Chromatin architecture reorganization during stem cell differentiation
Nature 518,331?336 (19 February 2015) doi:10.1038/nature14222

유전자 조절 메커니즘 연구는 발생/분화 과정 및 질병 현상 이해에 있어 매우 중요합니다. 하지만 현재까지도 유전자 조절 과정을 명확하게 이해하지 못하고 있기에 계속해서 새로운 조절 메커니즘을 밝혀내는 시도가 이루어지고 있습니다. 이러한 관점에서 최근의 몇몇 연구들은 크로마틴 삼차 구조 정보를 활용하여 유전자 조절 메커니즘에 대한 이해를 시도하고 있습니다. DNA는 접힘을 통해 계층 구조를 이루고 있고, 이에 따라 크로마틴 삼차 구조에 대한 이해는 보다 명확한 유전자 조절 메커니즘 규명을 위한 단서를 제공할 수 있을 것으로 예상 됩니다. 2009년 3C (Chromosome Conformation Capture) 기술에 기반한 Hi-C 실험 방법이 개발되면서 크로마틴 삼차 구조 연구가 급속도록 진행되고 있습니다. 현재까지 Hi-C 실험 데이터를 기반으로 찾아낸 크로마틴 삼차 구조에 관한 중요한 사실들은 염색체는 크게 Compartment A와 B라는 두 지역으로 나눌 수 있으며, 각각의 Compartment 지역은 Topologically associated domain (TAD)라는 국지적으로 매우 강한 물리적 상호작용을 (Spatially isolated but highly self-interacting) 하는 더 작은 단위로 세분화 될 수 있다는 점입니다.
하지만 여전히 크로마틴 삼차 구조 패턴과 유전자 조절 메커니즘의 관계는 명확하게 밝혀지지 않고 있습니다. 이에 본 논문에서는 인간 배아 줄기세포 분화 과정에서 크로마틴 삼차 구조 패턴을 연구하여 크로마틴 삼차 구조가 분화 과정에서 변화 하는지, 변화 한다면 분화 특이적 유전자 조절과 관련이 있는지 등에 관한 연구를 진행하였습니다.

1. 줄기세포 분화 과정에서의 역동적 Compartment A/B 패턴

줄기세포 분화 과정에서 크로마틴 삼차 구조를 이해하기 위해, 먼저 인간 배아 줄기 세포 (Human embryonic stem cell: hESC) 및 줄기세포로부터 분화된 네 개의 세포주에 대해서 (Mesendoderm: ME, Mesenchymal stem cell: MSC, Neural progenitor cell: NPC, Trophoblast-like: TB) Hi-C 실험을 수행하여, 총 38억 개 정도의 크로마틴 상호작용 정보를 얻었습니다. 위의 실험 결과를 바탕으로 수백만 염기쌍 단위에서 (2~3Mbp scale) 크로마틴 삼차 구조를 이해하기 위한 Compartment A/B 분석을 수행하였고, 이를 통해 크로마틴 상호 작용 패턴의 유사도에 따라 각각의 염색체 내부를 두 그룹으로 나눌 수 있었습니다. 분화 과정에서도 이들의 패턴을 분석해 본 결과, 줄기세포 분화 과정에서 매우 역동적인 Compartment A/B 패턴의 변화가 수반됨을 알 수 있었습니다 (그림 1a). hESC를 기준으로 염색체의 36% 지역이 분화 과정에서 Compartment A/B 패턴의 변화를 보였으며, 이를 통해 줄기 세포 분화 과정에서 역동적 크로마틴 삼차 구조 변화가 수반 됨을 알 수 있었습니다. 특히나 Compartment A/B 패턴만으로도 세포주들 사이의 유사도를 잘 표현할 수 있었고, 이는 다시 한번 크로마틴 삼차 구조가 세포의 정체성을 잘 나타낼 수 있는 중요한 특성임을 알 수 있었습니다 (그림 1b).
이어서, 이 역동적 크로마틴 삼차 구조 변화가 줄기세포 분화 특이적 유전자 발현과 연관이 있는지에 관하여 탐구 하였습니다. 일반적으로 Compartment A지역은 유전자 발현과 양의 상관 관계가 있다고 알려져 있기 때문에, 분화 특이적 발현을 보이는 유전자들은 분화 특이적 Compartment A지역에 많이 분포 할 것으로 예상하였습니다. 실제로 줄기세포 분화 특이적 발현을 보이는 유전자들은 분화 특이적 compartment A지역에 통계적으로 매우 유의미하게 많이 분포하고 있음을 관찰 할 수 있었습니다 (그림 1c). 이는 줄기세포 분화 특이적 크로마틴 삼차 구조 변화가 분화 특이적 유전자 발현과 밀접한 관련이 있음을 뒷받침하는 결과입니다.

2. 줄기세포 분화 과정에서 TAD 단위의 크로마틴 상호 작용 변화

Compartment A/B 패턴 분석 이후, 각각의 Compartment의 세부 단위로 생각할 수 있는TAD (Topologically associated domain) 단계에서의 크로마틴 삼차 구조 변화를 관찰하였습니다. 각각의 TAD는 대략 수십만 염기쌍 (500~1000Kbp) 단위에서 정의되며, 인간 염색체에서는 대략 1700~2000 개 정도의 TAD를 정의 할 수 있습니다. 이에 따라 먼저, 줄기세포 분화 과정에서 각각의 세포주에 대하여TAD 를 정의하고 이들의 변화를 살펴 보았습니다. TAD의 경계는 줄기 세포 분화과정에서 매우 잘 보존되는 패턴을 보였는데, 이는 TAD가 염색체 삼차 구조를 형성하는 기본 구성이 될 수 있음을 뒷받침 해줍니다 (그림 2a). 이어서 TAD 내부의 크로마틴 상호 작용 변화에 대한 관찰을 진행하였습니다. 놀랍게도 TAD내부의 크로마틴 상호 작용은 분화 과정에서 TAD 단위 별로 전체적으로 증가 또는 감소하는 패턴이 나타났는데(그림 2b), 이는 줄기세포 분화 과정에서 TAD단위의 크로마틴 상호 작용 변화가 수반됨을 보여줍니다.
이후, 줄기 세포 분화 과정에서TAD단위의 크로마틴 상호 작용 증가 감소가 줄기세포 분화 특이적 유전자 발현과 연관이 있는지 살펴 보았습니다. 유전자가 발현되기 위해서는 인핸서와 프로모터 지역의 상호 작용이 중요하다는 가정 아래, 각각의 분화 특이적 유전자들은 분화 특이적 크로마틴 상호 작용이 증가하는 TAD에 위치할 것이라 예상하였습니다. 저희의 예상대로 각각의 분화 특이적 유전자들은 분화 특이적으로 크로마틴 상호 작용이 증가하는 TAD에 위치하고 있었습니다 (그림 2c).
위의 결과들을 종합적으로 살펴보면, 본 연구는 줄기세포 분화 특이적 유전자 발현은 줄기세포 분화 특이적 크로마틴 상호 작용 변화와 밀접한 관련이 있음을 지지해 줍니다.

3. 크로마틴 상호 작용 변화와 후성유전적 변화

줄기세포 분화 과정에서의 역동적인 Compartment A/B 패턴과 TAD내부의 크로마틴 상호작용 변화 관찰을 통해 이들과 줄기세포 분화 특이적 유전자 발현과의 밀접한 관련성을 밝혀낸 후, 역동적 크로마틴 삼차 구조 변화의 원인에 대한 탐구를 진행하였습니다. 먼저 TAD단위에서의 크로마틴 상호 작용의 변화가 TAD단위에서의 후성유전적 변화와 매우 강한 상관 관계를 보임을 관찰 할 수 있었고(그림 3a), 이를 바탕으로 크로마틴 후성유전적 변화가 크로마틴 삼차 구조 변화의 원인이 될 수 있을 것이라 가설을 세울 수 있었습니다. 이를 검증하기 위한 직접적인 방법으로는 크로마틴 후성유전적 상태를 변화시키고 크로마틴 삼차 구조를 관찰해야 하지만, 이 방법은 유전체 규모의 대규모 검증이 어렵다는 단점이 있습니다. 이에 간접적인 방법으로 크로마틴 후성유전적 변화를 바탕으로 크로마틴 삼차 구조 변화가 예측 가능한지를 테스트 해보았습니다. 만일 크로마틴 삼차 구조 변화가 크로마틴 후성유전적 변화에 따라 잘 예측이 된다면 둘 사이에 존재하는 밀접한 관련성을 뒷받침 할 수 있을 것입니다. 이를 위해 먼저, 줄기 세포 분화 과정에서 사만 염기쌍 단위로 크로마틴 상호 작용이 증가하거나 감소한 지역을 지정하고, 이들 지역의 후성유전적 변화를 여섯 개의 히스톤 변형 지표와 CTCF 그리고 DHS (DNase I Hypersensitive site) 정보를 이용하여 정의하였습니다. 이어서 Random Forest 알고리즘을 활용한 예측 계산 모델을 만들어 후성유전적 변화 데이터를 통해 크로마틴 상호 작용 변화를 예측해 보았습니다. 그 결과 80% 이상의 정확도로 크로마틴 상호 작용 변화를 살펴볼 수 있었습니다 (그림 3b). 더불어 인핸서 지표로 알려져 있는 히스톤 H3 라이신 단일 메틸화 (H3K4me1) 지표가 예측 모델에서 가장 중요한 변수로 활용 되었는데, 이는 크로마틴 상호 작용에 있어 인핸서의 역할이 중요할 수도 있다는 가능성을 제시합니다. 종합적으로 본 결과는 줄기세포 분화 특이적 후성유전적 변화가 줄기세포 분화 특이적 크로마틴 상호 작용 변화와 밀접한 관련이 있음을 뒷받침 합니다.

본 연구에서는 인간 배아 줄기세포 분화 과정에서 염색체 삼차 구조가 역동적으로 변화하며, 이 변화가 줄기세포 분화 특이적 유전자 발현과 관련이 있음을 증명하였습니다. 비록 본 연구를 통해 크로마틴 삼차 구조와 유전자 조절, 그리고 후성유전적 변화 사이의 원인 결과를 규명하지는 못하였지만, 이들 사이의 밀접한 관계를 최초로 제시했다는 점에서 의의가 크다고 할 수 있습니다. 나아가 줄기세포 분화 과정에서 크로마틴 삼차 구조 정보를 이해하기 위한 자료 및 가설을 제시 했다는 점에서 향후 크로마틴 삼차 구조 관점에서 줄기세포 분화 메커니즘을 이해하는 연구에 많은 도움이 될 것으로 예상됩니다. 이러한 연구의 중요성을 인정받아 본 연구는 Roadmap Epigenome Project의 일환으로 New York Times를 비롯한 70여 개가 넘는 매체에 소개되었습니다.