포스테키안

2021 여름호 / 지식더하기 ①

2021-07-20 50

생명–DNA 메틸화
DNA methylation

 

‘용불용설’이라는 말을 들어본 적이 있나요? 이는 동물들이 평생 자신의 필요로 특정 형질을 발달시켜 자손에게 물려준다는 내용을 담은 이론입니다. 현대의 진화론의 관점에서는 후천적으로 환경과 생활 양식에 의해 얻어진 형질, 즉 획득 형질은 유전되지 않는다는 사실이 밝혀지며 사실상 ‘용불용설’은 잘못된 이론이라는 것이 밝혀졌습니다. 하지만 DNA가 변화하지 않고도 환경에 대해 반응할 수 있다는 것이 후성유전학(epigenetics)이라는 분야가 개척되며 밝혀졌습니다. 여기서 후성유전학은 DNA 자체의 변화 이외의 방법에 따라 일어나는 형질이나 유전자 발현의 변화를 연구하는 분야를 말합니다. 후성 유전학의 과정에서 사용되는 메커니즘으로는 DNA 메틸화, 히스톤의 메틸화와 아세틸화 등이 있는데요. 그중에서도 후성 유전적 발현에 중요한 역할을 한다고 알려진 과정 중 하나인 DNA 메틸화에 대해 알아볼까요?
지구상에 존재하는 대부분의 생명체는 DNA에 개체의 정보를 저장합니다. 이렇게 DNA에 저장되어 있는 정보는 중심원리(Central Dogma)에 의해 실제 형질로 나타나게 됩니다. 중심원리는 DNA, RNA, 단백질이 서로 전이되는 과정을 말하는 것으로, 일반적으로는 DNA에서 RNA로, RNA에서 단백질로 전이됩니다. 이때 DNA를 이용해 RNA를 만드는 것을 전사(transcription), RNA가 단백질로 해석되는 것을 번역(translation)이라고 합니다. 특히 DNA가 RNA로 전사되기 위해서는 전사가 시작되는 부위인 프로모터(promoter)가 필요합니다.
DNA의 단위체는 인산과 당, 그리고 염기로 구성되어 있는데요. 그중에서 염기는 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신이 있습니다. DNA 메틸화는 이 중에서 아데닌과 사이토신이라는 염기에 DNA 메틸 전이 효소(DNMT, DNA methyltransferase)에 의해서 메틸기(-CH3)가 더해져 일어납니다.

그림에서 보이는 것처럼 메틸 아데닌(mA)은 6번 탄소에 결합한 질소에 메틸기가 붙는 형태를 가지고, 메틸 사이토신(mC)은 5번 탄소에 메틸기가 붙는 형태와 4번 탄소에 결합한 질소에 메틸기가 붙는 두 가지의 형태가 존재합니다. 아데닌과 사이토신 중에서 사이토신에 특히 메틸화가 많이 일어나는데, DNA 상에 존재하는 사이토신 중에서 메틸화가 되는 것들이 무작위로 결정되는 것은 아닙니다. 사이토신(C)과 구아닌(G)이 인산 하나를 두고 연속적으로 나타나는 CpG(Cytosine-phosphate-Guanine) site에만 사이토신에 메틸화가 일어나게 됩니다.
CpG site는 DNA 염기서열 상에 무작위로 분포하지 않고, 주로 단백질을 암호화하고 있는 영역의 앞에 존재하는 조절 부위나 프로모터 영역에 주로 분포합니다. 특히 CpG가 많이 분포하고 있는 염기서열의 특정 위치를 CpG island라고 부릅니다. 일반적으로 CpG island는 메틸화가 되지 않은 경우가 많은데요, 이 부분이 메틸화가 되면 후성 유전적인 조절에 영향을 주게 됩니다.
DNA의 발현 과정 중 전사 과정에서는 다양한 전사 인자를 필요로 합니다. 프로모터 영역에 존재하는 CpG island가 메틸화되면 생기는 구조적 변화 때문에 전사 인자의 접근이 저해됩니다. 동시에 MBD(Methyl-CpG-binding domain protein)라는 단백질이 CpG지역에 결합하게 되고, 이들은 DNA를 응축하는 히스톤 단백질의 탈아세틸화를 촉진합니다. 아세틸기(-COOH)는 음전하를 띠기 때문에 탈아세틸화가 되는 경우 음전하를 띠는 DNA가 히스톤 단백질에 더 강하게 응축됩니다. 결과적으로 DNA는 히스톤 단백질과 함께 헤테로크로마틴(heterochromatin)이라고 불리는 강하게 응축된 형태가 되어 유전자의 발현이 저해됩니다. 이렇게 DNA의 메틸화는 특정한 유전자의 발현을 줄이는 방식으로도 작동합니다.

지금까지 DNA의 메틸화와 그에 따른 유전자의 발현 변화를 알아보았습니다. DNA 메틸화가 일어나는 위치는 자손에게 전해지며 일부 보존되기에 환경에 대한 적응이 유전되도록 만들기도 하고, 유전자의 활성을 조절하여 각종 질병과의 연관성도 존재한다고 합니다. 글의 내용이 흥미로웠다면 다른 후성유전학의 요소들을 공부해 보는 것은 어떨까요?

참고 자료
[1] Catherine B. Klein et al. DNA methylation, heterochromatin and epigenetic carcinogens, Mutation Research 386 (1997) pp.163~180
[2] 후성유전체와 전사 조절 https://blog.daum.net/claus/8931893
[3] DNA METHYLATION과 CPG ISLAND https://2wordspm.com/2020/03/12/dna-methylation%EA%B3%BC-cpg-island/
[4] 후성유전학(epigenetics), 유전자 조절에서 DNA 메틸화
https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=hyouncho2&logNo=60090909848

글. 무은재학부 20학번 26기 알리미 최건우