종양 병인학과 진행에서 후성유전적 조절인자, 변화인자, 그리고 매개인자

KAIST / 공정렬

[요약문]

올해는 ‘암 전구 유전자(tumour progenitor genes)’의 존재에 대한 연구가 《Nature》지에 발표된 지 10년이 되는 해이다. 이 유전자들은 돌연변이가 일어나기도 전에 후성유전적으로 아주 초기에 망가져 비정상적 분화를 일으킨다. 지난 10년 동안 종양 후성유전체(epigenetics)에 대한 연구는 암 유전자와 줄기세포 리프로그래밍 유전자 간의 여러 유사성을 밝혔다. 이번 리뷰 논문에서 저자들은 후성유전적 매개인자(epigenetic mediators), 후성유전적 조절인자(epigenetic modulators), 후성유전적 변화인자(epigenetic modifiers), 총 세가지 종류의 유전자에 관한 종양 후성유전체에 대해 논의하고자 한다.

[목 차]

1. 서론

2. 종양 후성유전학 내 3가지 유전자

3. 후성유전적 변화인자

4. 후성유전적 매개인자

  4.1 줄기세포능과 전분화능 인자의 기능

  4.2 암 줄기세포와 관련성

5. 후성유전적 조절인자

  5.1 종양 형성 RAS 신호

  5.2 만성 감염 내 신호 기전

  5.3 후성유전적 조절인자로서 종양 억제 유전자

  5.4 노화 효과

6. 탈조절된 3D 핵 구조

7. 후성유전적 무질서도

  7.1 후성유전적 가변성의 대영역

  7.2 네트워크 엔트로피와 핵 구조

  7.3 무질서 후성유전적 변화 메커니즘

8. 증폭자 이용

9. 진단과 치료 관련성

10. 결론과 전망

1. 서론

10년 전, 후성유전적 변화는 발암 초기에 줄기세포능(stemness)과 관련 있는 가상의 ‘암 전구 유전자’ 발현에 장애를 일으킨다고 보고되었다. 후성유전적으로 변화된 암 전구 유전자는 암 발생률을 증가시키고 종양 진행 중 암 전이(metastasis)와 침윤(invasion)을 돕는 것으로 알려졌다. 또한 암 전구 유전자는 핵 구조(nuclear architecture)와 염색질 밀집(chromatin compaction)을 포함한 다양한 후성적 변화에 기능을 한다. 후성유전적 변화에 의한 종양은 소아 악성 종양에서 활발한 연구가 이루어졌다. 다양한 소아암에서 유전적 그리고 후성유전적 변화를 분석한 결과 돌연변이가 관찰되지 않거나 드물게 관찰됨을 발견하였다. 이는 후성적 교란이 종양을 유도함을 의미한다. 최근 소아 후뇌 뇌실막세포종(paediatric hindbrain ependymomas)의 유전체 분석(genome sequencing) 결과는 반복되는 체세포 돌연변이가 없음을 보여준다. 반면, 후뇌 뇌실막세포종의 후성적 변화로 인한 CpG island methylator phenotype은 PRG2 (polycomb repressive complex 2)의 전사적 침묵(tran-tional silencing)을 나타낸다. 이와 유사하게 소아기 악성 뇌종양, 수모세포종 (medulloblastoma)은 체세포 돌연변이에 의해 유래되었지만, 전체적으로 낮은 돌연변이율을 나타낸다. 수모세포종의 DNA methylation sequencing 결과 대규모의 저메틸화(hypomethylation)로 이루어진 후성유전적 변화가 관찰되었다. 본 리뷰 논문에서는 암 전구 유전자의 더 명료한 이해를 통해 ‘후성유전적 매개인자’로 새로운 이름을 부여하고 다시 논의하고자 한다.

2. 종양 후성유전학 내 3가지 유전자

 이미 암 유전자는 두 가지 비-후성유전적 분류 체계를 지니고 있다; 돌연변이성 분류에 따른 우성 발암 유전자(dominant oncogene), 열성 종양 억제 유전자(recessive tumour suppressor genes), 선택적 분류에 따른 암 유발 유전자(drivers), 암 유발과 무관한 유전자(passengers)(표 1). 후성유전적 기능에 따른 분류 시스템은 종양 유전자를 후성유전적 변화인자(modifiers), 매개인자(mediators), 그리고 조절인자(modulators)로 구분하였다. 후성적 변화인자로 묘사되었다. 놀랍게도 지난 몇 년간 연구를 통해 종양 내 상당수의 돌연변이에 후성유전적 시스템의 모든 레벨에 영향을 미치는 유전자가 포함되어 있음이 밝혀졌다. 초기 암 전구 유전자로 불리던 후성유전적 매개인자는 자체의 돌연변이보다는 주로 후성유전적 변화를 표적으로 하여 암 줄기세포(cancer stem cells, 암줄기세포)의 발생을 유도한다. 후성유전적 매개인자는 후성유전적 변화인자의 표적이다. 후성유전적 변화인자는 암과 그 전구세포를 더욱 줄기세포-유사 상태(stem-like state)로 유도한다. 후성적 조절인자는 변화인자와 매개인자의 상위(upstream) 조절 유전자로 환경적 요인, 상해, 감염 그리고 다른 스트레스에 의해 조직이 종양화되는 것을 유도한다.

3. 후성유전적 변화인자

 대규모 종양 시퀀싱을 통한 중요한 발견은 후성유전적 변화인자에 폭넓게 일어난 돌연변이이다. 이는 DNA methylation, histone modification과 chromatin organization을 포함한 거의 모든 후성유전적 과정(epigenetic machinery)에 관여하는 구성물들이다. DNA methylation 과정에 돌연변이는 주로 혈액학상의 악성종양(hematological malignancies)에서 일어난다. 골수와 림프 악성종양에서 DNMT3A (DNA methyltransferase 3)의 돌연변이가 주로 관찰된다. HSCs (hematopoietic stem cells) 내 Dnmt3a를 제거한 마우스는 HSCs의 자기재생(selfrenewal)이 증가하고 HSCs의 분화에 문제가 관찰되었다. 이는 HSCs 내 DNMT3A의 결실이 백혈병 전 표현형(pre-leukaemic phenotype)을 나타냄을 보여준다. DNA methylation 지우개로 불리는 TET2의 돌연변이는 골수 악성종양과 T 세포 림프종 그리고 치료가 쉽지 않은 AML (acute myeloid leukaemia)에서 발견된다. TET2를 상실한 마우스는 HSC 자기재생과 골수 증식이 증가됨을 보인다. 염색질 리모델링 과정에 돌연변이는 고형암에서 관찰된다. Germline SMARCB1의 돌연변이는 소아 간상종양(rhabdoid tumour)을 일으키므로 이 유전자가 암 억제 기능을 가지고 있음을 알 수 있다. 암 시퀀싱 연구는 SW1/SNF 염색질 리모델링 복합체를 암호화하는 유전자가 주요 돌연변이 표적임을 밝혔다. 그 예로, PBRM1 (polybromo 1)와 AR1D1A (AT-rich interaction domain 1A)가 있다. Histone-modifying enzymes 돌연변이는 다양한 암에서 나타난다. PRG2의 핵심 구성원인 EZH2은 암의 종류에 따라 다양한 기능을 가진다. Ezh2 돌연변이를 활성화시킨 마우스는 germinal center 과다 형성과 림프종 형성을 촉진시켰다. 마우스 내 EZH2 상실은 T 세포 급성 림프구성 백혈병을 일으켰다. 최근에는 소아 신경교종(glioma) 내 Lys27Met 미스센스 돌연변이(missense mutation)가 EZH2의 활성을 억제시키고 H3K27me3를 전체적으로 감소시킴을 밝혔다. 이는 EZH2가 조직에 따라 발암 유전자 또는 종양 억제자 모두의 기능을 가짐을 나타내며 종양 내 후성적 변화인자의 복잡성을 보여준다.

4. 후성유전적 매개인자

4.1 줄기세포능과 전분화능 인자의 기능

 다양한 종양 내 후성유전적 변화인자는 IGF2 (insulin-like growth factor 2)와 그 하위 조절 신호에 영향을 미치는 조절 요소를 표적으로 한다. IGF2의 LOI (loss of imprinting)은 IGF2의 후성유전적 발현을 조절한다. IGF2의 LOI는 소아 배아성 종양(embryonal tumor)에서 처음 발견되었다. IGF2의 과발현은 신원발성 받침(nephrogenic rest)의 과증식과 장(colon) 전구세포의 증식을 촉진한다. 이러한 연구는 IGF2 신호 기전이 암줄기세포 자기재생의 주요 매개자임을 보여준다. IGF2와 IGF1 receptor(IGF1R) 신호는 줄기세포 자기재생과 초기 전구세포의 증식에 관여하는 조절자로써 주목받게 되었다. 줄기세포-유사 표현형으로 세포 상태 변화에 기여하는 인자는 종양 발달에도 중요한 역할을 하므로 저자들은 이러한 인자를 후성유전적 매개자로 명명하였다(그림 1, 표 1). 발달이 진행되는 동안 세포의 염색질 내 후성유전적 매개자-유래 변화는 표면적 유연성(phenotypic flexibility)과 이질성(heterogeneity)를 증가시킨다. Feinberg 박사팀은 암 전구 유전자 그룹이 존재한다 가정하였다. 이러한 유전자 집단은 후성유전적 매개자 카테고리에 속하고, NANOG, OCT4 그리고 WNT 신호와 같이 잘 알려진 전분화능 인자이다. 마우스 모델에서 NANOG의 과발현은 과형성 증식(hyperplastic growth)을 촉진함을 관찰하였다. 더불어 WNT 신호 기전의 과활성은 내피세포에 NANOG의 과발현을 촉진시켜 선암(adenocarcinoma)을 일으킨다. OCT4의 과발현 역시 마우스 내피조직 내 과형성과 형성 이상(dysplastic)을 가져오며 전구세포 pool의 증가와 -cateninWNT 신호 기전 활성을 증대시킨다. 매개인자는 후성유전적 상태에 영향을 미쳐 분화세포를 규정한다(그림 2). 세포 분화는 억제성 H3K9me2와 H3K9me3 modification의 대규모 차단에 의해 이루어진다. 이는 large organized chromatin K9 modifications (LOCKs)으로 불리며 가변성(plasticity) 상태를 지니는 ESCs와 암세포에서 결핍되어 있다.

4.2 암 줄기세포와 관련성

 자기재생능을 지니며 미성숙 세포 상태인 암줄기세포는 암에서 잘 연구되어 있다. 줄기세포-유사 암세포는 암덩어리의 소수 집단에 불과하지만 성숙 과정을 통해 종양의 이질성에 영향을 미친다. 암세포의 근원은 더 분화된 세포 또는 덜 분화된 세포로 암줄기세포와 별개일 수 있다. 비록 세포의 근원을 규명하는데 어려움이 있으나 체세포 줄기세포와 분화된 세포 간의 불균형은 발암을 유발한다는 연구 보고가 있었다. 정상 줄기세포와 마찬가지로 줄기세포- 유사 암세포는 잘 자랄 수 있는 생태적 환경적 유사성을 지닌다. 그 예로 근섬유아세포(myofibroblasts)는 간세포 성장인자(hepatocyte growth factor)를 생산하여 암줄기세포 상태를 유지한다. 뿐만 아니라 근섬유아세포에서 분비된 성장인자는 분화된 암세포를 암줄기세포 상태로 돌려놓을 수 있다는 보고가 있다.

표 1. 암 유전자의 3가지 분류 시스템

5. 후성유전적 조절인자

 후성유전적 조절인자는 분화-특이적 후성유전 상태를 불안정화(destabilize)하기 위해 후성유전적 변화인자의 활성 및 위치(localization)에 영향을 준다. 또한 후성유전적 매개인자의 발현을 간접적으로 조절하고 매개인자-유래 리프로그래밍을 촉진하는 데 관여할 것으로 여겨진다. 이러한 후성유전적 조절인자 유전자는 주로 발병 말기에 돌연변이 유발의 표적이 된다(그림 1).

5.1 종양 형성 RAS 신호

 암-관련 신호 기전은 후성유전적 변화인자를 조절한다. 잘 알려진 예로 후성유전적 조절인자, 종양 형성 RAS 는 염색질 modifications 을 조정한다. 종양 형성 KRAS-유래 비악성 세포의 변형은 KRAS-유래 TET enzymes 의 하향 조절을 필요로 하며, 그 결과 DNA methylation 이 증가하고 종양 억제 유전자의 침묵을 가져온다.

5.2 만성 감염 내 신호 기전

 암-촉진 기전에 의한 후성유전체 조절의 또 다른 예로 만성 감염을 매개하는 NF-B 신호가 있다. WNT 신호 기전이 과활성된 마우스 모델에서 NF-B는 성숙 세포의 탈분화 (dedif-ferentiation)를 유도하고 줄기세포- 유사 특성의 습득과 암 개시(initiation)를 촉진한다. 발암 유전자 Src의 일시적 활성은 NF-B가 STAT3와 감염 사이토카인 IL-6와 함께 양성 활성 기전(positive feedback loop)을 이루도록 한다. 특히, STAT3는 OCT4, NANOG, 그리고 SOX2 발현의 유지에 중요한 인자로, 암이 줄기세포 특성을 습득하고 생존하는데 중요한 역할을 함이 알려졌다.

5.3 후성유전적 조절인자로서 종양 억제 유전자

 종양 내 후성유전적 조절인자는 암 억제 단백질 p53을 포함한다(그림 1). 암의 p53 돌연변이 기능 획득(gain of function)은 histonemodifying enzymes (MLL1, MLL2, MOZ)를 암호화하는 유전자를 증대시켜 H3K9 acetylation과 H3K4 trimethylation을 증가시킨다. 이와 유사하게 APC (adenomatous polyposis coli) 암 억제 유전자는 DNA methylation의 조절을 통해 장 세포 분화를 조정한다. 그 외에도 IDH1 (isocitrate dehydrogenase 1), FH (fumarate hydratase), SDH (succinate dehydrogenase)에 돌연변이는 암세포의 후성유전체에 변화를 일으킴이 관찰되었다.

5.4 노화 효과

 노화는 후성유전적 조절인자와 매개인자의 하위 신호에 후성유전적 변화를 일으켜 발암 위험을 증대시킨다. 갓 태어난 유아와 100세 노인의 비교 연구에서 나이에 따른 DNA meth-ylation 차이가 관찰되었다. 또한 노화에 따른 histonemodifying enzymes의 손상은 수명에 영향을 미침이 연구되었다. 그 예로 예쁜꼬마선충에 H3K4 trimethylation의 손상과 Dro-sophila에 PRC2 복합체의 돌연변이는 수명 연장을 가져왔다. Werner 증후군과 Hutchison-Gilford progeria 증후군을 통한 연구에서도 H3K9me3의 결실이 세포 노화를 나타냈다. 노화는 후성유전적 변화로 특징지어지며 노화 과정 내 후성유전적 변화인자와 매개인자의 기능에 대한 연구는 암의 병인과 위험을 이해하는 데 좋은 정보를 제공할 것으로 기대된다. 환경적 노출의 영향 암 예방을 위한 메틸 공여체(methyl donor)의 식이요법 가능성에 대한 연구는 동물 모델과 인간을 통해 이루어졌다. 쥐에서 메틸- 결핍 식이는 간 종양(liver neoplasm)을 유도하였다. 이 동물에서 유전자-특이적 DNA hypomethyla-tion이 관찰되었다. 이와 유사하게 엽산(folate) 또는 메티오닌의 저식이를 통해 이루어진 인간 연구는 대장 선종(colon adenoma)의 위험을 높혔다. 또한 특정 발암물질의 노출은 DNA methylome에 변화를 가져왔다. 암이 없는 과흡연자의 기관 식도 상피(aerodigestive tract epithelium)는 폐암과 관련된 여러 유전자의 methylation에 변화가 관찰되었다. 비록 후성유전적 변화인자, 환경적 노출 그리고 발암 위험 간의 상관관계에 대한 연구가 명백히 이루어졌음에도 불구하고 그 신호 기전에 대한 깊이 있는 연구가 아직은 불충분하다.

6. 탈조절된 3D 핵 구조

 노화와 암에 따른 후성유전체의 변화는 염색질의 3D 구조와 상호 연관되어 있다(그림 2). 분화된 세포는 LADs (lamina-associated domains)의 주요 부분이 LOCKs와 겹쳐져 있다. 흥미롭게도, 마우스 내 후성유전적 매개인자 유전자 OCT4의 하향 조절은 lamina에 염색질 압축(compact chromatin)을 형성한다. 이는 3D 염색질 압축이 계통 특정화(lineage specification) 동안 유전자 억제를 일으킴을 보여준다. Lamina 는 lysine-specific histone demethylase 1A (KDM1A), histone-lysine N-methyltransferase EHMT2, HDAC3 그리고 N-CoR 복합체와 같은 억제성 후성유전적 변화인자를 통해 염색질 상태를 조절한다. LOCKs 은 세포 기억을 유지하는 데 중요한 기능을 하는데, TGF-(tumour growth factor-) -유래 EMT(epithelial-to-mesenchymal transition)는 LOCKs의 LSD1-매개 H3K9me2 결핍에 의해 이루어진다. 다양한 암세포에서 H3K9me2와 H3K9me3의 결핍이 관찰되었으며 이는 세포 기억 상실을 유도하고 EMT-관련 염색질 변화를 가져와 암세포가 가변성을 지님을 보여준다(그림 2).

7. 후성유전적 무질서도

7.1 후성유전적 가변성의 대영역

 암 진화의 주요 추진력은 변화된 환경에서 암세포의 성장이 용이하도록 재빠르게 선택된 후성유전적 무질서도(epigenetic stochaticity)의 발생에 있다. 이러한 무질서적 변화와 후성유전적 변화인자, 후성유전적 조절인자, 그리고 후성 유전적 매개인자 간의 상호작용에 대한 이해는 암 진화와 암의 치료 저항을 막는데 필수적이다. 실험을 통해 종양 내 후성유전체의 거대 영역에서 무질서적 DNA methylation 변화가 관찰되었다. 이러한 무질서적 후성유전 변화는 전장 유전체(genome-wide)에서 일어나지 않는다. 암 유전체의 1/3에서 일정치 않게 메틸화된 구역이 발견되었다.

7.2 네트워크 엔트로피와 핵 구조

 최근 연구는 세포 이질성을 네트워크 엔트로피(network entropy)로 묘사하고 네트워크 엔트로피의 정도에 따라 발달 잠재력을 추정한다. 다시 말해, 높은 엔트로피를 지니는 이질적 전분화능 줄기세포 집단은 더 성숙한 phenotypes으로 분화할 수 있는 다양하고 폭넓은 기전을 가진다. 정상 분화와 유사하게 암줄기세포는 높은 엔트로피를 가지며 이는 암세포보다 높다. 하지만 암 줄기세포는 정상 세포(normal counter-part)에 비해 낮은 엔트로피를 지닌다. 이는 발암 기전이 우성임을 간접적으로 보여준다. 엔트로피에 따른 세포 상태의 변화는 후성유전적으로 조절된다. 배아줄기세포 내 RNA의 비균질적 발현(noisy expression) 패턴은 분화 가능성을 나타내고 이는 DNA methylation에 변화를 가져온다.

7.3 무질서 후성유전적 변화 메커니즘

 최근 연구는 높은 무질서 후생유전적 변화(stochastic epigenetic variation)의 분자 메커니즘이 활성 그리고 비활성 염색질 환경 사이의 공간 분화(spatial separation) 및 염색질 유동성(mobility)에 이상을 일으키는데 관여할 것이라 예상한다. 염색질 modification의 가역성에 따라, 핵막을 떠난 LADs와 LOCKs의 재배치(relocation)는 억제성 marks의 침식(erosion)과 전사 활성의 증가와 관련 있다. Lamina에 비활성 염색질 도메인의 동원(recruitment)은 LOCKs의 이질적 침식을 유도하고 이 도메인에 위치한 유전자의 불규칙적 재활성을 일으킨다.

8. 증폭자 이용

 증폭자 요소(enhancer elements)는 발달 그리고 발암 기전 신호를 통합한다. 염색질의 전체 지도는 세포 간 유전자 발현을 미세하게 조절하는 노출된 긴 enhancer-promoter loops을 이루고 있다. 세포형-특이적 유전자 발현은 여러 증폭자 요소의 집단(clustering)에 의해 일어난다. 소위 슈퍼 인핸서(super-enhancer)라 불리는 증폭자는 다양한 세포 운명-결정 기전 신호를 통합하며 세포 상태를 결정하는 유전자의 전사를 일으킨다.

9. 진단과 치료 관련성

 암을 일으킬 수 있는 후성유전적 조절인자와 변화인자 내 돌연변이에 대한 중요성이 강조되고 있다. 하지만 노화와 환경에 의한 정상 조직의 다클론(polyclonal) 후성유전적 손상은 오랜 시간이 걸린다. 그러므로 치료 표적으로서 후성유전적 변화인자의 사용은 이미 존재하는 암을 대상으로 이루어져야 한다. 암 줄기세포와 암 진화의 시작에서 후성유전적 불안전성은 후성유전적 매개인자를 억제함으로써 항암 저항을 낮추고 암줄기세포를 제거할 수 있음을 나타낸다. 그 예로 ITE (2- (1’H-indole-3’-carbonyl)-thiazole-4-carboxylic acid methyl ester)는 OCT4의 promoter에 부착하여 그것의 전사를 억제한다. 결과, 줄기세포-유사 세포의 발암성을 억제한다.

10. 결론과 전망

 지난 10년간 새로운 연구들은 암 후성유전체가 종양 미세환경 내에서 후성유전적 변화를 계속적으로 재생(regeneration)함을 보여주었다. 여러 연구들 중 가장 인상 깊은 발견은 유전체의 특정 도메인이 노화-, 환경-, 그리고 발암물질(carcinogen)-유래 후성유전적 변화에 특히 취약하여 발암 과정 중 무질서적 후성유전 변화를 촉발할 수 있다는 사실이다. 본 논문에서 저자들은 암 발달과 진행 중 후성유전체의 재배치(rewire)에 관여하는 유전자 특징을 분석하여 새롭게 분류하였다. 후성 유전적 변화인자와 후성유전적 조절인자는 암에서 주로 돌연변이가 일어나 있으며 이들은 간접적으로 염색질 modification에 변화를 일으키는 발암 신호를 전달하여 암 발달을 촉진한다. 또한 후성유전적 매개인자는 암줄기세포 상태에서 악성 종양과 전이가 일어나도록 표면적 가변성에 영향을 준다. 현재 유전체의 3D 구조와 핵 구조에 따른 암의 후성유전적 변화에 대한 관심이 증가하고 있다. 핵 구조와 enhancer-promoter communication을 조절하는 인자는 후성유전적 변화인자 활성을 시공간적으로 조정하여 후성유전체를 조절할 것으로 여겨진다. 본 논문의 저자들은 암 전구체 측면에서 후성유전체학에 대한 지난 10년간의 연구를 요약 정리하고 있다. 비록 아직 많은 연구가 이루어져야 하지만 본 논문을 통해 RNA, 종양 이질성, 전사 무질서화, 세포 신호와 감염, 그리고 enhancer-promoter 상호작용 등 다양한 측면에서 종양 유전체학의 최신지견에 대해 살펴 볼 수 있었다.

...................(계속)

출처 : 생물학연구정보센터(BRIC)    (바로가기)