Gun들지마의 Bioinformatics 생명정보학

이 글은 Nature Reviews Neuroscience에 게재된 Katherine Whalley의 "Neurodevelopmental Disorder: a Targeted Rescue"를 번역 및 정리한 글입니다. 기사 원문은 여기서, 논문은 여기서 찾아보실 수 있습니다.

취약 X 증후군 (Fragile X syndrome; FXS) 은, 마틴-벨 증후군이라고도 하며 주로 정신 지체, 평발, 긴 얼굴, 큰 귀 등의 증상을 가지고 있는 유전병입니다. X 염색체의 끝 부분이 너덜거려 떨어져나갈 것 같이 보여서 붙여진 이 병은, 사실은 X 염색체에 위치한 FMR1 유전자에 CGG 염기 서열이 비정상적으로 반복되어서 나타나는 증상으로, 알려진 치료법은 현재 없습니다. 남자는 대략 4천명 중에 한명, 여자는 8천명 중에 한명 꼴로 나타나는 병입니다.

최근의 연구에 의하면, FXS 의 발병 원인이 FMR1 유전자의 후성유전적인 비활성화 (silencing)에 의한 것을 밝혀내어, 이 비활성화를 제거한다면 FXS와 관련된 정신지체를 치료할 수 있다고 주장하였습니다. MIT 생물학 교수인 Jaenisch 와 그 팀은, 그들의 최신 연구에서 특정한 염기 서열을 비메틸화하게 하는 도구를 사용하여, FMR1 유전자를 재활성화 시키고 FXS 환자에게서 채취한 세포에서 보이는 여러가지 비정상적인 표현형을 되돌릴 수 있다는 것을 보여주었습니다.

Fragile X syndrome에 관한 동영상 설명. 출처: 위키피디아

FXS 환자에서는, FMR1 유전자의 비활성화는 길게 확장되어 과메틸화된 CGG 염기서열의 반복이 5' UTR (untranslated region)에 존재하는 것과 연관되어 있습니다. 이 부분을 DNA 메틸화 편집 타겟으로 하기위해, 연구자들은 FXS 환자로부터 채취한 유도만능줄기세포 (induced pluripotent stem cell; iPSC) 를 두개의 바이러스 벡터로 감염시켰습니다. 하나는 DNA 탈메틸화를 유도하는 methylcytosine dioxygenase TET1 의 활성화된 형태와 nuclease Cas9의 비활성화된 형태로 이루어진 합성 단백질을 발현시키는 벡터이고, 다른 하나는 Cas9 과 확장된 CGG 부분에 정확히 들러붙는 RNA를 발현시키는 벡터입니다.

이 '수정된' iPSC 에서는 FMR1 유전자에 위치한 CGG 확장 부분의 메틸화 레벨이 현저하게 감소하였으며, 원래의 수정되지 않은 세포와 비교하여, 건강한 인간 배아줄기세포의 FMR1 발현 정도의 90% 까지 회복되는 것이 관찰되었습니다. FXS 환자의 iPSC에서 생성된 이미 분화된 뉴런이 이 벡터들에 노출되었을 때에, 그 효과 또한 (다소 적기는 하지만) 비슷하였습니다. 더군다나, 수정된 FXS 환자의 iPSC 에서 생성된 뉴런 전구세포 (precursor cell) 들이 쥐의 뇌에 주입되었을 때에, 그 세포들은 뉴런으로 분화되어 FMR1 활성화가 주사 후 몇달 간이나 지속되었습니다. 이것은 FMR1 재활성이 동물 체내에서 지속될 수 있다는 가능성을 시사하는 것입니다.

FMR1 유전자의 CGG 확장 부분에서 일어나는 과메틸화 (hypermethylation) 는 FMR1 프로모터에서 RNA polymerase 의 비접근성과 후성유전적인 유전자 발현 억제 인자로 특징지어지는, 염색질이 단단히 뭉친 형태인 이상염색질 (heterochromatin) 의 형성을 유발한다고 간주됩니다. 연구자들은 FXS 환자의 수정된 iPSC 에서 발견되는 이 FMR1 프로모터가 발현 억제 인자의 감소와 활성화된 염색질 인자의 존재를 증가시키는 것을 발견하였으며, 이것은 확장된 CGG 반복 영역의 탈메틸화는 FMR1 프로모터가 유전자 발현을 가능하게 하는 활성화된 형태를 가지도록 유도한다는 것을 시사합니다.

신경 기능에서 FMR1 유전자의 CGG 반복 확장 영역의 과메틸화를 되돌리는 것에 대한 효과를 관찰하기 위해, 연구자들은 FXS iPSC의 수정된 유형과 수정되지 않은 유형을 뉴런으로 분화시켜 그 전기생리학적인 성질을 관찰하였습니다. FXS 환자들의 뉴런에서 관찰되는 과잉민감성 (hyperexcitability) 과 동일하게, 수정되지 않은 iPSC 에서 분화된 뉴런은 정상보다 높은 신경 점화율 (firing rate)를 보였습니다. 하지만, 수정된 iPSC 에서 분화된 뉴런은 신경 점화율이 정상 수준으로 회복된 것이 관찰되었습니다. 전기생리학적인 성질은 분화된 후에 탈메틸화가 일어나더라도 정상 수준으로 되돌아 왔습니다.

이 연구는 DNA 메틸 수정 기법이 다양한 질병에 DNA 메틸화가 미치는 영향을 연구하는 도구로 사용될 수 있다는 것을 보여주었으며, DNA 메틸화로 인해 억제된 FMR1 유전자를 되돌려서 FXS 환자의 신경 기능을 치료할 수 있는 가능성을 보여주고 있습니다.

Reference:
Liu et al. (2018) Rescue of fragile X syndrome neurons by DNA methylation editing of the FMR1 gene. Cell. 172(5):979-992.e6

이 글은 "Denna sida på svenska"의 "Asthmatics show DNA changes in immune cells"를 번역 및 정리한 글입니다. 원문은 여기서 찾으실 수 있습니다.

아동 천식환자는 면역 체계의 특정한 세포에서 후성유전적인 DNA 변화를 가진다고 Karolinska Institutet 의 연구자들이 대규모 국제 연구에서 밝혔습니다. The Lancet Respiratory Medicine 에 게재된 이 연구는 추후 개선된 진단과 치료로 이어질 수 있습니다.

천식은 기도의 만성적인 염증에 의해 유발된 호흡기 질환입니다. 스웨덴에서만 대략 80만 명이 천식 환자이며, 그 중 약 5만 명은 일상 생활에 지장이 있을 정도로 심각한 증상을 가지고 있습니다. 천식은 유전적인 요소와 환경적인 인자의 조합으로 유발된다고 추정되지만, 아직까지 많은 부분이 밝혀지진 않았습니다.

네덜란드의 Groningen University 와 협업하여, Karolinska Insitutet 의 연구자들은 후성유전적인 변화가 천식과 관련이 있을 수 있다는 대규모의 연구를 진행해 왔습니다. 후성유전은 언제, 어디서 서로 다른 유전자가 활성화 되는지 결정하며, DNA 메틸화는 그 중 가장 잘 알려진 유전자 발현 조절 기작입니다. 이 연구의하면 천식 환자들은 건강한 사람들에 비해 특정한 면역 세포에 낮은 수준의 DNA 메틸화를 가지는 것을 밝혀내었으며, 특히 에오신 호산 백혈구 (eosinophils) 라 알려진 천식성 염증에 결정적인 역할을 하는 세포에서 그것이 관찰된다고 합니다. 연구자들은 어린이의 천식과 관련된 14개의 유전자에서 DNA 변화를 관찰하였지만, 이 변화는 어린이가 출생할 당시에는 없었던 것이라고 합니다.

Erik Melén. Photo: Stefan Zimmerman

질병 기작의 이해에 관한 열쇠

"우리 연구 결과는 질병 기작의 이해에 관한 열쇠라고 생각합니다. 아직까지 후성유전적 변화가 천식을 (직접적으로) 유발한 것을 밝혀내지는 못했지만 말이죠" 라고 Karolinska Institutet 환경 약학부 (Institute of Environmental MEdicine) 의 Erik Melen 교수는 말하였습니다. "우리 연구의 결과는 천식 환자의 저레벨의 DNA 메틸화가 천식 진행의 중심적인 역할을 하는 면역 세포의 활성화를 증가시킨다는 것입니다."

이 연구는 Erik Melen 교수가 주도한 스웨덴 출생 연구 집단 BAMSE를 포함한 유럽 10개국의 어린이 5천명 이상을 대상으로 진행 되었습니다. 이것은 EU MeDALL (Mechanisms of the Development of Allergy) 프로그램 소속 유럽 연구자들과의 장기간 협업의 결과 입니다.

"이 연구는 현재까지 가장 큰 규모의 천식에 관한 후성유전학적 연구이며, 우리는 이 발견이 더 나은 진단과 치료의 가능성으로 연결되기를 희망합니다.." Melen 교수는 이어서 말했습니다. "후성유전적인 조절을 타겟으로 하는 것은 새롭고 흥미로운 치료 방법이 될 수 있을 것입니다."

더 자세한 연구 결과는 Melen 교수의 논문에서 찾아보실 수 있습니다. 

Reference:

Xu et al. (2018) DNA methylation in childhood asthma: an epigenome-wide meta-analysis. Rancet Respir Med 

비료를 뿌리고 있는 인도의 한 농부. 질소를 공기로부터 직접 고정할 수 있는 식물은 이러한 비료의 사용을 줄일 수 있습니다. 사진출처: Visuals Stock/Alamy Stock Photo

질소는 농산물 생산량을 결정짓는 주요 영양소 중의 하나이므로, 질소 기반의 화학 비료는 정기적으로 농업에 이용되고 있습니다. 선진국에서는, 이러한 비료의 과도한 사용이 환경 및 비용 면에서 문제가 되고 있으며 (1), 반면에 후진국에서는 이 비료의 부족으로 농작물 생산량이 감소하여 굶주림과 영양 실조를 초래합니다. 이러한 문제들은 만약 식물이 대기 중에서 바로 질소를 흡수 및 사용할 수 있다면 대부분 해결될 것입니다.

약 100년 전에는 과학자들이 질소를 고정하는 박테리아를 농작물의 뿌리에 공생관계로 만드는 시도를 하였습니다 (2). 현대의 DNA 기반 기술의 발전은 1970년대에 두번째 방법을 고안해내게 했습니다. 그것은 질소 고정 관련 유전자를 식물에 직접 주입하는 것이었습니다. 하지만, 이러한 방법은 당시에는 현실화 되지 못하였습니다 (3, 4). 이 글에서는 두번째 방법인 질소 고정 유전자를 식물에 주입하여 nitrogenase (주. 질소를 고정하여 암모니아로 만드는 효소)를 만들게 하는 연구의 현재와 미래에 대해 살펴보겠습니다.

생명체에서 질소를 고정하는 반응은 Nitrogenase 에 의해 진행되며, 이 효소는 여러 유전자를 요구하는 복잡하고 산소에 매우 민감한 효소입니다 (5). 가장 연구가 활발하게 진행된 nitrogenase 인 molybenum (Mo) nitrogenase 는 철분 (Fe) 단백질인 NifH 와 MoFe 단백질인 NifDK 로 구성되어 있습니다 (5). 유전자 적인 측면에서 볼 때에, 대장균에서 Mo nitrogenase 의 활성화를 위한 최소한의 요소는 위의 두 단백질을 발현하는 유전자 (nifH, D, K)와 구조적인 요소의 정확한 폴딩을 위한 샤페론 (nifM), 전자 전달 단백질 (electron-transfer protein) 유전자인 nifF와 J, 그리고 공동인자 조립 단백질 (cofactor assembly protein) 등이 필요합니다 (3, 6).

López-Torrejón 등은 질소 고정 박테리아인 Azotobacter vineladii 의 nifH 와 nifM 유전자를 효모인 Saccharomyces cerevisiae 의 유전체에 집어넣는 데 성공했습니다 (7). NifH 와 NifM 의 발현은 공동인자 조립 단백질 (NifS, NifU)이 없는 상태에서도 활성화된 nitrogenase Fe 단백질을 생성하였습니다. 이 결과는 미토콘드리아가 산소에 민감한 Fe 단백질을 보호하여 그 단백질의 조립을 성공적으로 할 수 있다는 것을 보여주었습니다.

질소 고정 식물의 예상도. 박테리아 유전자인 nif를 식물에 집어넣어 대기 중의 질소를 식물에서 직접 고정할 수 있도록 하는 연구가 진행되고 있습니다. 이러한 식물을 농작물로 사용한다면 비료의 사용을 줄일 수 있을 것입니다. ADP: adenosine diphosphate, Pi: inorganic phosphate, 그림 출처: A. Kitterman/Science

Nitrogenase 유전자를 식물에 직접 집어 넣는 연구도 진행 중에 있습니다. Progress has also been made in introducing nitrogenase genes into plants. Ivleva 등은 nifH 와 nifM 유전자를 담배 엽록체 유전체에 삽입하여서 이 유전자 조작 식물이 어느 정도의 Fe 단백질을 발현하는 것을 입증하였습니다 (8). Burén 등은 호열성 메탄 생성 미생물인 Methanocaldococcus infernus 로부터 얻은 인공 NifB 단백질을 담배에서 발현하였습니다 (9). Allen 등은 담배 작물에서 다양한 nitrogenase 단백질이 미토콘드리에를 타겟으로 일시적으로 발현 가능한 것을 보여주었습니다 (10). 또한, Yang 등은 식물에 기반한 전자 전달 연쇄계 (electron transport chain) 작용이 박테리아의 전자 전달 요소를 대체할 수 있다는 것을 보였습니다 (11)

이러한 연구들은 과학자들이 다양한 nitrogenase 유전자의 기능을 분석할 수 있는 가능성을 열어주는 것으로, 유전자 조작 식물들이 nitrogenase 중 산소에 민감한 부분인 Fe 단백질을 여러 세포 소기관에서 생성하여 박테리아에서 생성된 MoFe 단백질과 합쳐지면 기능을 발휘할 수 있는 것입니다 (7). 하지만, 이를 위하여 극복해야할 장애물들도 여전히 존재합니다. 예를 들어, 식물에서 생성된 nitrogenase 가 활성화 되기 위한 nif 유전자의 최소 개수, 식물의 어떠한 세포 소기관 (엽록체 혹은 미토콘드리아)를 타겟으로 할 지의 여부, 그리고 제 기능을 하기 위한 최적의 nitrogenase 발현양 등이 있습니다. Nitrogenase 는 대량의 ATP 를 사용하지만, 질소를 고정시키기 위한 에너지는 이론적으로 질산을 흡수하기 위한 에너지와 동일합니다 (12). 게다가, 콩과 식물에서 질산의 유무에 따른 생화학적인 질소 고정에 필요한 에너지를 측정하려는 시도는 식물의 생장에 (뿌리의 초기 성장기를 제외하면) 거의 영향이 없다는 것을 밝혀내었습니다 (12). 질소 고정의 생산물인 암모니아는 식물에게 독성을 가지지만, 식물은 암모니아를 미토콘드리아에서 세포질로 이동 시키고 그 후 물관 (xylem)으로 이동 시키는 ammonium gransporter 를 가지고 있습니다. 질소 고정의 결과로 생산된 암모니아가 식물에게 독성을 갖기에 충분한 양이 된다면, 어떤 면에서는 이 연구에 흥미로운 성공을 나타낼 수도 있을 것입니다.

유전자 조작된 식물이 연구실에서 nitrogenase 의 발현을 나타내게 된다면, 이러한 기술을 실제 농업에 적용 하는 데에도 많은 장애가 있을 것입니다. 유전자 조작 식물에 대한 대중의 편견을 차치하고도 말입니다. 모든 부작용들을 예상할 수는 없지만, 가장 좋은 방법은 과학자들 사이에서 질소 고정 식물 개발에 사용되는 모델 식물을 정하는 것도 포함할 것입니다. 유용한 쌍떡잎 식물 중에는 고전적인 모델인 담배를 포함하여 콩과가 아닌 씨앗에서 기름을 얻는 유채, 혹은 쌀과 밀 또한 좋은 선택이 될 것입니다.

질소 고정 식물의 개발로 인한 경제적인 이익은 상당할 것으로 예상됩니다. 전세계 적으로, 매해 1천억 달러 이상의 돈이 비료에 사용되며, 이 규모는 환경적인 이득을 포함하면 더욱 커질 것입니다. 미국에서만 농업 관련 질소 환경오염은 매년 1천5백7십억 달러의 비용이 드는 것으로 추산됩니다 (13). 비료의 사용은 기후 변화에도 영향을 미칩니다. UN의 기후 변화에 관한 정부간 협의체 (The Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC) 는 질소 비료의 1%가 질산의 형태로 소실되며, 이것은 3억톤의 이산화탄소와 동일한 영향을 끼치고, 매해 45억 달러의 가치가 있다고 합니다 (14). 질소 고정 식물은 식품 생산의 가격을 줄일 뿐 만 아니라, 이론적으로는, 많은 환경적인 비용도 해결할 것으로 예상됩니다.하지만, 현재 전세계에서 이러한 연구에 투자되는 비용은 비료에 쓰이는 어마어마한 돈의 극히 일부분인 5백만 에서 1천만 달러 사이일 뿐입니다.

충분한 연구비가 투자된다면, 앞으로 10년 안에 대기에서 질소를 흡수하는 유전자 조작 식물이 나오는 것도 불가능 한 일은 아닐 것입니다. 하지만, 진정한 어려움은 실제 농업에서 쓰일 정도로 실용성이 있느냐 입니다. 질소 고정에 관한 생화학적 및 유전자적인 현재의 우리의 이해도 및 최근의 식물 변형 기술의 발전으로 보아, 질소 고정 농작물의 꿈은 앞으로 수십년 안에 이루어질 것으로 보입니다.

References
1. J. N. Galloway et al., Science 320, 889 (2008).
2. T. J. Burrill, R. Hansen, Ill, Agric. Exp. Stn. Bull. 202, 115 (1917).
3. E. J. Vicente, D. R. Dean, Proc, Natl, Acad, Scie. U.S.A. 114, 3009 (2017).
4. P. H. Beatty, A. G. Good, Science 333, 416 (2011).
5. L. C. Seefeldt et al., Annu. Rev. Biochem. 78, 701 (2009).
6. J. Yang et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111, E3718 (2014).
7. G. Lopez-Torrejon et al., Nat. Commun. 7, 11426 (2016).
8. N. B. Ivleva et al., PLOS ONE 11, e0160951 (2016).
9. S. Buren et al., Front. Plant Sci. 8, 1567 (2017).
10. R. S. Allen et al., Front. Plant Sci. 8, 287 (2017).
11. J. Yang et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114, E2460 (2017).
12. I. R. Kennedy, Y. T. Tchan, Plant Soil 141, 93 (1992).
13. D. K. Sobota et al., Environ. Res. Lett. 10, 025006 (2015).
14. Based on the current value of CO₂ on the California carbon exchange of $15 ton. IPCC; 1% = 1 MMT = 30 MMT carbon equivalents. At a current cost of $15 per MT, this is equivalent to $4.5 billion annually.