Gun들지마의 Bioinformatics 생명정보학

조금 지난 글이긴 하지만, 오늘 세미나에서 흥미로운 이야기를 듣고 번역하기로 마음먹었습니다.
원 글은 여기에서 보실 수 있습니다.

The Case of the Midwife Toad: Fraud or Epigenetics? 

by Elizabeth Pennisi

획득된 유전. Kammerer의 산파개구리 (midwife toad)는 그 다리에 알을 운반하는 대신에 물에 알을 낳는다.  사진출처: NEIL HARDWICK PHOTOGRAPHY, PHOTOGRAPHERSDIRECT.COM

폴 캄머러(Paul Kammerer)는 20세기 초, 과학계에서 가장 유명한 부정행위 중 하나의 범인으로 불려져 왔습니다. 그와 동시에 그는 연구실 조수가 저지른 위조의 희생양으로 불리기도 하였고, 어떤 사람들은 정치적 혹은 과학적 반대파의 함정에 빠진 것이라고도 합니다. 이번 주에 나온 새로운 연구 (역주: 이 기사는 2009년 9월에 발행되었습니다) 는 이제 그의 악명 높은 실험이 최근 각광 받고 있는 분야인 후성유전을 최초로 보여주었다는 것을 밝혀내었습니다.

이 이야기는 1900년대 초에 시작합니다. 오스트리아의 생물학자인 캄머러는 생명체의 일생 동안 획득한 형질이 다음 세대로 전해져 내려올 수 있다는 라마르크의 견해를 굳게 믿었습니다. 그는 라마르크적인 상속 (Lamarckian inheritance)이 도마뱀과 멍게를 포함한 다양한 생명체에서 관찰되며, 그 중 산파개구리 (midwife toad, Alytes obstetricans)는 그가 발표한 가장 유명한 증거였습니다.


대부분의 개구리와 두꺼비는 물 속에서 교미를 하고 수중 환경에서 산란을 합니다. 하지만 산파개구리는 육지생물입니다. 암컷과 수컷은 마른 땅위에서 만나 교미를 하고, 그 즉시 수컷이 알 띠를 자신의 다리에 감싸서 알에서 올챙이가 부화할 때까지 지니고 다닙니다.

물 속에서 교미를 하는 개구리는 그 앞다리에 교미 패드(nuptial pad)라고 불리는 특징적인 색깔을 지닌 돌기가 있는데, 그것은 수컷이 축축하고 미끄러운 암컷을 끌어안을 수 있도록 도와줍니다. 육지에서 교미하는 습성 때문인지, 산파개구리는 이러한 교미 패드를 가지고 있지 않습니다. 적어도 캄머러가 그의 실험을 시작했을 때만 해도 말이죠.

캄머러는 이 개구리들을 건조하고 무더운 환경에 가둬서 개구리가 교미한 후에 그 알을 물 속에 낳게 되도록 유도했습니다. 대부분의 알은 죽어버렸지만, 그 중 3-5퍼센트의 알이 살아남았고, 생존한 개구리는 그 부모의 육지성 생활 습성을 잃어버렸습니다. 살아남은 개구리들은 시원하고 습한 환경에서도 교미와 산란을 물속에서 하는 것을 택했습니다. 캄머러는 이러한 습성이 그가 연구한 여섯 세대 내내 나타났다고 발표했습니다.

더 놀라운 것은, 세번째 세대에서는 앞다리에 피부가 두꺼운 부분이 나타났으며, 두 세대 이후에 이것은 진짜 교미 패드가 되었다고 캄머러는 보고했습니다. 산란된 알도 또한 더 두꺼운 점액질을 가지고 난황 부분이 줄어들었으며, 올챙이의 지느러미 크기가 커지는 등의 수중 생활에 유용한 특성들도 나타났다고 합니다.

마침내, 캄머러가 이러한 "수중 습성의" 개구리를 보통의 개구리와 교미 했을 때에, 그는 이 "수중 습성의" 형질들이 멘델의 유전 법칙에서 관찰할 수 있는 비율로 나타나는 것을 관찰할 수 있었습니다. 인디아나 대학교의 과학 역사가인 Sander Gilboff에 따르면, 캄머러는 이렇게 생겨난 유전적 형질들이 새로운 세대에 물려진다고 생각했다고 합니다.

시대의 희생양일까? 오스트리아의 생물학자인 캄머러는 결과적으로 거짓이 아닌 연구로 인해 불명예를 입은 것일지도 모릅니다. CREDIT: © BETTMANN/CORBIS 

캄머러의 동료들은 이 결과에 경악했습니다. 그리고 그는 곧 과학계의 큰 손들에 의해 수많은 공격을 받기 시작했습니다. 결정적인 치명타는 1926년에 미국 자연사 박물관의 파충류학자인 G. Kingsley Noble이 캄머러의 "수중생활" 개구리의 마지막 표본을 관찰하고 개구리의 앞다리에 먹물이 주사된 것을 발견했을 때였습니다. Noble은 1926년 8월 7일 네이쳐지에소 "우리는 패드가 없다는 사실을 확정적으로 증명하였다"라고 하면서, "이 표본이 패드가 있었는지 여부는 추측에 불과할 뿐이다"라고 썼습니다. Noble과 그의 동료들은 패드와 변색된 부분을 보이는 클래머의 사진에 이의를 제기하면서, 산파 개구리가 원래 가지고 있는 것으로 확인할 수 없다고 주장하였습니다.

이후 두 달이 안되어서 캄머러는 오스트리아의 산속에서 자살하였습니다. 어떤 이들은 그가 불명예로 인하여 자살했다고 하기도 하고, 다른 이들은 실연 때문이라고도 합니다. 이유가 무엇이었던 간에, 캄머러는 그의 죽음 이후에도 많은 논쟁을 불러일으켜 왔습니다. 이 사건에 관한 아서 쾨슬러(Arthur Koestler)의 책이나, TV 다큐멘터리, 소련에서 제작된 영화 등은 모두 캄머러를 희생양으로 보았습니다. 캄머러는 " 한 천재가 어떻게 추락할 수 있는지 보여주는 과학계 부정행위의 전형적인 예이거나, 과학계에서 기득권에 대항하는 모든 세력의 영웅으로 여겨지기도 한다"고 예일 대학교의 Gunter Wagner 교수는 말했습니다.

이제 산티아고 칠레 대학교의 진화 발달 생물학자인 알렉산더 발가스(Alexander Vargas) 이야기를 해볼까 합니다. 그는 21세기의 관점으로 이 사건을 자세히 조사했습니다. 그는 2009년 9월 3일에 발행된 Journal of Experimental Zoology Part B: Molecular and Developmental Evolution에서 캄머러의 실험이 근래에 잘 알려진 후성 유전의 결과라고 주장했습니다. 영국 캠브리지 대학의 발달 생물학자인 Azim Surani는 "그 당시에는 밝혀지지 않았던 잠재적인 기작만이 그의 관찰을 설명할 수 있다"고 말했습니다. 발가스는 덧붙여서 이것은 "과학적인 몰이해의 비극적인 사건"이라고 말했습니다. 

생후에 획득된 형질은 후세에 유전되는 것 처럼 보이기도 하는데, 이것은 DNA에 일어나는 화학적 변화의 결과가 다음 세대로 유전되기 때문입니다. DNA의 염기서열은 그대로지만, DNA에 메틸기의 추가와 제거는 특정한 유전자를 비활성화 시키기도 합니다. 이러한 변화가 후성유전의 근간이 됩니다.

캄머러는 비 멘델 유전인 후성유전의 진정한 발견자였을 수도 있습니다

발가스는 캄머러가 또한 부친과 모친 중 특정한 쪽으로만 유전이 될 때 나타나는 형질인 "부모 기원 영향" (parent of origin effect)을 깨달았다고 지적했습니다. 캄머러의 실험에서, 부계(父系)가 (물 속에 알을 낳는) "수중형질" 개구리 일 때, 다음 첫 세대의 100퍼센트와 그 다음 세대의 3/4가 "수중형질" 개구리가 되었다고 나와있습니다. 하지만, 만약 부계가 기존의 육상동물의 특징을 가지고 있다면, 그 반대도 사실이라고 하였습니다. 이 기이한 관찰 결과는 "캄머러의 가설을 더 복잡하게 만들었으며, 그의 데이터에 의구심을 품게 만들었다"고 발가스는 저술하였습니다. 또한 발가스는 비슷한 현상이 쥐의 털 색깔 유전에서 관찰 되었는데, 이것은 Agouti variable yellow라 불리는 유전자의 후성유전적 변화에 기원한다고 덧붙였습니다.

발가스는 캄머러의 개구리 알 주위의 점액질이 변형되면 일부 유전자가 비정상적으로 메틸화 될 수 있다고 제안했습니다. 모든 척추 동물은 이러한 점액 코팅을 가지고 있으며, 정자와 난자의 수정 직후 바로 제거하면 초기 배아에서 DNA 메틸화가 감소될 수도 있다고 발가스는 지적했습니다.

변형된 메틸화 패턴은 포유류, 특히 순종이 아닌 잡종에서 신체 크기에 영향을 미치고 부모 기원 영향 (parent-of-origin effect)는 새의 난소 크기에 영향을 미칩니다. 마찬가지로 이는 수중생활 개구리의 더 큰 신체 사이즈와 그 알의 더 작은 사이즈의 원인이 될 수도 있습니다. "캄머러는 비 멘델 유전인 후성 유전의 진정한 발견자였을 수도 있습니다"라고 발가스는 결론지었습니다. 그리고 후속 세대에 걸친 이러한 형질의 강화는 메틸화 레벨의 증가된 양의 반영일 수도 있으며, 과 메틸화된 Agouti yellow gene 유전자를 지닌 마우스의 털이 더 어두운 것과 유사한 현상으로 보입니다.

발가스는 후성유전적 기작이 수중 생활의 형질을 이끌어내며 산파 개구리의 극히 일부가 수중 산란에서 살아남도록 해주는 희소한 열성 형질과 교미 패드가 연관되어 있을 지도 모른다고 제안했습니다. 결국, 교미 패드 열성 유전자를 가진 각각의 두 생존 개체가 교미하여 교미 패드의 발현을 유발한 것입니다.

발가스는 캄머러의 실패의 결정적인 원인이 된 먹물에 대해서는 설명하지 않았습니다. 쾨슬러를 비롯한 몇몇은 그것을 질투심 많은 연구조교 혹은 캄머러의 과학적이나 정치적 반대파의 조작으로 돌렸습니다.

Gliboff 교수는 발가스의 주장에 완전히 동의하지는 않습니다. "캄머러가 과학자로써 실패한 것으로 보지 않기는 여전히 힘들다"라고 그는 말했습니다. 반면에 Surani 교수는 호기심에 가득 차 "누군가가 이 [캄머러의] 실험을 재현해본다면 엄청나게 흥미로울 것입니다"라고 말하면서 다음을 덧붙였습니다, "캄머러가 결국 옳았다는 결과가 나와도 전혀 놀랍지 않을 것입니다."

후성유전학이란? - 후성유전학 위키피디아 페이지 번역
https://blog.naver.com/ruins0408/221139689623

DNA 메틸화란? - DNA methylation 위키피디아 페이지 번역
https://blog.naver.com/ruins0408/221155551443

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