DNA methylation과 CpG island

지난 포스팅에서는 Epigenetics에 대한 기본 개념과 이해를 위한 Chromatin과 Histone 단백의 구조에 대해서 정리했습니다. 오늘은 그 연장선에서 Epigenetics의 중심을 이루는 DNA의 메틸화 (Methylation)에 관여하는 분자들과 CpG island, 그 조절 기전에 대해서 조금 더 자세하게 다뤄볼까 합니다.

관련 포스팅 보기>

Epigenetics의 개념과 Chromatin structure, Histone modification

DNA 손상 복구 기전과 타겟 치료 항암제

 

I. DNA Methylation이 일어나는 장소와 관여하는 분자들

Mammalian genome 대부분의 DNA 메틸화는 CG dinucleotide의 Cytosine의 5번 탄소에서 일어납니다. Cytosine과 Guanine이 phosphate로 연결되어 있기 때문에, 흔히 CpG site라고 부르기도 합니다. 이러한 DNA 메틸화는 Cytosine 5-Methylcytosine (5-mC)으로 만듭니다.  5mC는 다른 DNA 분자보다 불안정하여 mutation이 일어나기 쉽고, spontaneous deamination에 의해서, Thymine으로 잘 바뀝니다.

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따라서, 우리 몸에는 DNA 메틸화를 시키는데 관여하는 효소와 함께, 메틸기를 빠르게 떼어주거나 C > T로 바뀐 염기를 원래대로 복구 시켜주는데 관여하는 효소가 함께 존재하게 됩니다. 아래 그림의 DNMT (DNA Methyl Transferase) 효소들이 DNA를 메틸화시켜주는 효소로, TET (ten–eleven translocation) enzyme이 DNA를 따시 떼어내는 효소로 작용하고, C > T로 바뀐 염기를 원래대로 복구 시켜주는 기전에는 AID/APOBEC (activation-induced cytidine deaminase/apolipoprotein B mRNA-editing enzyme complex) Base Excision Repair (BER) 메커니즘이 관여하게 됩니다.

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II. CpG island

위에서 언급한 CpG site 들은 유전체 내에서 random 하게 분포하는 것이 아니라, 특정한 패턴을 이루는데, 특히 몰려있으면서 마치 섬을 이루는 곳CpG island라고 부릅니다. 최근에는 아래의 조건을 만족하는 경우를 CpG island로 부르게 되었습니다.

  1. 길이가 200bp 이상
  2. GC content가 50% 이상
  3. observed to expected CpG ratio 가 0.6 이상

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대부분의 CpG island는 유전자 자체의 코딩 영역에는 거의 존재하지 않고, upstream의 조절 부위 (regulatory region), 특히 Promoter 영역에 존재하여, 유전자의 발현과 밀접하게 관련이 됩니다. 일반적으로 CpG island의 메틸화가 되면 유전자 발현에 관여하는 여러 transcription factor의 접근을 막고, 동시에 메틸화된 CpG site에 결합하는 MBD (Methyl-CpG-binding domain proteins) 단백들이 유전자 발현을 억제하게 됩니다.

 

III. 발생 과정의 DNA 메틸화와 암 발생에서의 CpG island

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발생 과정은 다양한 유전자가 발현하면서, 형태를 만들어 가는 과정입니다. 따라서, 발생 과정은 그 어느 때보다도 다양하고 복잡하게 DNA 메틸화가 일어나게 됩니다. 위 그림은 발생 시기와 성별, 그리고 조직의 종류에 따라 DNA 메틸화가 어떻게 나타나는지를 간략하게 나타내주고 있습니다. 이러한 유전자의 발현 패턴에 영향을 미치는 DNA의 메틸화의 이상은 발생 과정의 이상에 의한 여러 가지 질병과 기형을 유발할 수 있습니다.

 

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발생 과정과 비슷하게, CpG island는 암 발생 과정에도 관여하게 되는데, 흔히 암 억제 유전자 (Tumor suppressor gene, TSG)의 CpG island에 과다한 메틸화에 의해 발현이 억제되거나, 암 발생 유전자 (Oncogene)의 발현이 증가되는데, CpG island의 잘못된 메틸화가 관여할 수 있습니다.

 

[References]

Moore, Lisa D., Thuc Le, and Guoping Fan. “DNA methylation and its basic function.” Neuropsychopharmacology 38.1 (2013): 23-38.

Ambrosi, Christina, Massimiliano Manzo, and Tuncay Baubec. “Dynamics and context-dependent roles of DNA methylation.” Journal of molecular biology 429.10 (2017): 1459-1475.

Greenberg, Maxim VC, and Deborah Bourc’his. “The diverse roles of DNA methylation in mammalian development and disease.” Nature reviews Molecular cell biology (2019): 1-18.

Stirzaker, Clare, et al. “Mining cancer methylomes: prospects and challenges.” Trends in Genetics 30.2 (2014): 75-84.

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DNA 손상 복구 기전과 타겟 치료 항암제

지난번 포스팅에서는 de novo mutation의 발생과 의의에 대해서 정리하였습니다. 관련 연구를 진행하다보니, 조금 더 근본적으로 de novo mutation을 발생시키는 DNA의 손상과 복구 기전에 대한 깊은 이해가 필요함을 느꼈습니다. (공부는 끝이 없습니다.) 사실 DNA 복구 기전의 문제는 많은 질환과 관련이 있는데, 대표적으로 암은 이러한 DNA 복구에 문제가 있는 것으로 잘 알려진 질환입니다. 그래서 DNA 손상과 복구에 대한 대부분의 연구는 암을 중심으로 이루어져 왔습니다. 그렇지만 암 이외에도 많은 유전 질환 또한 DNA 복구 문제와 연관성이 보고되고 있습니다. 그래서 이번 포스팅은 DNA가 손상되었을 때 이를 복구하는 여러가지 방법과 관련 단백을 정리하고, 암종의 맞춤 치료에 대한 의의에 대해 정리해보고자 합니다.

 

DNA 손상의 종류

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생명체의 중요한 유전 정보를 지니고 있는 DNA는 이중 가닥으로 이루어져 있기 때문에, 손상의 종류에 따라서 복구되는 기전도 차이가 나게 됩니다. DNA의 손상은 DNA 복제 과정의 에러와 같은 세포의 내인적 요인과 외부의 환경적 요인에 노출되면서 발생하는 다양한 손상 (Environmental mutagen) 등이 복합적으로 작용하여 일어나게 됩니다. 이때, 가닥의 한쪽만 손상 (Single-strand break; SSB)이 이루어진 경우는 상보적인 반대쪽 가닥의 정보를 이용하여 복구를 할 수 있지만, 양쪽 가닥이 모두 손상 (Double-strand break; DSB)된 경우는 인접한 상동 염색체의 정보를 이용하여야 복구가 가능해집니다. 이외에도 이전에 정리했던 Chromothripsis나 Kataegis와 같은 event가 발생하면, 훨씬 더 복잡한 패턴의 대규모의 손상이 발생할 수 있습니다.

 

DNA 복구 기전과 관련된 주요 분자

아래 그림은 DNA의 손상을 복구하는 여러 기전과 관련 분자들을 정리하여 보여주고 있습니다. 암 유전학에서 재미있는 것은 이러한 손상 복구 기전과 연관된 분자들 중 어떠한 것에 문제가 있는가에 따라서 질환의 경과나 치료제의 반응 정도 등에 차이가 난다는 점입니다. 사실 암과 관련된 맞춤 치료 및 표적 치료제 (Targeted agent)도 이러한 개념에 근거하여, 관련 암종의 분자 프로파일 (molecular profile)을 작성하고 최적의 치료 옵션을 찾는데에 있습니다.

  • Base excision repair: DNA의 산화적 손상 (ROS)을 복구하는 가장 기본적인 기전으로, 손상된 염기를 잘라내고 다시 복구합니다.
  • Nucleotide excision repair (NER): 여러 개의 base로 이루어진 조금 더 큰 nucleotide 단위의 손상을 복구하는 기전으로, UV, Tobacco, ROS, Radiation과 같은 다양한 환경적인 mutagen에 대응하는 복구 기전입니다.
  • Mismatch mediated repair (MMR): DNA 복제 과정에서 필연적으로 발생하는 replication error에 대한 복구 기전으로, 잘못 복제된 DNA를 교정해줍니다. 이러한 기전에 문제가 있는 경우, Lynch syndrome 또는 HNPCC (Hereditary nonpolyposis colorectal cancer)라고 하는 가족성 암 증후군을 일으키는 것으로 잘 알려져 있습니다.
  • DNA double-strand break repair: 이중 가닥 손상에 대해서는 다양한 복구 기전이 존재하는데, 크게 NHEJ (Non-homologous end joining)HDR (Homology directed repair) 기전이 존재합니다. 간단히 정리하면 NHEJ는 손상된 부분을 그냥 연결해주는 방식이고, 그렇기 때문에 INDEL이 발생하게 됩니다. 유전자 가위인 CRISPR-Cas9 이 이러한 방식으로 INDEL을 유도하게 됩니다. 반대로, HDR은 인접한 상동 염색체의 동일 부분의 유전 정보를 활용하여 복구하는 기전으로, BRCA1/2 또는 FANC family가 주요한 역할을 하는데, 안젤리나 졸리의 예방적 유방 절제술로 유명해진 유전성 유방 난소암 증후군 (Hereditary Breast Ovarian Cancer; HBOC)이나 판코니 빈혈 (Fanconi Anemia)이 이러한 분자의 문제로 발생하는 것이 잘 알려져 있습니다.

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DNA 복구 기전 문제와 암종의 타겟 맞춤 치료

DNA 손상을 제대로 복구하지 못하여 발생한 암은 문제가 있는 기전에 따라서, 타겟 치료제에 대한 반응성도 달라지게 됩니다. 아래 그림은 이러한 기전과 타겟 치료제의 관계를 보여주고 있습니다. 가장 대표적으로 Homolgy directed repair (HDR)에 문제가 있어서 발생한 암종들은 Platinum 계열의 항암제PARP inhibitor에 잘 듣는 것으로 알려져 있고, Mismatch repair (MMR)에 문제가 있는 암종들은 면역 항암제 (Immune Checkpoint Inhibitor)에 대한 반응성이 좋은 것으로 보고 되고 있습니다. 이러한 분자 기전과 연관된 분자에 따라서, 환자의 반응성을 예측하고 치료 옵션을 수립하는 것이 환자별 맞춤 치료와 정밀 의료의 방향성으로 제시되고 있습니다.

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관련 포스팅 보기>

[유전학 중요개념 정리] De novo mutation의 발생 기전과 질병 발생학적 의의

[유전학 중요개념 정리] Complex DNA rearrangement: Chromothripsis, Chromoanasynthesis, and Chromoplexy

닥터 프리즈너 속 헌팅턴병의 유전학: 삼염기 반복 질환과 Anticipation

면역 항암제, Immune checkpoint inhibitor의 원리 및 종류

 

[References]

Jalal, Shadia, Jennifer N. Earley, and John J. Turchi. “DNA repair: from genome maintenance to biomarker and therapeutic target.” Clinical cancer research 17.22 (2011): 6973-6984.

Morgan, Meredith A., and Theodore S. Lawrence. “Molecular pathways: overcoming radiation resistance by targeting DNA damage response pathways.” Clinical Cancer Research 21.13 (2015): 2898-2904.

Corcoran, Niall M., et al. “Molecular pathways: Targeting DNA repair pathway defects enriched in metastasis.” Clinical Cancer Research 22.13 (2016): 3132-3137.