후성유전학

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후성유전학(後成遺傳學, 영어: epigenetics) 또는 후생유전학(後生遺傳學)은 DNA의 염기서열이 변화하지 않는 상태에서 이루어지는 유전자 발현의 조절인 후생유전적 유전자 발현 조절을 연구하는 유전학의 하위 학문이다. 이를 매개하는 분자적 수준의 이해는 아직 완벽하지 않지만, 일반적으로 CpG 염기서열 가운데 시토신 염기에 특이적으로 일어나는 DNA 메틸화히스톤의 변형에 의해 조절되는 크로마틴 구조의 변화에 두 가지의 기전이 주요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.[1]

개요[편집]

후성유전학의 주요 연구분야는 하나의 수정란에서 출발한 개체발생 과정을 거쳐 다양한 기능을 갖는 세포로 구성되는 세포 분화와 관련되어 있다. 후성유전학에서는 후생유전적 유전자 발현 조절을 세포 분화의 기제로 파악하고 있다.[2]

인간의 경우 인간 유전체에는 'CpG' 라는 이중 염기서열이 다량으로 존재하고 있고 이중 약 70%에 이르는 CpG의 시토신 염기에는 메틸기(-CH3)가 결합되어 있는데, 이를 ‘DNA 메틸화’라고 부른다. 이러한 DNA 메틸화 현상은 유전체의 각종 반복 서열 등에서 흔히 관찰되며, 이는 유전체의 안정성 유지 등에 중요한 역할을 하고 있는 것으로 보고 있다. 한편 각종 유전자의 상단 5’ 조절부위에 CpG가 밀집된 독특한 영역이 존재하는데 이를 'CpG 섬'이라고 하며, 이 경우 CpG의 시토신은 대부분 메틸기가 결합되어 있지 않다. 그러나 경우에 따라서 시토신 메틸화가 발생하며 이 부위 뉴클레오솜 히스톤 분자들과의 교감을 통해 크로마틴의 구조에 변화를 이끌어 결국 유전자 발현에 영향을 주게 된다. 따라서 유전자의 발현은 DNA 메틸화 및 히스톤 변형 등과 같은 화학적 가역반응에 의해 조절된다고 할 수 있는데, 이와 같이 DNA 염기서열의 변화 없이 크로마틴의 구조적 변화, ‘크로마틴 리모델링’에 영향을 주어 유전자 발현이 조절되는 기전에 관한 연구 분야를 ‘후성유전학’(Epigenetics)이라고 한다.[2]

Epigenetic mechanisms.jpg
후성유전적 유전자 발현의 기제

역사[편집]

후성설이라는 용어는 17세기부터 영어로 사용되고 있는 코이네 그리스어 ἐπιγέννησις로부터 유래된 “추가 성장”이라는 일반적인 의미를 지니고 있다.[3] 이와 관련된 후성유전학은 C. H. Waddington에 의해 만들어졌으며, 동시에 Valentin Haecker의 ‘형질유전학(phenogenetics)’에서도 후성설이 존재했다.[4] 생물학의 맥락에서 후성은 배아 발달 초기 전능 상태에서 세포의 분화를 의미한다.[5] Waddington의 용어가 만들어질 때 유전자와 유전적인 역할의 기질지성은 알려지지 않았다. 그는 유전자 형질형을 생산하는 주변 환경과 상호 작용하는 방법의 개념적 모형으로 사용했다. 그는 생물학적 개발을 위한 비유적인 의미로 "후성유전학적 지형(epigenetic landscape)"을 사용했다. Waddington은 세포의 운명이 결정되는 것이 낮은 고도의 지점으로 구슬이 떨어지는 것과 매우 비슷하다고 여겼다.[6] Waddington은 구슬이 능선을 상승하며 골짜기 사이를 이동하는 것을 세포 분화의 비가역적인 증가로 시각화했다.[7] 최근의 후성유전학적 지형에 대한 Waddington의 개념은 엄격하게 세포 운명 연구에 시스템의 역학적 상태 접근의 맥락에서 공식화되었다.[8][9] 세포 운명의 결정은 어트랙터(attractor) 수렴이나 진동 등의 특정 역학을 나타낼 것으로 예상된다.[9] "후성적"이라는 용어는 유전과 환경의 지속적인 양방향 교환의 결과로서 심리적 현상을 설명하기 위해 발달 심리학에 이용되고있다.[10] 개발 아이디어는 19 세기와 20 세기에 걸쳐 다양한 형태와 다양한 이름에서 논의되고 있다. 초기 버전은 칼 에른스트 폰 배어(Karl Ernst von Baer)에 의해 제안되었고, 에른스트 헤켈(Ernst Haeckel)에 의해 대중화되었다.


연구 분야[편집]

후성유전학은 발생 과정이 끝난 성체에서 발생하는 유전자 발현 조절의 변화와 유전체 변화를 연구한다. 특히 과 같은 질병의 연구가 활발히 이루어지고 있다.[11]

각주[편집]

  1. 윤봉준, 뇌신경 발달 및 기능의 후생유전적 조절 기전,분자세포 생물학 뉴스
  2. 김용성, 인체의 후성유전학 연구동향, 바이오인
  3. Oxford English Dictionary: "The word is used by W. Harvey, Exercitationes 1651, p. 148, and in the English Anatomical Exercitations 1653, p. 272. It is explained to mean ‘partium super-exorientium additamentum’, ‘the additament of parts budding one out of another’."
  4. Waddington CH (1942). “The epigenotype”. 《Endeavour》 1: 18–20.  "For the purpose of a study of inheritance, the relation between phenotypes and genotypes [...] is, from a wider biological point of view, of crucial importance, since it is the kernel of the whole problem of development. Many geneticists have recognized this and attempted to discover the processes involved in the mechanism by which the genes of the genotype bring about phenotypic effects. The first step in such an enterprise is – or rather should be, since it is often omitted by those with an undue respect for the powers of reason – to describe what can be seen of the developmental processes. For enquiries of this kind, the word ‘phenogenetics’ was coined by Haecker [1918, Phänogenetik]. The second and more important part of the task is to discover the causal mechanisms at work, and to relate them as far as possible to what experimental embryology has already revealed of the mechanics of development. We might use the name ‘epigenetics’ for such studies, thus emphasizing their relation to the concepts, so strongly favourable to the classical theory of epigenesis, which have been reached by the experimental embryologists. We certainly need to remember that between genotype and phenotype, and connecting them to each other, there lies a whole complex of developmental processes. It is convenient to have a name for this complex: ‘epigenotype’ seems suitable."
  5. See preformationism for historical background. Oxford English Dictionary: "the theory that the germ is brought into existence (by successive accretions), and not merely developed, in the process of reproduction. [...] The opposite theory was formerly known as the ‘theory of evolution’; to avoid the ambiguity of this name, it is now spoken of chiefly as the ‘theory of preformation’, sometimes as that of ‘encasement’ or ‘emboîtement’."
  6. C. H. Waddington (1953). 《The Epigenetics of Birds》. Cambridge University Press. 1–쪽. ISBN 978-1-107-44047-0.  (2014 edition)
  7. Hall BK (2004년 1월 15일). “In search of evolutionary developmental mechanisms: the 30-year gap between 1944 and 1974”. 《302》 302 (1): 5–18. doi:10.1002/jez.b.20002. PMID 14760651. 
  8. Alvarez-Buylla ER, Chaos A, Aldana M, Benítez M, Cortes-Poza Y, Espinosa-Soto C, Hartasánchez DA, Lotto RB, Malkin D, Escalera Santos GJ, Padilla-Longoria P (2008년 11월 3일). “Floral Morphogenesis: Stochastic Explorations of a Gene Network Epigenetic Landscape.”. 《PLoS ONE》 3: e3626. Bibcode:2008PLoSO...3.3626A. doi:10.1371/journal.pone.0003626. PMID 18978941. 
  9. Rabajante JF, Babierra AL (2015년 1월 30일). “Branching and oscillations in the epigenetic landscape of cell-fate determination”. 《Progress in Biophysics and Molecular Biology》. doi:10.1016/j.pbiomolbio.2015.01.006. PMID 25641423. 
  10. Gottlieb G (1991). “Epigenetic systems view of human development”. 《Developmental Psychology》 27 (1): 33–34. doi:10.1037/0012-1649.27.1.33. 
  11. 이인수, 암 후성유전체의 연구 동향, 바이오인

참고자료[편집]

  • Brave New World with Stephen Hawking (2011 documentary)

같이 보기[편집]