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한국인 주요 만성질환 원인규명을 위한 참조 에피유전체 기반구축
  • 작성일2016-09-13
  • 최종수정일2016-09-13
  • 담당부서형질연구과
  • 연락처043-719-8870
  • 3,766
한국인 주요 만성질환 원인규명을 위한 참조 에피유전체 기반구축

질병관리본부 국립보건연구원 유전체센터 형질연구과
고인욱, 유재일, 김봉조*

*교신저자: kbj6181@cdc.go.kr / 043-719-8870

Abstract

Korean Epigenome Project for Investigating the Cause of Chronic Diseases
Division of Structural and Functional Genomics, Center for Genome Science, NIH, CDC
Koh In-Uk, Yoo Jae-Il, Kim Bong-Jo

Background: The ultimate goal of genome and epigenome research is to understand how a cell's present state is determined as cellular differentiation, tissue development or disease progression in a multicellular organism, such as man.
Current status: Since 2011, KNIH has conducted the Korean Epigenome Project (KEP) as a national initiative for studying chronic complex diseases. KEP partnered with the International Human Epigenome Consortium (IHEC) for the completion of mapping 1000 reference epigenomes. Presently, over 500 target cell samples have been isolated from normal subjects and patients with diseases for the KEP. Moreover, 118 KNIH epigenome data sets have been generated from 18 different target cell types and 11 KNIH reference epigenome data sets have been opened publicly.
Future Prospects: The establishment of references for epigenome and epigenome research are interdisciplinary and requires the team work of clinicians, experimentalists and bioinformaticians. Through collaborative epigenome data production, the KEP will provide Korean reference epigenomes to facilitate the discovery of new targets for therapeutic interventions and future approaches to chronic complex disease control.


I. 들어가는 말

‘인간게놈프로젝트(Human Genome Project)’로 알려진 전장 염기서열분석(whole genome sequencing)에 의해 인간 유전자 전체(genome, 약 30억 개의 뉴클레오티드 염기쌍) 서열이 밝혀진 이래, 그 결과물은 post-genome 시대에서 거대한 파급력으로 관련 연구에 활발하게 응용되고 있다.
한 사람(동일개체)의 다양한 조직 및 기관의 세포는 약 250개 이상의 세포 종으로 구성되어 있으며, 각각의 세포는 그 종류에 관계없이 같은 유전자 서열을 갖고 있기 때문에 각 세포별 구조적 또는 기능적 특성의 차이점은 유전자 발현 수준에서 결정되게 된다. 즉 DNA 염기서열 자체에는 변화가 없으나 세포가 분열되는 동안 DNA 또는 크로마틴 변형(chromatin modification)을 통해 유전자 발현 양상이 다음세대에 전달되는 현상이 나타나게 된다. 이와 같은 유전자 발현 및 조절에 관한 연구 분야가 에피유전체학(Epigenomics)이다. 구체적으로는 조직-세포 특이적인 전사인자의 작용, DNA 메틸화(methylation), 히스톤 단백질 변형(histone modification), non-coding RNA에 의한 조절기작 등이 복잡하게 작용하여 유전자 발현이 조절되는데, 이를 분석하여 유전되는 염기서열에 의해 결정되는 현상 이외의 주위 환경에 의한 유전자의 역동적인 발현 기전을 연구하는 분야이다[1].
우리나라의 만성질환은 국가의 예방관리 정책 및 사업으로 소기의 성과(인구 10만 명당 사망률의 지속적인 감소)를 보여 왔으나, 여전히 만성질환으로 인한 사망은 전체 사망의 81%를 차지하며, 사망원인 상위 10위 중 7개가 만성질환에 의한 것으로 보고되고 있다[2]. 또한, 당뇨병, 뇌혈관질환으로 인한 사망률은 OECD 주요국가 평균에 비해 높고, 급격한 인구 고령화 추세에 따라 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로도 관련 질환자의 증가가 예측되고 있어 해당 질환의 조기 진단과 치료를 위한 연구 필요성이 지속적으로 제기되고 있다. 특히, 당뇨는 인슐린 분비 결함이나 작용이상에 의한 만성 고혈당증이 특징으로 다양한 합병증을 유발하는 매우 주요한 만성질환이다. 우리나라 당뇨병의 대부분을 차지하는 것은 제2형 당뇨병으로, 당뇨병의 발병요인으로는 유전적 요인과 환경요인이 있지만, 특히 2형에서는 생활습관(환경영향)이 중요한 것으로 알려져 있다. 2013년 기준, 30세 이상 성인의 11.9%(약 320만 명)가 당뇨병 환자인데 반해, 26.4%(약 660만 명)는 제2형 당뇨병 전단계(pre-diabetes, 경계성 당뇨 또는 전당뇨)에 가까운 상태로 조기에 당뇨 및 관련 질환을 진단하거나, 그 질환발병을 억제하기 위한 기작을 이해하는 연구가 시급하다[3].
에피유전체는 암과 같은 유전적 영향이 높은 질환 뿐 아니라 비만, 당뇨병 등과 같이 환경, 생활습관 등의 영향을 많이 받는 만성질환에 있어서도 그 변이가 중요한 원인기작으로 이해되고 있으며[4], 때문에 많은 연구자들은 DNA 메틸화, 히스톤 변형, 그리고 그 상호 연관성을 연구해 왔다. 특히 질환과 관련한 유전체 연구인 전장유전체연관분석법(genome-wide association study) 등으로 다양한 질환 감수성 유전변이들이 다양한 인구집단에서 발굴 및 검증되어 왔는데, 에피유전체 연구는 개별 추가 연구와 유전체-에피유전체 통합분석 등을 통해 신규 마커 추가 발굴, 유전적 설명력 제고를 가져올 수 있을 것으로 기대되어 왔고, 그 성과는 현실로 나타나기 시작했다[5].
질병관리본부 국립보건연구원은 국내·외 다양한 유전체 연구와 더불어 당뇨, 비만, 만성신장질환 등의 만성질환 관련 위험인자 발굴을 위한 ‘한국인 에피유전체 정보생산(Korean Epigenome Project)’을 시작하였고, 2011년 12월, “국제인간에피유전체컨소시움(International Human Epigenome Consortium, 이하 IHEC)”에 우리나라의 대표기관으로 가입하였다. 미국 NIH Roadmap 에피유전체 프로그램이 기초가 되어, 유럽 Blueprint 프로그램, 독일, 캐나다, 일본, 한국, 싱가포르 등 7개국/기관이 참여하고 있는 IHEC은 ‘1000 Reference Epigenome’(1,000개의 인간 참조에피유전체) 데이터 확보를 목표로 하는 연구프로젝트이다. 이 프로젝트에 의해 구축된 참조정보(1000 reference epigenome)는 각종 인체 조직·세포를 대상으로 생산되고, 건강과 다양한 질환 관련 에피유전변이를 이해하고, 치료법 개발 등에 사용하기 위한 비교·참조 정보로 활용될 수 있는 일련의 에피유전체 정보를 포함하고 있으며, 현재 홈페이지(ihec-epigenomes.net)내 데이터포털을 통해 전 세계 과학자를 포함한 일반에 공개하고 있다[6]. 본 사업의 참여를 통해 국립보건연구원에서는 한국인 주요 만성질환 관련 조직-세포의 에피유전체 데이터를 구축해 왔으며(Figure 1), 2015년을 기점으로 국내·외 연구자 등에 11종 세포의 한국인 유래 만성질환 관련 세포의 참조에피유전체 데이터를 공개하였다. 본 글에서는 에피유전체 정보 생산 현황 및 향후 활용 계획 등을 간추려 소개하고자 한다.


II. 몸 말

한국인 에피유전체 정보생산 사업(Korean Epigenome Project, 이하 KEP)은 2012년부터 2015년까지 학술연구용역(비R&D) 및 정책연구용역사업으로 수행되었다. 구체적으로는 한국인 호발성 만성질환에 대한 질환 표적세포 시료를 확보하고, 주요 세포를 대상으로 전장에피유전체서열분석(WGBS, Whole-genome bisulfite sequencing), 히스톤 결합 유전체 정보(Histone ChIP-seq), 유전자 발현 분석(mRNA-seq 또는 mRNA-chip), 마이크로 RNA 발현 분석(miRNA-seq), 대용량 메틸화 분석(Infinium human methylation chip) 데이터로 구성된 질환-정상 비교연구 에피유전체 데이터와 참조에피유전체(reference epigenome, KNIH epigenome) 데이터세트를 생산해 왔다(Table 1).

당뇨 및 관련 질환의 참조에피유전체 정보생산
당뇨(Type 2 Diabetes, 제2형 당뇨) 환자의 췌장 조직을 수집하고, 조직으로부터 5종의 순수분리 세포를 확보하였다. 당뇨환자의 체내에서 분리된 췌장조직을 소화효소를 사용하여 1차 분해한 후, 정제를 거쳐 각 세포별 표지자(surface marker)에 따라 순수한 췌도세포(Islet) 및 베타(beta) 또는 알파(alpha)세포 그리고 추가적인 췌장샘포(acinus), 췌장관(duct)으로 최종 분리하였다. 비만(obesity)의 경우, 체질량지수(BMI) 27.5를 기준으로 환자 및 정상의 지방조직을 수집하였고, 그로부터 5종의 순수분리 세포를 확보하였다. 혈관 및 결합조직이 제거된 조직에 소화효소 처리와 원심분리 방법, 그리고 세포표지자를 사용한 추가 분리를 통해 지방세포(adipocyte), 지방전구세포(preadipocyte), MQ(Macrophage) 2종, SVF(stromal vascular fraction)를 분리하였다. 신장 손상 및 신기능(사구체여과율, GFR) 저하 기준에 따라 진단되는 만성신장질환(Chronic Kidney Disease)은 특히 당뇨, 고혈압 등을 포함 다양한 원인질환을 기저에 가지고 있는 국내 호발성 만성질환이다. 신장적출을 하는 환자의 신장조직을 수집하고, 신장상태에 따라 정상 및 만성신장질환 조직으로 구분한 후, 신장 사구체 유래 세포인 발세포(podocyte), 메산지움세포(mesangial cell), 관세포 2종(proximal tubule, distal tubule) 및 세뇨관(collecting duct)을 순수 분리하였다.
당뇨, 비만 및 신장질환 관련 타겟조직 유래 세포들로부터 DNA, RNA, Chromatin-fixed cell 등 데이터 생산을 위한 시료를 확보하였으며, 정도관리 기준을 충족한 주요 세포에 대해 총 112건의 만성질환 관련 조직 유래 순수분리 세포의 참조에피유전체 데이터세트(KNIH epigenome set)를 생산하였다. 당뇨 및 비만의 경우 WGBS 등 최대 13개 분석(array)을 포함한 데이터세트로 구성되어 있으며, 비만 관련 시료의 Histone ChIP-seq은 2017년 상반기까지 생산될 예정에 있다. 반면, 만성신장질환 22건은 IHEC 기준의 10개 분석(KNIH epigenome set 중 Infinium array, MBD-seq, Exome-seq 제외)으로 구성되어 있다.

에피유전체사업 데이터의 공개
질병관리본부 국립보건연구원의 참조에피유전체 데이터는 IHEC 및 자체 공개 홈페이지를 통해 공개하게 된다. 특히 IHEC은 1000 Reference Epigenome 중 현재 생산 및 검증 완료된 데이터를 관련 학계 및 일반인 전체에 공개(http://www.ihec-epigenomes.org/outcomes/datasets/)하고 있으며, 이중 한국인 에피유전체 정보생산을 통해 확보한 Korean Epigenome Data는 공개 적합성 검토를 거쳐 2015년 하반기부터 일부 데이터(11건, 3종 데이터 총 33종)가 질병관리본부 국립보건연구원 홈페이지 내 링크를 통해 공개 되었으며(http://152.99.75.168/KEP/), 2016년 9월까지는 기 공개된 11종 데이터의 원시데이터(raw data, 약 5 Terabyte)도 데이터 기탁사이트(EGA, European Genome-phenome Archive)를 통해 공개 완료 예정으로, 본 데이터 이용에 관심 있는 모든 연구자는 적절한 분양 절차를 통해 공개된 데이터 전체의 활용이 가능해 지게 된다. 또한 추가 확보된 참조에피유전체 데이터 세트는 2016년 하반기부터 매년 순차적으로 1차 가공데이터 및 원시데이터에 대해 추가 공개가 이뤄질 예정이다.

한국인 에피유전체 사업의 기대효과 및 전망
향후 KEP는 기후변화, 기술발전과 생활습관의 변화, 고령화 등의 건강위험 요인 증가에 따른 국가 보건 분야 연구개발 요구에 역점을 둔 질병관리본부 국립보건연구원의 사업방향에 부합하는 정보생산 및 활용 방안을 계획하고 있다. 특히 유전체-에피유전체의 통합 차세대 유전체 분석법의 개발과 핵심 에피유전체 데이터 분석 및 주요 질환 표적 세포의 에피유전체 데이터 구축이 만성질환의 유전체-에피유전체 마커 발굴 및 검증에 필수 전제조건이라는 것으로 판단하고, ‘한국인 에피유전체 중장기로드맵’의 제안 등을 참고하여[7], 이후 만성질환 관련 Histone ChIP-seq 데이터의 추가 확보 및 한국인 유래 원시세포기반 에피유전체 정보생산을 통해 한국인 유래 세포의 참조에피유전체 데이터 50종 이상이 IHEC 기준으로 완성될 것이다. 또한, 전장에피유전체연관성분석(EWAS, Epigenome-wide association study)을 통해 멀티오믹스데이터 통합분석을 수행하고, IHEC 데이터 활용기반 구축을 통한 보건산업에의 활용방안 등을 검토 중에 있다.


III. 맺는 말

본 글에서는 KEP의 성과와 미래 제안을 정리해 보았다. 에피유전체는 세포의 분화와 발생 뿐 아니라, 환경 및 생활습관 등의 건강행태에 영향을 받는 만성질환의 연구에 유용한 접근 방법으로, 현재까지 유전체 연구에 비해 오래되지는 않았으나 짧은 기간에 비해 비약적인 발전을 이뤄낸 연구 분야이다. 하지만, 에피유전체 연구는 거대과학의 성격을 띠는 분야로 국제 컨소시움과 연계한 연구 활동과 더불어 질환관련 조직-세포를 대상으로 한 유전체, 에피유전체 등 멀티오믹스 기반 연구를 국가적으로 계속해나가야 할 필요성이 높은 분야로 판단된다. 본 사업을 통해 당뇨, 비만 등 국내 주요 만성질환에 대한 특이적인 원인 유전변이 발굴과 건강행태(환경영향, Exposome) 관련 후보 에피유전변이의 추가 발굴 및 검증을 수행할 수 있을 것으로 판단되며, 향후 관련하여 추가적으로 질환네트워크분석, 환경영향분석 등의 에피유전체 연구가 수행된다면, 한국인 주요 만성질환의 예측·예방 연구, 에피유전체 진단·치료제 개발 등 다양한 분야로의 접근 및 활용을 통하여 만성질환 극복에 크게 기여할 것으로 기대한다.


IV. 참고문헌

1. Jones PA, et.al, 2008 Moving AHEAD with an international human epigenome project. Nature Aug;454(7205):711-5.
2. 통계청, 2013 사망원인통계(보도자료) : http://kostat.go.kr/portal/korea/kor_nw/2/6/2/index.board
3. 질병관리본부, 2015 만성질환 현황과 이슈 – 만성질환 Factbook : http://www.kdca.go.kr/CDC/notice/CdcKrintro0504.jsp?menuIds=HOME001-MNU1154-MNU0004-MNU0110&cid=65024
4. Portela A, Esteller M. 2010. Epigenetic modifications and human disease. Nat Biotechnol. Oct;28(10):1057-68.
5. Romanoski CE, Glass CK, Stunnenberg HG, Wilson L, Almouzni G. 2015. Epigenomics: Roadmap for Regulation. Nature. Feb;518(7539):314-6.
6. IHEC, International Human Epigenome Consortium : http://www.ihec-epigenomes.net
7. 김영준, 2014. 한국인 후성유전체사업 중장기로드맵 구축, 질병관리본부 정책연구용역사업 최종결과보고서
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