게놈(genome)이란 생물이 가지는 모든 유전 정보를 뜻하는데요. 흔히 '유전체'라고도 합니다. 그동안 많은 연구에서는 1차원적인 게놈 서열 정보만을 토대로 인간 게놈 해독과 질환과의 연관성을 규명하려고 했었는데요. 게놈의 98%를 차지하는 비전사 영역에 존재하는 다수의 중요한 유전 정보를 해독하지 못하는 한계를 보여왔습니다.
하지만 최근 이러한 비전사 영역에 존재하는 유전 정보를 3차원 게놈 구조 규명을 통해 해독이 가능하다는 사실이 여러 연구를 통해 보고됩니다. 참고로 3차원 게놈 구조는 멀리 떨어진 두 게놈 지역이 공간상에서 인접해 상호 작용하는 현상을 말합니다.
3차원 게놈 지도 해독 성공
KAIST 생명과학과 정인경 교수와 미국의루드윅암연구소(Ludwig Institute of Cancer Research) 빙 렌 (Bing Ren) 교수 공동 연구팀이 인체 조직의 3차원 게놈 지도를 해독해냈습니다. 이 연구는 국제학술지 <Nature Genetics>에 게재됐습니다. 연구팀은 인체의 27개 부위 조직의 3차원 게놈 지도를 분석했습니다. 치매와 심혈관계 질환을 포함한 2만 7천여 개 이상의 복합 질환 관련 유전 변이 기능을 예측했습니다.
지금까지 수 많은 연구를 통해 알츠하이머병, 파킨슨병, 자가면역질환 등 다양한 복합 질환의 원인을 규명하려는 시도가 이어졌습니다. 실제로 다수의 질환과 관련된 중요 유전변이가 발견됐습니다. 하지만 이들 대부분의 유전변이는 DNA가 단백질을 생성하지 않는 비전사 영역에 존재했습니다. 이에 1차원적 DNA 서열 분석에 기반한 유전체 연구로는 모든 기능을 규명하기 어려웠습니다.
기존 연구에서는 비전사 영역에 존재하는 유전 변이의 기능 해독을 단순히 인접한 유전자에 기반해 연구를 진행했습니다. 하지만 3차원 게놈 구조 연구는 지난 10년간 비약적으로 발전했습니다. 비전사 영역에 있는 유전변이도 염색질고리구조(chromatic loop)를 통해 멀리 떨어진 유전자를 조절할 수 있다는 모델이 제시됐습니다. 참고로 염색질고리구조는 3차원 게놈구조로 인해 형성됩니다. 그러나 이러한 3차원 게놈 구조 연구는 몇 가지 세포주를 대상으로만 국한돼 있었습니다. 질환과 직접적으로 연관을 갖는 각 인체 조직을 표적으로 한 게놈 3차 구조는 규명되지 않았습니다.
3차원 게놈 지도 어떻게 작성했나
이에 연구팀은 인체 내의 27개 조직을 대상으로 '표적 염색질 3차 구조 포착법(promoter-capture Hi-C)'기법을 활용했습니다. 이는 게놈의 3차원 구조를 규명하기 위해 전사촉진 부위만을 선택적으로 분석하는 신규 실험 기법입니다. 이를통해 연구팀은 고해상도 3차원 게놈 참조 지도를 작성했습니다. 그 결과 인간 게놈에 존재하는 약 90만 개의 게놈 3차원 염색질 고리 구조를 발굴하고 이들 중 상당수가 각 인체 조직에 특이적으로 존재한다는 사실도 규명했습니다.
연구팀은 3차원 게놈 구조를 기반으로 지금까지 기능이 명확하게 정의되지 않은 2만 7천 여 개 이상의 질환 연관 유전 변이의 표적 유전자를 정의했습니다. 또한, 이러한 변이들의 기능을 예측했습니다. 나아가 각 질환의 표적 유전자의 유사도를 기반으로 질환과 질환 사이의 신규 관계를 규명했습니다. 이를 바탕으로 여러 질환에 공통으로 관여하는 신규 분자 기전을 제시했습니다.
"복잡 질환 기전 규명을 위해서 비전사 게놈의 중요성을 강조했습니다. 또한 존재하는 다수의 중요 유전변이를 3차원 게놈 구조 해독을 통해 규명했습니다. 이번 연구결과는 퇴행성 뇌 질환을 포함한 다양한 복합 질환의 신규 기전 규명과 표적 발굴에 활용될 것입니다"
-정인경 교수-
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