중앙대·건국대 공동 연구팀, 전분화능 줄기세포 특이적 각인 유전자 세계 최초 규명
중앙대학교 의과대학 고기성 교수 및 중앙대학교병원 박광진 교수와 안석원 교수는 건국대학교 의과대학 줄기세포교실 고기남 교수와의 공동 연구를 통해 전분화능 줄기세포 단계에서만 나타나는 특이적 각인 유전자를 세계 최초로 규명했다.
이번 연구는 건국대학교 의과대학 고기남 교수 연구팀을 중심으로 중앙대학교 의과대학 고기성 교수 연구팀, 중앙대학교병원 산부인과 박광진 교수, 신경과 안석원 교수 연구진이 참여한 공동 연구로 수행됐다. 연구 결과는 다학제 과학 분야의 권위 있는 국제 학술지인 Journal of Advanced Research (IF 13.0)에 1월 12일 온라인 게재됐으며, 생물학연구정보센터(BRIC)가 선정하는 ‘한국을 빛낸 사람들(한빛사)’에도 소개되었다.
유전체 각인(Genomic Imprinting)은 부모로부터 물려받은 두 개의 유전자 가운데 한쪽만 선택적으로 발현되는 후성유전학적 현상으로, 태아와 태반의 정상적인 성장과 발달에 필수적인 역할을 한다. 이러한 각인 과정에 이상이 발생하면 선천성 질환이나 발달 장애로 이어질 수 있어 오랫동안 중요한 연구 분야로 주목받아 왔다. 그러나 인간 수정란을 직접 활용하기 어려운 윤리적 제약과 체세포 내 모계·부계 유전 정보의 혼재로 인해 연구에는 한계가 존재해 왔다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 세포 역분화 기술을 활용한 인간 단성 생식(uniparental) 유도만능줄기세포(iPSC) 모델을 구축했다. 모계 유전자만을 지닌 처녀생식 발생 유도만능줄기세포(PgHiPSC)와 부계 유전자만을 지닌 웅성생식 발생 유도만능줄기세포(AgHiPSC)를 각각 확립해 비교 분석하는 전략을 도입함으로써 부모 유래 유전 정보에 따른 후성유전학적 차이를 정밀하게 분석했다. 또한 차세대 염기서열 분석 기법인 메틸화 DNA 캡처 시퀀싱(MethylCap-seq)을 활용해 유전체 전반의 DNA 메틸화 패턴을 분석한 결과, 연구팀은 총 26개의 새로운 각인 후보 영역을 발굴하는 데 성공했다.
특히 연구팀은 DOCK4와 LYNX1 두 유전자가 전분화능 줄기세포 상태에서만 각인 현상을 유지하고 체세포로 분화되면 해당 특성이 사라지는 ‘줄기세포 특이적 각인 유전자’임을 세계 최초로 입증했다. 이는 줄기세포가 전분화능(pluripotency)을 유지하는 과정에서 부모 유래 유전 정보가 어떻게 정교하게 조절되는지를 설명하는 새로운 분자적 메커니즘을 제시한 성과로 평가된다.
공동 교신저자로 참여한 건국대학교 고기남 교수와 중앙대학교 의과대학 고기성 교수는 “이번 연구는 기존에 알려지지 않았던 전분화능 줄기세포 특이적 각인유전자를 새롭게 발굴하고 이를 확인했다는 점에서 의의가 있다. 이러한 발견은 인간 초기 발생 단계에서 나타나는 후성유전학적 각인 유전자 조절 원리를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다. 또한 향후 해당 유전자들이 줄기세포의 운명 결정과 초기 배아 발달에 어떤 기능적 역할을 하는지 심층적으로 규명함으로써, 각인 이상 질환에 대한 이해를 높이고 재생의학 및 질환 치료 전략 개발에도 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
이번 연구는 중앙대학교 의과대학, 중앙대학교병원(산부인과·신경과), 건국대학교 의과대학, 숭실대학교 의생명시스템학부 연구진이 참여한 다기관 융합 공동 연구로 수행됐으며, 임상 및 기초 연구 협력을 통해 인간 초기 발생 단계의 후성유전학적 조절 메커니즘을 규명했다는 점에서 의미가 크다.
이번 연구는 건국대학교 의과대학 고기남 교수 연구팀을 중심으로 중앙대학교 의과대학 고기성 교수 연구팀, 중앙대학교병원 산부인과 박광진 교수, 신경과 안석원 교수 연구진이 참여한 공동 연구로 수행됐다. 연구 결과는 다학제 과학 분야의 권위 있는 국제 학술지인 Journal of Advanced Research (IF 13.0)에 1월 12일 온라인 게재됐으며, 생물학연구정보센터(BRIC)가 선정하는 ‘한국을 빛낸 사람들(한빛사)’에도 소개되었다.
유전체 각인(Genomic Imprinting)은 부모로부터 물려받은 두 개의 유전자 가운데 한쪽만 선택적으로 발현되는 후성유전학적 현상으로, 태아와 태반의 정상적인 성장과 발달에 필수적인 역할을 한다. 이러한 각인 과정에 이상이 발생하면 선천성 질환이나 발달 장애로 이어질 수 있어 오랫동안 중요한 연구 분야로 주목받아 왔다. 그러나 인간 수정란을 직접 활용하기 어려운 윤리적 제약과 체세포 내 모계·부계 유전 정보의 혼재로 인해 연구에는 한계가 존재해 왔다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 세포 역분화 기술을 활용한 인간 단성 생식(uniparental) 유도만능줄기세포(iPSC) 모델을 구축했다. 모계 유전자만을 지닌 처녀생식 발생 유도만능줄기세포(PgHiPSC)와 부계 유전자만을 지닌 웅성생식 발생 유도만능줄기세포(AgHiPSC)를 각각 확립해 비교 분석하는 전략을 도입함으로써 부모 유래 유전 정보에 따른 후성유전학적 차이를 정밀하게 분석했다. 또한 차세대 염기서열 분석 기법인 메틸화 DNA 캡처 시퀀싱(MethylCap-seq)을 활용해 유전체 전반의 DNA 메틸화 패턴을 분석한 결과, 연구팀은 총 26개의 새로운 각인 후보 영역을 발굴하는 데 성공했다.
특히 연구팀은 DOCK4와 LYNX1 두 유전자가 전분화능 줄기세포 상태에서만 각인 현상을 유지하고 체세포로 분화되면 해당 특성이 사라지는 ‘줄기세포 특이적 각인 유전자’임을 세계 최초로 입증했다. 이는 줄기세포가 전분화능(pluripotency)을 유지하는 과정에서 부모 유래 유전 정보가 어떻게 정교하게 조절되는지를 설명하는 새로운 분자적 메커니즘을 제시한 성과로 평가된다.
공동 교신저자로 참여한 건국대학교 고기남 교수와 중앙대학교 의과대학 고기성 교수는 “이번 연구는 기존에 알려지지 않았던 전분화능 줄기세포 특이적 각인유전자를 새롭게 발굴하고 이를 확인했다는 점에서 의의가 있다. 이러한 발견은 인간 초기 발생 단계에서 나타나는 후성유전학적 각인 유전자 조절 원리를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다. 또한 향후 해당 유전자들이 줄기세포의 운명 결정과 초기 배아 발달에 어떤 기능적 역할을 하는지 심층적으로 규명함으로써, 각인 이상 질환에 대한 이해를 높이고 재생의학 및 질환 치료 전략 개발에도 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
이번 연구는 중앙대학교 의과대학, 중앙대학교병원(산부인과·신경과), 건국대학교 의과대학, 숭실대학교 의생명시스템학부 연구진이 참여한 다기관 융합 공동 연구로 수행됐으며, 임상 및 기초 연구 협력을 통해 인간 초기 발생 단계의 후성유전학적 조절 메커니즘을 규명했다는 점에서 의미가 크다.