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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-11-25
몇 년에 걸친 실험쥐와 유전자 조절연구를 하면서 이 연구팀은 인간과 실험쥐 사이의 유사성과 차이점이 유전체에 어떻게 각인되어 있는가를 이해하는데 도움을 줄 수 있게 되었다. 이번 발견은 실험쥐 유전체 연구프로젝트 컨소시엄인 ENCODE 컨소시엄이 학술지 <네이처>와 다른 저널에 발표한 네 편의 논문에서 실험쥐와 인간의 유전체를 조절하는데 연관되는 유전학적이고 생화학적인 프로그램을 조사하면서 이루어졌다. 과학자들은 일반적으로 유전자의 활동을 조절하는 시스템은 실험쥐와 인간에게서 유사하게 나타나며 진화의 시간과정에서 보존되거나 지속되었다는 사실을 발견했다.
이번 연구는 유전자 조절과 다른 시스템은 포유류 생물학에서 매우 중요하다는 점을 보여주었다. 이들은 또한 실험쥐가 인간 생물학이나 질병을 연구하는데 적절한 모델인지 판단하거나 일부 그 한계를 설명하기 위한 새로운 정보를 제공했다. 최근 연구는 국립보건연구원의 일부인 국립인간유전체연구소 (National Human Genome Research Institute, NHGRI)가 지원하는 프로그램인 <DNA 요소 백과사전 (ENCyclopedia OF DNA)> 또는 ENCODE라고 불리는 프로그램의 일부인 생쥐 ENCODE 프로젝트의 결과이다. ENCODE는 인간과 생쥐 유전체에서 기능적 요소의 광범위한 카탈로그를 만드는 프로젝트이다. 이러한 요소들은 어떤 유전자의 기능을 켜고 끄는 조절기능을 갖는 조절요소와 단백질, 비단백질 부호화 (non-protein-coding)에 가이드라인을 제공하는 유전자를 포함하고 있다.
NHGRI의 디렉터인 에릭 그린 (Eric Green)은 “생쥐는 생물학적 연구모델의 중심이었다. 이러한 결과는 어떻게 생쥐유전체가 작동하는지에 대한 풍부한 정보를 제공한다. 그리고 과학자들이 생쥐와 인간의 생물학을 이해하기 위해 만들 수 있는 근본 토대였다. 생쥐 ENCODE 데이터의 컬렉션은 연구계에 엄청나게 유용한 자원”이라고 말했다. 이 컨소시엄의 <네이처>에 발표된 연구의 공동주저자이며 캘리포니아 주립대학 샌디에고의 세포분자생물학자인 빙 렌 (Bing Ren)은 “이것은 처음으로 생쥐와 인간을 유전체 수준에서 체계적으로 비교한 연구이다. 생쥐는 대부분 인간에게는 훌륭한 모델로 알려져 있다. 우리는 많은 과정과 경로가 생쥐에서 인간에게 보존되었다는 사실을 발견했다. 우리는 인간생물학을 반영하는 생쥐 생물학의 여러 측면을 연구함으로써 인간 질병을 연구하는데 도움을 준다”고 말했다.
많은 경우에 연구자들은 일부 DNA 염기서열의 차이는 생쥐 유전체에서 상응하는 인간질병과 연결된다고 말한다. 이들은 또한 특정 유전자와 요소들은 이 두 가지 생물종에서 유사하게 나타나며 인간질병에 연관되는 것을 연구할 수 있는 생쥐를 이용하는 기반을 제공할 수 있다고 주장했다. 하지만 이들은 또한 많은 DNA 변이와 유전자 발현패턴은 공유하지 않고 있으며 잠재적으로 질병모델로서 생쥐를 사용하는데 있어서 한계를 발견했다. 생쥐와 인간은 유전체의 약 1.5%를 차지하는 동일한 단백질을 부호화하는 유전자 염기서열의 약 70%를 공유하고 있다. 예를 들어 생쥐면역체계와 신진대사과정과 스트레스 반응에서 일부 유전자 활동은 초기 연구에서 발견한 것처럼 생쥐와 인간 사이에서 다양하게 나타난다. 연구자들은 생쥐 유전자를 조절하지만 인간에게서는 이에 상응하는 유전자가 없는 유전자와 다른 요소들을 찾아냈다. 샌디에고의 러드윅 암연구소 (Ludwig Institute for Cancer Research)의 일원이기도 한 렌은 “우리는 진화과정에서 일부 부분을 떼어내고 다른 부분을 부가한 책처럼 생쥐 유전체를 조사했다. 이것은 아마도 환경에서 생쥐와 이간이 적응한 결과일지도 모른다”고 말했다.
스탠퍼드 대학의 유전체 및 맞춤의학센터 (Stanford Center for Genomics and Personalized Medicine)의 디렉터이며 주저자인 마이클 스나이더 (Michael Snyder)는 “일반적으로 유전자 조절기제와 네트워크는 생쥐와 인간에게서 보존되었다. 하지만 그 세부적인 것은 다르다. 이러한 차이를 이해함으로써 우리는 어떻게 그리고 언제 생쥐모델이 제일 잘 이용할 수 있는지를 이해할 수 있다”고 말했다. <네이처>에 발표된 논문에서 연구자들은 생쥐와 인간조직 및 세포형태에서 유전자 활동을 조절하는 유전자 전사, 크로마틴 조작 및 다른 과정들을 비교했다. 전사과정은 유전자의 정보를 읽는 과정이다. 크로마틴 (chromatin)은 DNA에 접근할 수 있도록 조절함으로써 유전체 기능을 조절하는데 도움을 주는 단백질 패키지이다. 이러한 패키지의 변화는 유전자 조절에 영향을 줄 수 있다.
이 두 가지 생물종은 유전자 활동을 조절하기 위해서 유사한 프로그램의 핵심그룹을 가지고 있지만 연구자들은 특정한 조직과 세포형태에서는 차이가 나타난다는 사실을 발견했다. <네이처>지에 발표된 연구와 다른 곳에 출판된 논문의 공동주저자이며 펜실베니아 주립대학 유니버시티 파크 (Pennsylvania State University, University Park)의 허크 비교유전체 및 생물정보연구소 (Huck Institute for Comparative Genomics and Bioinformatics)의 디렉터인 로스 하디슨 (Ross Hardison)은 “생쥐와 인간 사이에 발현수준이 체계적으로 차이가 나타나는 많은 수의 유전자가 존재한다는 결과를 얻기 전까지 우리는 모르고 있었다. 이제 우리는 어떤 유전자가 생쥐와 인간 사이에 보존된 발현패턴인지 알게 되었다. 이러한 유전자를 사용하는 생물학적인 과정에서 생쥐는 인간생물학의 측면에서 훌륭한 모델”이라고 말했다. 하디슨은 그 반대도 또한 사실이라고 말했다: 연구자들은 생쥐를 인간의 모델로서 생각할 때 이들 생물종 사이의 유전자 발현패턴의 체계적 차이를 설명할 필요가 있다고 지적했다.
현재 생쥐와 인간의 차이를 알아내는 연구에 두 그룹이 참여하고 있다. <네이처>지에 공동저자인 시애틀의 워싱턴 대학의 유전체과학 및 의학 교수인 존 스태마토야노플로스 (John Stamatoyannopoulos)와 그의 동료들은 인간의 조직형태와 45개 생쥐세포에서 규제 DNA를 찾아내는 디나제 1 과민지점 (DNase 1 hypersensitivity site)이라 불리는 130만개 이상의 유전체 지점을 비교했다. 이들은 <사이언스>지에 발표한 논문에서 이들 요소들 중에서 35%가 생쥐와 인간에게서 공통적으로 공유되고 있으며 다른 세포에서 활성화된다. 그는 “우리는 공유되고 있는 조절염기서열 내부를 조사했으며 생쥐와 인간 유전체는 조절에 있어서 공통적인 언어를 사용한다는 것을 알아냈다. 하지만 진화과정에는 엄청난 유연성이 존재한다. 예를 들어 생쥐의 간에서 활성화된 요소들은 인간의 뇌에서 활성화되도록 재목적화된다. 이러한 재목적화 (repurposing)는 자연이 조절통제를 성취하는데 사용될 수 있는 엄청나게 손쉬운 변화를 보여준다”고 말했다.
<Proceedings of the National Academy of Sciences>에 발표된 논문에서 스나이더의 연구팀은 생쥐와 인간에서 15가지 다른 조직형태의 유전자 발현을 비교했다. 이전 연구결과와 비교하면 이들은 일부 유전자 판독은 이 두 가지 생물종에서 동일한 조직 사이에서 보다 동일한 생물종에서 다른 조직들 사이에서 좀 더 유사성이 나타난다는 사실을 발견했다. ENCODE 데이터는 생의학계에서 자유롭게 공유되며 연구에 사용된 생쥐자원들은 지금까지 50여 가지 논문에서 사용되었다.
출처: <ScienceDaily> 2014년 11월 19일
원문참조:
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http://www.sciencedaily.com/releases/2014/11/141119132703.htm
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