비용의 발생에 대한 후성유전학적 관점

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비용의 발생에 대한 후성유전학적 관점

고려대학교 의과대학 이비인후-두경부외과학교실

박 일 호 · 이 흥 만

Epigenetic Regulation of Nasal Polyp Formation

Il-Ho Park, MD, PhD and Heung-Man Lee, MD, PhD

Department of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery, Korea University College of Medicine, Seoul, Korea

Nasal polyposis is a multi-factorial disease associated with chronic inflammation of the paranasal sinuses. Myofibroblast differ- entiation and extracellular matrix (ECM) accumulation are involved in the pathogenesis of nasal polyposis. Epigenetics, DNA methylation, and chromatin modifications are critical for generating cellular diversity and for maintaining distinct gene expres- sion profiles. Based on our recent study that evaluated the inhibitory effect of Trichostatin A on myofibroblast differentiation in nasal polyposis, we hypothesized that HDAC inhibition is associated with myofibroblast differentiation and extracellular matrix accumulation in nasal polyposis and suggested that Trischostatin A may be useful as an inhibitor of nasal polyp growth and thus has potential to be used as a novel treatment option for nasal polyposis. In this review, we present general concept of epigenetics and results of recent research that elucidate the role of epigenetics in the pathogenesis of nasal polyps.

KEY WORDS: EpigeneticsㆍNasal polyposisㆍTrichostatin AㆍExtracellular matrixㆍFibroblast.

서 론

DNA(Deoxyribonucleic acid)는 유전 정보를 담고 있는 물 질이며, 작년은 Watson과 Crick의 DNA 나선구조 발견(1953 년) 60주년이었다. DNA의 구조의 이해는 이후의 유전정보 가 단백질로 발현되고 형질화하는 일련의 과정을 설명하기 위한 수 많은 연구의 첫 단추였기에 매우 현대 생물학의 시 작점이라고 할 수 있다. DNA를 이루고 있는 기본 단위인 뉴 클레오티드는 당(디옥시리보오스)과 인산 그리고 염기의 결 합으로 이루어진다. 이 중 당과 인산이 DNA 사슬의 골격을 이루며 골격에 연결된 염기는 다른 사슬의 염기와 수소 결 합을 이루고 있다. 10쌍의 뉴클레오티드는 이 중 나선 구조 의 한 주기를 형성하며 그 길이는 3.4 nm이다. 이중 나선 구

조를 가진 DNA 사슬은 다시 히스톤 단백질과 결합하여 뉴 클레오솜을 형성하며 뉴클레오솜이 코일 모양으로 감겨 30 nm 폭의 염색사(chromatin)를 형성하고, 염색사가 꼬이고 응집하여 염색체 가닥을 형성하게 된다.

DNA 구조를 이해하고 난 뒤 한 동안은 DNA의 염기서열 변화와 재조합이 형질 변화의 원인으로 생각되어왔으나 DNA의 염기서열이 변하지 않더라도 형질의 변화가 일어나 며, 이러한 변화가 후대로 전달되는 현상이 관찰되었다. 후 성유전학은 DNA 염기 서열의 변화 없이도 형질의 변환이 일어나고 다음 세대로 전달되는 현상을 연구하는 학문으로 처음으로 용어화된 것은 1940년대이지만 실제 본격적으로 연구가 시작된 것은 2000년대에 들어서이다.¹⁾ 후성유전학 의 증거로는 유전정보가 100% 일치하는 일란성 쌍둥이에서

논문접수일：2015년 5월 15일 / 수정완료일：2016년 6월 13일 / 심사완료일：2016년 7월 6일 교신저자：이흥만, 08308, 서울 구로구 구로동로 148 고려대학교 의과대학 구로병원 이비인후과 Tel: +82-2-2626-3185, Fax: +82-2-868-0475, E-mail: [email protected]

관찰되는 형질형의 불일치를 들 수 있다.²⁾³⁾ 후성유전학적 변형(epigenetic modification)은 크게 DNA 메틸화(meth- ylation), 히스톤 변형(histone modification) 그리고 뉴클레 오솜 배치(nucleosome positioning)로 나누어 생각해볼 수 있다(Fig. 1).⁴⁾

DNA 메틸화(Methylation)

후생유전학에서 DNA 메틸화는 가장 많이 연구되고 있으 며 거의 대부분 시토신 뒤에 구아닌이 있는 CpG 디뉴클레오티 드의 부근에서 일어난다. CpG 디뉴클레오티드가 유전체 상 에 띄엄띄엄 떨어져 무리를 이루어 형성하는 CpG 섬(island) 은 인간 유전자 촉진제(promoter)의 60% 정도와 관련되어 있으며 정상 세포에서는 보통은 메틸화가 이루어지지 않은 상태로 존재하나 인간 게놈의 약 6% 정도는 메틸화 되어 있 다.⁵⁾ 일반적으로 CpG 섬의 메틸화는 유전자의 억제와 관련 이 있으며(Fig. 2), 단적인 예로 두 대립유전자(alleles) 중 하 나의 대립유전자에서만 과메틸화가 일어날 경우 유전체 각 성(genomic imprinting)과 같은 현상이 일어난다. DNA 메 틸화가 유전자의 발현을 억제하는 기전은 다양하다. 메틸화 된 DNA는 메틸기 결합 단백(methyl-CpG-binding domain protein, MBD protein)의 모집을 촉진하며, 다시 메틸기 결합 단백은 메틸화된 부위로 히스톤변형(histone modifying)과 염색질재형성(chromatin remodeling) 복합체를 모집한다.

DNA 메틸화는 직접 DNA 결합단백이 표적부위에 모여들

지 못하게 하여 전사를 억제하게 할 수도 있다. 반면에 메틸 화되지 않은 CpG 섬은 유전자 발현에 호의적인 염색질 구 조를 형성한다.

DNA 메틸화는 주로 메틸기를 S-adnosyl methionine에 서 DNA로 전이시키는 DNMT계 효소에 의해 이루어지며, 포유류에서는 DNMT계에서 DNMT1, DNMT3a 그리고 DNMT3b가 methyltransferase의 역할을 수행한다. 이들은 크게 세포분열 과정에서 DNA의 메틸화 상태를 유지시켜주 는 유지 DNMT(maintenance DNMT)와 새로운(de novo) 메 틸화를 촉매하는 촉재 DNMT(catalytic DNMT)로 나눌 수 있으며, 유지 DNMT에는 DNMT1이 그리고 촉매 DNMT1 에는 촉매 DNMT3a와 DNMT3b가 속한다.

히스톤 변형(Histone Modification)

히스톤은 후성유전학의 중요 구성요소로 중심 히스톤인 H2A, H2B, H3 그리고 H4가 두 개의 H2.A-H2.B 이합체와 하나의 H3-H4 4합체로 무리지어 뉴클레오솜을 형성한다.

147 염기쌍의 DNA가 1.65 회전으로 히스톤 팔량체(octamer) 를 감싸고 돌며, 뉴클레오솜과 뉴클레오솜 사이는 평균적으 로 50 염기쌍의 DNA가 히스톤을 감지 않은 상태로 뉴클레 오솜 사이를 연결한다.⁶⁾ 중심 히스톤은 N-말단꼬리(N- terminal tail)을 제외하면 구형의 형태를 하고 있는 반면에 히스톤 H1은 뉴클레오솜의 일부를 형성하지 않고 두개의 히스톤 복합체를 분리하는 연결 DNA(linker DNA)에 결합 하여 DNA가 들어가고 나가는 위치에서 뉴클레오솜을 밀

Fig. 1. Schematic of DNA methylation and histone modification.

DNA is methylated exclusively at cytosines at CpG dinucleotides.

'1$PHWK\ODWLRQ

'1$

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+LVWRQH

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6LOHQWFKURPDWLQ

Fig. 2. Schematic of the reversible changes in chromatin organi-

봉하는 역할을 한다. 모든 히스톤에서 다양한 전사후 변형 이 일어나는데, 히스톤 꼬리에서 아세틸화(acetylation), 메틸 화(methylation), 인산화(phosphorylation) 등의 다양한 전사 후 변형이 일어나며 이러한 히스톤의 변형은 전사 조절, DNA 수선, 선택적 이어맞추기(alternative splicing) 그리고 염색체 응축(chromosomal condensation)과 같은 주요 작용에서 매 우 중요한 역할을 한다.

인간 게놈은 전사 상태에 따라 활발히 전사되는 진정염색 질(euchromatin)과 전사가 불활성화된 이질염색질(hetero- chromatin)로 나누지며, 진정염색질은 아세틸화와 삼기메틸 화(trimethylated)된 H3K4, H3K36 그리고 H3K79의 수위 가 높은 것이 특징이고, 이질염색질은 아세틸화는 적고 H3K9, H3K27 그리고 H4K20 메틸화 수위가 높은 것이 특징이다.

최근의 연구는 히스톤 변형 수위로 유전자 발현을 예측할 수 있는 것으로 보고하였는데, 전사가 활발한 유전자의 경우 촉진자(promotor)에는 H3K4me3, H3K27ac, H2BK5ac 그 리고 H4K20me1이 유전자 몸통에는 H3K79me1과 H4K- 20me1이 높은 수위로 나타나는 것이 특징이다.7 히스톤 변 형과 DNA의 메틸화는 상호작용을 통해 후성유전에 작용 하는데, 예를 들어 DNMT3TL은 히스톤 H3 꼬리에 특이적 으로 작용하여 DNMT3A를 불러들여 DNA 메틸화를 유도 하는 반면 이러한 작용은 H3K4me에 의해 강력하게 억제 된다.

지금까지 여러 가지의 전사후 변형을 촉진시키거나 제거 시키는 다양한 효소가 기술되었으나 아직은 히스톤 변형에 관여하는 모든 효소가 규명된 것은 아니다.⁸⁾ 밝혀진 효소중 에서 methyltransferase, histone demethylase와 kinase는 개개의 히스톤 소단위나 잔기(residue)에 특이적으로 작용하 나, histone acetyltransferase(HAT)와 histone deacetylase (HDAC)은 비특이적으로 하나 이상의 잔기와 작용한다. 따 라서 각 효소의 특성을 반영하기 위해서는 특이성에 대한 이 해가 선행되어야 한다.

뉴클레오솜 배치(Nucleosome Positioning)

뉴클레오솜은 활성제와 전사인자가 DNA의 고유 위치에 접근하는 것을 막음으로써 전사의 장애물 역할을 하며, 중 합효소에 의한 전사의 연장을 억제하는 기능을 한다. DNA 를 뉴클레오솜으로 포장하는 것은 전사의 모든 단계에 영 향을 줌으로서 유전 발현의 조절에 관여하게 된다. 특히 전 사 시작 부위 주변의 뉴클레오솜의 정확한 위치는 전사의 시작에 중대한 영향을 주어 뉴클레오솜이 전사시작부위보

다 겨우 수십 염기 쌍 정도만 위치가 벗어나도 RNA 중합 효소의 활동에 변화를 줄 수 있다. 유전자의 가장자리에는 전사용 도구(transcription machinery)의 조립 및 분해를 위한 공간을 제공하기 위해 뉴클레오솜이 존재하지 않는 부위가 필요하다. 전사 시작 부위의 인접한 상류의 뉴클레오솜의 소 실은 유전자의 활성과 강력한 연관이 있으며, 반면에 뉴클 레오솜에 의한 전사 시작 부위의 폐쇄는 유전자 억제와 관련 있다.⁹⁾ 뉴클레오솜 배치는 전사 인자가 표적 DNA 염기서 열로의 접근성을 결정할 뿐만 아니라 DNA의 메틸화에서도 중요한 역할을 하는 것으로 보고되었으며,¹⁰⁾ 뉴클레오솜이 자리잡는 방식에 따라 감수분열의 재조합에 직접 참여할 수도 있다.¹¹⁾

비용의 발생 병리기전과 후생유전학

비용은 비부비동 점막의 만성 염증성 질환으로 염증으로 부풀어 오른 부종성 종물이 비강으로 탈출하여 코막힘, 콧 물, 후각 감퇴 등의 증상을 일으킨다. 지금까지 비용의 병태 생리에 대한 다양한 연구가 진행되었지만 아직까지 정확한 병태생리에 대한 합의에 이르지 못하였다.¹²⁾ 그러나 대체로 점막 상피의 손상과 이로 인해 수반되는 염증 세포의 침윤 및 세포외간질의 축적이 중요한 병태생리로 알려져 있다.

비용의 기질에서 발견되는 섬유모세포는 세포외간질의 중요 공급원으로 비용의 성장 과정에 중요한 역할을 한다.¹³⁾ 섬유 모세포 중에서도 근섬유모세포는 섬유모세포의 활성화된 세포 표현형으로 섬유모세포와 비교하여 더 왕성한 세포외 간질 생산 능력을 가지고 있으며 비용 형성과도 밀접한 관계 를 가지고 있다.¹⁴⁾ 형질전환성장인자(Transforming growth factor)-β1는 비용에서 섬유모세포의 근섬유모세포로의 분 화와 세포외간질의 생산을 촉진하는 역할을 하는 성장 인자 로 비용의 발생에 관여한다.¹⁵⁾ 비용의 병태생리에서 TGF- β1은 섬유모세포의 활성화와 분화를 통해 기질의 섬유화를 일으킨다.¹⁶⁾

히스톤 아세틸화(histone aceylation)는 염색질 변형(chro- matin modification)의 한 형태로 histone acetyltransferase (HAT)와 HDAC에 의해 조절된다. HAT와 HDAC의 균형 을 통해 유전자의 발현의 수위를 조절하게 되며, 이들 효소 의 불균형은 여러 질환의 주요 병인이 된다.¹⁷⁾ Trichostatin A(TSA)는 주로 유전자 발현을 억제하는 histone deacety- lase(HDAC)의 억제제로 피부와 신장, 간, 각막 및 폐의 섬유 증에서 TGF-β1에 의한 세포외간질의 생산을 억제하는 것 으로 이미 알려져 있다.^18-23) 위 근거에 기반하여 저자들은

Fig. 3. Effect of trichostatin A (TSA) on myofibroblast differentiation and extracelluar matrix (ECM) production in transforming growth











7*)β- + + + 76$(Q0)- - 

5HODWLYHH[SUHVVLRQRI α60

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비용의 발생과 관련하여 TSA가 미치는 영향을 확인하기 위 하여 실험을 시행하였다.²⁴⁾ 해당 실험에서 저자들은 비용 조 직에서 HDAC과 근섬유모세포의 표지자인 α-SMA의 발 현 수위를 측정하고, TGF-β1에 의한 섬유모세포의 근섬유 모세포로 분화와 세포외간질 생산에 TSA가 미치는 영향을 살펴보았으며, 그 기전에 대한 연구를 진행하였다. 비용 조 직과 정상 하비갑개 조직에서의 HDAC2와 α-SMA의 발현 을 비교하여 비용 조직에서 HDAC2와 α-SMA의 단백 및 mRNA의 발현이 증가하고, HDAC2의 증가로 인한 히스톤 아세틸화의 불균형이 비용과 관련되어 있을 가능성을 확인 하였다. TSA는 TGF-β1에 의한 섬유모세포의 근섬유모세 포로 분화와 콜라겐으로 대표되는 세포외간질 생산을 억제 하였다(Fig. 3). 이러한 결과는 TSA에 의하지 않은 과아세틸 화(hyperacetylation)와 HDAC2의 선택적 억제가 TSA를 처 리했을 때와 유사한 결과를 보여 TSA의 효과가 HDAC2의 억제로 인한 것임을 재차 확인하였다. 세포내 신호전달물질 에 대한 실험에서 TSA는 Samd 2/3를 통해 비용유래 섬유

모세포의 분화에 관여하였다.

저자들은 앞서 시행한 in vitro 결과를 바탕으로 생체외조 직(ex vivo)으로 다시 살펴보았다.²⁵⁾ 18명의 환자로부터 채 취한 비용 조직을 사용하였으며, 비용 조직을 TGF-β1으로 자극한 후 TSA를 처리한 뒤 α-SMA, fibronectin, 제 1형 콜 라겐의 수위를 mRNA와 단백의 발현 정도로 확인하였다.

결과에서 TGF-β1는 α-SMA, fibronectin, 제 1형 콜라겐의 발현을 증가시켰고 TSA의 처치는 α-SMA, fibronectin, 제 1형 콜라겐의 발현에 대한 TGF-β1의 효과를 역전시켰다 (Fig. 4). 이러한 결과를 바탕으로 저자들은 비용에서의 섬유 모세포의 근섬유모세포로의 분화와 세포외간질의 생산에 후생학적 조절이 관여하고 TSA와 같은 후생학적 조절과 관 련된 물질이 비용의 치료를 위해 앞으로 응용될 수 있을 가능 성을 확인하였다.

비용의 병태생리에 대한 접근 방법은 다르지만 DNA의 메 틸화도 비용의 발생에 관여할 가능성이 제시되었다. Perez- Novo 등은 포도상구균 내독소 B가 염증이 동반된 코의 조

Fig. 4. Immunofluorescent staining of α-SMA and fibronectin expression were captured and visualized by confocal z-stack laser

직에서 DNA 메틸화 형태에 변화를 줄 수 있음을 보였다.²⁶⁾ 연구자들은 3인의 만성비부비동염 환자로부터 비용을 적출 하여 포도상구균 내독소 B의 자극 유무에 따라 DNA 메틸 화의 형태가 다름을 보였다. 비록 DNA 메틸화의 구체적인 비용의 병태생리와의 관계를 보이지는 않았지만 DNA 메틸 화가 초항원이 코점막의 면역 기능을 조절하는 기전이 될 수 있는 가능성을 보였다.

결 론

아직 비용의 발생과 관련된 명확한 기전이 밝혀져 있지 않 은 여건에서 저자들은 후생유전학이 비용의 병태생리와 관 련이 있을 가능성을 확인하였다. 하지만 아직은 비용과 관련 된 저자들의 후생유전학적 연구가 히스톤 변형에만 국한된 연구 결과이며 생체내실험까지 확장하여 검증한 단계는 아 니기 때문에, 또한 후생유전학이라는 연구 분야가 아직은 여러 가지의 풀어야 할 문제점을 안고 있기에 추후에도 지 속적인 연구가 필요하다.

중심 단어：후성유전학·비용·트리코스타틴 A·세포외기 질·섬유모세포.

Acknowledgments

이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연 구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2015R1C1A1 A02037312).

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