)이다. 구체적으로는 조직-세포 특이적인 전사인자의 작용, DNA 메틸화(methylation), 히스톤 단백질 변형(histone modification), non-coding RNA에 의한 조절기작 등이 복잡하게 작용하여 조절되는 유전자의 역동적인 발현 기전을 연구하는 분야이다[1]. 우리나라의 만성질환은 국가의 예방관리 정책 및 사업으로 소기의 성과(인구 10만 명당 사망률의 지속적인 감소)를 보여 왔으나, 여전히 만성질환으로 인한 사망은 전체 사망의 81%를 차지하며, 사망원인 상위 10위 중 7개가 만성질환에 의한 것으로 보고되고 있다[2]. 또한, 당뇨병, 뇌혈관질환으로 인한 사망률은 OECD 주요 국가 평균에 비해 높고, 급격한 인구 고령화 추세에 따라 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로도 관련 질환자의 증가가 예측되고 있어 해당 질환의 조기 진단과 치료를 위한 연구 필요성이 지속적으로 제기되고 있다. 특 히 , 우 리 나 라 당 뇨 병 의 대 부 분 을 차 지 하 는 것 은 제2형 당뇨병으로, 유전적/환경요인 중 제2형 당뇨병에서는 생활습관(환경영향)이 중요한 것으로 알려져 있다. 2013년 기준, 30세 이상 성인의 11.9%(약 320만 명)가 당뇨병 환자인데 반해, 26.4%(약 660만 명)는 제2형 당뇨병 전단계(pre-diabetes, 경계성 당뇨 또는 전당뇨)에 가까운 상태로 조기에 당뇨 및 관련 질환을 진단하거나, 그 질환 발병을 억제하기 위한 기작을 이해하는 연구가 시급하다[3]. 인체 원시세포(primary cell)는 인체조직에서 직접 유래되어 배양상태로 유지 가능한 1차 배양세포들로 인체 내 생리적인 세포상태를 잘 반영해주는 장점이 있다. 이러한 원시세포로 확보 가능한 세포들로는 상피세포(epithelial cells), 섬유아세포(fibroblast), 각질형성세포(keratinocytes), 색소세포(melanocytes), 내피세포 (endothelial cells), 근육세포(muscle cells), 조혈줄기세포 (hematopoietic stem cells), 그리고 중간엽줄기세포(mesenchymal stem cells) 등 다양한 세포들이 있다. 배양상태에 적응된 원시세포는 노화과정을 거쳐 세포사멸 시기까지 영양조건 등 배양조건에 따라 한정된 세포분열만이 가능한데 반해 세포주(cell line)는 종양 유발 형질전환 등에 의해 무한 증식이 되지만 반복되는 세포분열 과정에서 돌연변이 및 염색체이상이 유발되어 정상적인 상태의 세포상태를 반영하지 못한다는 단점이 있다. 이처럼 인체유래 원시세포를 이용할 경우 해당 조직의 생체 내 상태를 비교적 직접적으로 반영할 수 있고, 다양한 분석을 위한 세포수 확보에 유리한 점이 있어 참조 에피유전체 데이터 구축의 좋은 모델이 될 수 있다. 본 글에서는 당뇨 관련 원시세포의 참조 에피유전체 정보구축 현황을 질병관리본부 연구용역사업으로 수행되었던 “한국인 유래 원시세포 기반 에피유전체 정보생산”의 내용을 중심으로 국내·외 연구동향과 함께 소개하고자 한다.

몸 말

국내·외 원시세포 연구동향

보건복지부 산하 국립보건연구원의 한국인체자원은행은 중앙은행 및 소속 17개 단위은행을 통해 약 50만 명분의 한국인 인체자원을 온라인 One-stop 분양포털 등을 통해 분양하고 있다. 특히 맞춤의료, 예방치료 등 보건의료 신성장 분야를 지원하기 위해 2015년 ‘일차세포 공급체계 구축 시범사업’을 필두로 원시세포 연구를 위한 기반 구축 사업을 추진하고 있다. 또한 식품의약품안전처 주관으로 진행되어 온 ‘세포주 확립 및 분양’사업은 국내 제약업체 및 연구기관에 분양하는 것을 목적으로 매년 2종의 세포주를 선정하여 백신제조에 사용 가능한 세포은행을 확립하고 최근 급증한 세포주 수요에 따라 필수 세포주를 국내에 비축함으로써 관련 세포를 통한 백신 개발비용 및 시간을 줄여 줄 뿐만 아니라 국내 세포주 특성 분석 및 검증기술 향상 등에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. ISBER(International Society for Biorepository and Environmental Repository), BRIF(Biospecimen Resource Impact Factor) 등 초기 단계의 국제 바이오뱅크 네트워크에 적극 참여하고, 국제포럼도 주도적으로 추진할 계획이다. 대규모 인체자원이 필요한 R&D 과제에 대해서는 연구기획 단계부터

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인체자원은행이 함께 참여하는 협력체계를 운영하고 있다. 관련한 원시세포 에피유전체연구사업으 로 2012년에는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하여 에피유전적인 조절에 의한 세포 기능 연구센터(Epigenome Center)가 출범되었고 다양한 세포의 분화 및 세포 조절반응의 기능 분석 및 질환의 병인 규명을 위하여 궁극적으로는 에피유전체 지도를 작성하는 것을 목표로 하여 진행되어 왔다. 또한 2013년 보건복지부 주관 ‘한국인 면역적합형 초대배양세포 및 임상적용을 목적으로 하는 유도만능줄기세포주 수립 및 표준지침 구축’ 사업(가톨릭의대)을 통해 역분화를 유도하는 원시세포(primary cell)를 얻는 단계부터 만들어진 유도만능 줄기세포의 저장과 정까지 포함된 연구가 진행되었고, 이러한 과정 전반은 한국표준기술지침으로 지정되었다. 이와 같이 보건복지부 산하 국립보건연구원, 식품의약품안전처 및 국내 관련 기관들은 앞으로 수행될 사업을 위한 예산을 적극적으로 확보하고, 국내 관련 업체의 제품개발 현실을 반영한 원시 세포주를 확립하고 분양사업이 지속되도록 추진하고 있다.

국제적으로는 인간게놈프로젝트(Human Genome Project) 이후 제안된 다양한 유전자 발현조절에 관한 국제공동연구 프로젝트로 NIH Roadmap Epigenomics(USA), ENCODE(The Encyclopedia of DNA Elements, USA), ICGC(International Cancer Genome Consortium), IHEC(International Human Epigenome Consortium), TCGA(The Cancer Genome Atlas) 등이 있으며, 이를 통해 인간 세포 250종의 참조 에피유전체 지도작성(NIH Roadmap Epigenomics, IHEC)과 암 종별 500여건의 암세포 에피유전체 지도작성(TCGA, ICGC)이 추진되어 왔다.

미국 NIH, NHGRI(National Human Genome Research Institute)는 연구재원을 조성하여 에피유전체 민간 연구프로그램을 운영하고 있는데, NIH Roadmap 프로젝트를 운영하여 현재 25개의 원시세포에서 DNA methylation, RNA 발현, 히스톤 변이정보를 전체 포함한 참조 에피유전체 데이터를 완성하였고 111개의 인체 유래 세포를 대상으로 하는 데이터세트 구성을 부분적으로 완성하였다. NHGRI는 ENCODE Consortium에서 만든 103개의 원시세포에 대한 참조 에피유전체 데이터세트를 UCSC Genome Browser를 통해 공개하고 있다.

캐나다는 국가기구인 Genome Canada의 조정 아래 각 지역별 유전체 연구프로그램에서 만성질환에 대한 에피유전체 연구를 수행하고 있다. Genome British Columbia(British Columbia Cancer Genome Science Center), Genome Quebec(EMC, Mcgill University)은 국제컨소시엄에 가입하여 에피유전체 정보생산 및 지도 작성을 수행하여 IHEC 등을 통해 약 400건의 원시세포 대상 참조 에피유전체 데이터세트를 구축·공개하고 있다.

특히, 2010년 발족한 국제 인간 에피유전체 컨소시엄(IHEC)은 캐나다(CEEHRC), 미국(NIH Roadmap, ENCODE), 유럽 연합(BLUEPRINT), 이탈리아, 한국(KNIH), 일본(CREST, JST)이 참여하는 국제적 연구 연합으로 각 국가별로 대규모 연구비를 투입하여 인간 에피유전체 정보를 생산하고 공유할 목적으로 구성되었다. IHEC는 인간의 건강 및 질병과 관련된 다양한 조직 및 세포의 에피유전체 표준 정보 생산을 주목적으로 하여 1,000종 이상의 다양한 인간 참조 에피유전체 데이터세트 구성을 목표(2016년 11월 기준 950개 데이터세트 완성)로 프로젝트를 수행해 오고 있는데, 이러한 연구에는 고해상도의 주요 히스톤 단백질 변형 정보 및 DNA 메틸화 정보, 단백질 발현 유전자들의 전사 시작 부위에 대한 지도, 다양한 RNA(coding, non-coding, and small RNAs)의 발현 양상 조사, 관련된 모델 생물체의 에피유전체 지도와의 비교 분석 등이 포함되어 있고, 이를 달성하기 위하여 일관되고 검증된 실험방법들을 사용하고 있다. 국립보건연구원도 2012년 이후 IHEC를 통해 한국인 유래 원시세포를 포함한 인체유래세포 50종에 대한 참조 에피유전체 정보의 공개를 목표로 한국인 에피유전체 사업을 수행해 왔다(2017년 4월 기준 24개 데이터세트 공개 중, Figure 1).

한국인 유래 원시세포의 당뇨관련 참조 에피유전체

정보생산 현황

한국인 에피유전체 정보생산(Korean Epigenome Project)을 통해 2012년 이후 연구용역사업으로 참조 에피유전체 데이터세트를 생산해 왔는데, 구체적으로는 한국인 호발성 만성질환(당뇨, 비만, 만성신장질환 등)에 대한 주요 질환 표적세포 시료를

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확보하여 전장에피유전체 서열분석(Whole-genome bisulfite sequencing, WGBS), 유전자 발현정보(mRNA-seq), 마이크로 RNA 발현(miRNA-seq), 히스톤 결합 유전체 데이터(Histone ChIP-seq)로 참조 에피유전체 데이터세트를 구성하였다. 제2형 당뇨 환자의 췌장조직 유래 췌도세포(islet), 베타(beta) 또는 알파(alpha)세포, 비만 지방조직의 지방세포(adipocyte) 및 지방전구세포(preadipocyte) 등이 그 주요 대상이었는데, 2016년 연구용역사업을 통하여 제2형 당뇨 및 정상인의 근육조직을 포함한 원시세포 에피유전체 정보를 구축하였다[4](Table 1). 또한 현재 진행 중인 연구용역사업(~2018년 4월)을 통해 제2형 당뇨 관련 질환 및 정상인의 췌장조직 유래 원시세포 에피유전체 정보도 추가 확보 예정에 있어, 향후 제2형 당뇨 등 인슐린저항성(insulin resistance) 기반 만성질환의 연구를 위해 인슐린 합성 기능의 췌장 유래 원시세포 뿐만 아니라, 인슐린 감수성(insulin sensitive) 혹은 인슐린 작용에 의한 당(glucose) 대사 기능 말초조직인 근육 및 지방 유래 원시세포 등에 대해 환경/외부 영향에 의한 전장 유전체 메틸화 정보, 질환 관련 각 유전자의 발현정보 그리고 그 발현을 조절하는 기작에 대한 정보(마이크로 RNA, 히스톤 결합 유전체 데이터)까지 다중 오믹스(multi-omics) 정보를 구축하게 된다. 이는 제2형 당뇨의 질환 기작에 대한 이해, 당뇨 및 전당뇨(prediabetes) 과정에서의 빠른 진단 방법, 효과적인 질환 치료방법 개발을 위한 기초 연구정보로 활용될 것이며, 뿐만 아니라 제2형 당뇨 등 만성질환 주요 인자(위험인자, 개선인자)를 제시함으로써 정밀의료시대 근거중심 국민건강 개선 정보 제공도 가능할 것으로 기대한다.

에피유전체 사업 데이터 공개 현황

질병관리본부 국립보건연구원 유전체연구과의 참조 에피유전체 데이터는 IHEC 컨소시엄 등을 통해 공개하게 된다. 특히 IHEC는 현재 생산 완료된 데이터를 관련 학계 및 일반인 전체에 공개하고 있으며, 이중 한국인 에피유전체사업을 통해 확보한 KNIH 참조 에피유전체 데이터는 현재 일부 데이터세트(24개, 3종 데이터 총 72건, Figure 1)가 공개되어 있고, 올 하반기까지 전체 데이터의 원시데이터(raw data) 및 추가 히스톤 결합 유전체 데이터(histone ChIP-seq)도 공개 예정에 있다. 현재 공개 중인 데이터는 IHEC data portal 및 국립보건연구원 홈페이지를 통해 즉시 다운로드가 가능하며, 국내·외 2,300여명의 연구자가 데이터를 조회하고 약 1,000여건의 다운로드가 이뤄지는 등 활발하게 활용되고

Table 1. KNIH’s reference epigenome data production of T2D-related primary cells

Tissue origin Cell-types Case / Control Age Gender Assays

Muscle Skeletal muscle cell T2D 59 F Whole-genome bisulfite sequencing, mRNA sequencing, miRNA sequencing, Histone* ChIP-seq

* 7 ChIP-seq: H3K4me1, H3K27ac, H3K4me3, H3K36me3, H3K27me3, H3K9me3 and input data

76 M 69 F 76 F Normal 29 F 48 F 29 M 53 M

Fat Adipocyte mesenchymal stem cell

T2D 76 F

76 M

Normal 72 F

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있다(2017년 6월 IHEC data portal 기준). 더불어, 각 원시 데이터 이용에 관심 있는 연구자는 적절한 분양 절차(European

Genome-phenome Archive, EGA)를 통해 해당 데이터에 대한 접근이 가능하다[5].

(A)

Connected from The 5 most downloaded data

Pancreas-Islets (T2D or normal) Kidney-Podocyte (CKD) 2015.10 2016.01 2016.04 2016.07 2016.10 2017.01 25 50 (B)

Figure 1. KNIH’s reference epigenome dataset release. (A) Reference epigenome datasets on IHEC data portal. (B) Downloading statistics of reference epigenome datasets in KNIH homepage.

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맺는 말

에피유전체는 세포의 분화와 발생뿐만 아니라, 환경 및 생활습관 등의 건강행태에 영향을 받는 만성질환의 연구에 유용한 접근방법으로, 짧은 기간에 비해 비약적인 발전을 이루어낸 연구 분야이다. 하지만, 에피유전체 연구는 거대과학의 성격을 띠는 분야로 국제 컨소시엄과 연계한 연구 활동과 더불어 질환관련 조직 세포를 대상으로 한 유전체, 에피유전체 등 멀티오믹스 기반 연구를 국가적으로 계속해나가야 할 필요성이 높은 분야로 판단된다. 특히, 인체유래 원시세포의 에피유전체 연구는 향후 지속적인 세포 확보가 중요해, 자원은행 등 관계기관과의 유기적인 협력이 요구된다. 원시세포은행 및 데이터 포털과 같은 연구협력체의 국내 연구 네트워크 구성을 통한 효율적인 연구 시스템 구축이 필요하다. 또한 현재 구축되고 있는 인간 원시세포(primary cell) 기반 참조 에피유전체 데이터세트는 국내·외 연구자에 적극적으로 제공되어, 연구를 위한 추가수요에 따라 질환 대상 원시세포 참조 에피유전체 데이터세트를 구성하는 것도 적극 검토해야 할 것이다. 장기적으로는 한국인 에피유전체사업을 통해 당뇨, 비만 등 국내 주요 만성질환에 대한 특이적인 원인 유전변이 발굴과 건강행태(환경인자) 관련 후보 에피유전변이의 추가 발굴 및 검증을 수행할 수 있을 것이며, 이를 통한 질환예측, 예방연구, 치료제 개발 등 다양한 접근의 질환 극복이 가능해질 것으로 기대해 본다.

참고문헌

1. Jones PA, et.al, 2008 Moving AHEAD with an international human epigenome project. Nature Aug;454(7205):711-5.

2. 통계청, 2013 사망원인통계(보도자료) : http://kostat.go.kr/portal/korea/ kor_nw/2/6/2/index.board 3. 질병관리본부, 2015 만성질환 현황과 이슈 – 만성질환 Factbook : http:// cdc.go.kr/CDC/notice/CdcKrintro0504.jsp?menuIds=HOME001-MNU1154-MNU0004-MNU0110&cid=65024 4. 김용성, 2016. 한국인 유래 원시세포 기반 에피유전체 정보생산, 질병관 리본부 정책연구용역 최종결과보고서.

수치

Table 1. KNIH’s reference epigenome data production of T2D-related primary cells
Figure 1. KNIH’s reference epigenome dataset release. (A) Reference epigenome datasets on IHEC data portal

참조

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