유전자 스위치 : 최신 과학으로 읽는 후성유전의 신비
장연규
연세대학교시스템생물학과교수로재직중이다.서울대학교에서분자세포생물학연구로박사학위를받고,미국노스캐롤라이나주립대에서유전자와환경의상호작용모델로DNA회복기작연구를이어갔다.1998년에염색질구조와기능에대한궁금증을풀고자후성유전학연구를시작했으며,주로고도로압축포장된이질염색질구조가어떻게형성되는지를연구했다.2002년부터는국립암센터연구소의책임연구원으로후성유전조절과암발생의관련성을연구했다.연세대학교로옮긴후배아줄기세포의분화과정과후성유전의연관성을연구했으며,여기서얻은영감으로항암제내성과암재발의주요원인인암줄기세포의특성과기능에후성유전조절시스템이어떻게연관되는지를연구하고있다.또한암줄기세포에선택적으로작용하는약물개발에도기여하고있다.한국분자세포생물학회에서에피유전체학분과장을지낸바있다.
추천의글 ·005
서문 ·008
1부 후성유전이란?
1장라마르크의귀환,후성유전 ·017
라마르키언,라마르크의후계자들｜후성유전학의등장｜획득형질유전의증거
2장디지털암호로된DNA속의유전정보 ·040
DNA속의유전정보를읽어내는과정｜DNA에유전정보를저장하는방법｜DNA유전정보로부터단백질을만드는원리
3장DNA의포장시스템 ·057
2부 같은DNA,다른운명
4장일란성쌍둥이는완전히똑같을까? ·069
5장우리몸을만드는세포의탄생비밀 ·077
6장유전자와형질의일반적인관계 ·088
나비의날개색깔로살펴본유전자와형질의관계도｜유전자의존재감을부각하는형질들
7장DNA는우리의운명이라는등식을깨는미스터리들 ·102
유전자와환경의상호작용이만드는신기한표현형｜후성유전적작동시스템과연관된표현형｜후성유전적으로설명되지않는미스터리표현형
3부 후성유전으로풀어낸생명현상
8장DNA포장시스템의특별한사용설명서 ·123
이질염색질연구의시작과최대전환점｜압축포장의결과물인이질염색질의종류와역할｜이질염색질을만드는압축포장기술의원리
9장종보존을위한분자저울 ·154
성결정시스템과분자저울의상관관계｜생물종에서발견되는다양한분자저울시스템｜포유류에서압축포장된성염색체의발견과의미｜포유류분자저울시스템의원리
4부새롭게밝혀진질환의원인,후성유전오류
10장단성생식을막아라 ·177
생쥐모델에서의각인현상｜각인과연관된사람의유전질환
11장세포기억시스템의기적 ·197
초파리모델의개체발달과정｜개체발생의기적을가져다준세포기억시스템
12장우리몸속의암세포를찾아서 ·211
암세포의기본특성과발생원인｜후성유전적오류에의한돌연변이｜후성유전학에서찾은암치료의새로운길｜암환자생존율개선을위한새로운전략
나가며:생물학연구의블루오션,후성유전학 ·234
에필로그 ·242
추위를견뎌내야만꽃을피우는식물의비밀｜세포기억시스템의오류와암발생｜후성유전으로풀어본노화와식생활상식｜생체시계를관리하는후성유전｜장내미생물-숙주세포상호작용도후성유전적변화가동반된다｜후성유전이란극장의레드카펫을빛내는비암호화RNA
감사의글 ·266
참고문헌 ·268
유전자가같아도삶이달라지는이유
유전자스위치로작동하는후성유전시스템
운명을결정하는것은유전자일까혹은노력일까?살면서우리가얻게된능력은다음세대까지영향을끼칠수있을까?유전자가모든것을결정한다면우리자신과다음세대의삶을바꾸기위해우리가할수있는일은없는걸까?다윈과라마르크에의해시작된획득형질유전에대한문제는생물학과진화유전학의중심에서오랜시간논쟁을이어왔다.하지만20세기중반DNA의구조가밝혀지고모든것이유전자에의해결정된다는유전자결정론이지배하게되자유전이외의영향력에대한주장은힘을잃는듯이보였다.논쟁의판도를바꾼것은후성유전학(Epigenetics)이다.후성유전은DNA염기서열의변화없이DNA발현과기능이변화하고세대간에유전되는현상을말한다.같은유전자를갖고태어난사람도환경과경험에따라형질이바뀔수있다는것이다.
20세기후반본격화한후성유전연구는우리몸에유전자발현을조절하는시스템이존재한다는사실을발견했다.인간세포의핵에존재하는DNA에는염기서열의형태로유전정보가기록돼있다.그런데우리몸은유전자에있는모든정보를사용하는것이아니라필요에따라일정정보를활성/비활성화해활용한다.이때DNA일부구간의정보를켜고끄는시스템이바로후성유전시스템이다.타고난유전자는변하지않지만우리의습관이나먹는음식,환경등이유전자스위치작동에영향을준다.또한이스위치의온/오프결정이유전되는현상도지속적으로발견되고있다.유전자를바꿀수는없지만그발현과변형은대물림될수있는것이다.이제관련연구는질환치료와예방,양육과교육,습관과식성등주변의환경과몸의상호작용에대한광범위한주제로확장되고있다.후성유전학이생물학과유전학의중심으로떠오르고있는것이다.
국내최고전문가의후성유전해설
최신후성유전연구를한권에담다
수년간후성유전학강의를진행하고있는저자인연세대시스템생물학과장연규교수는후성유전에대한개념과최신동향을알기쉽게소개하기위해『유전자스위치』를썼다.후성유전학은단순히DNA의형질변화를이끌기위해사용하는도구만은아니다.후성유전은우리몸이어떻게만들어지고작동하는지를알려주는신비로운생명현상중하나다.이때문에책을읽다보면후성유전시스템의구체적인과정뿐만아니라우리몸의다양한현상들도함께이해할수있다.후성유전의영향은실로방대하다.정자와난자가결합한수정란이분화하고개체가형성되는발생학적과정,신체가외부바이러스에대항해일어나는면역반응,부계나모계중한쪽유전자의발현을차단하는각인유전자,특정질환을유발하거나억제하는유전자의발현과정등우리몸에서일어나는다양한신비가후성유전과관련된다.생물학과유전학을아우르는총체적인시선을갖춘저자의안내를통해독자들은후성유전과함께인체의신비가더욱선명하게이해되는경험을할수있을것이다.
『유전자스위치』는총12개의장으로구성돼있다.1장에서는기존유전학이후성유전학과어떤차이가있는지와라마르크의획득형질유전이확인된예를설명한다.2장과3장에서는후성유전의시스템을설명하기위해유전자의구조와유전자가응축되고포장되는과정을다루고있다.4장에서는일란성쌍둥이의유전자발현이서로달라지는이유를후성유전과관련해상세히설명한다.5장에서는생명탄생을위한세포분화과정에서후성유전시스템의역할을알려준다.6장과7장에서는유전자형과형질의관계를설명하는멘델의유전법칙등전통적인유전의틀을깨는생명현상과여기에후성유전적시스템이개입하는경우들을소개한다.8장에서는후성유전이이루어지는주요방식중하나인DNA포장시스템을상세히살피고,최고수준으로압축포장된이질염색질이구성되는다양한현상들을확인하며,9장에서는분자저울시스템을통해일어나는X염색체불활성화현상과이를위한차별화된압축포장방식을사용하는XistRNA의활약을다루고있다.10장에서는몇몇유전질환과함께각인현상을좀더상세히살피고있으며,11장에서는생명이수정란에서성체가되기까지같은세포가어떻게후성유전에의해각각의기관이될수있는지세포기억시스템과관련해설명한다.끝으로12장에서는암을치료하기위한후성유전의원리와관련약물개발의동향을살핀다.
획득형질은유전될수있다
경험이다음세대로이어지는방식
저자는후성유전의개념을설명하기위해먼저획득형질의유전을주장했던라마르크의주장을재검토한다.많이쓰는형질은발달하고쓰지않는형질은퇴화한다는라마르크의‘용불용설’은당시널리받아들여졌다.하지만그렇게획득한형질이유전된다는주장은학자들에게조롱을받았으며현대에이르기까지인정받지못했다.만약유전자의염기서열은바뀌지않으나발현이달라지고그에따른형질이유전되는현상을획득형질의유전이라할수있다면후성유전학의등장이후라마르크의주장은재고돼야한다.
저자는후성유전학적변화가유전되는두가지방식을실험사례와함께소개하고있다.먼저생식세포를통해유전되는경우다.아벨어니스트(AbelErnest)박사연구팀과조르주쏠레이(GeorgesTholey)그룹은숫쥐를알코올에일정기간노출한후야생형암쥐와교배했을때자손개체중수컷의체중이감소하고인지기능장애및행동장애를보이며사망률이증가하는것을확인했다.이러한형질의변화는3세대수컷자손에게도전달되었다.숫쥐모델연구는돌연변이가아닌후성유전학적시스템으로일어난형질변화가생식세포를통해자손에게전해진다는사실을명확하게했다.또한경험의존적방법으로유전이일어나기도한다.설치류를모델로한연구에서는생후1주일간수유기돌봄의양상에따라새끼의행동특성이결정되고성체가된후에도그특성이변하지않고유지되는것을확인했다.수유기에좋은돌봄을받은새끼들은형질변화로인해성체가되어자손을얻었을때새끼를더잘돌보게된다.이는경험을통한획득형질도다음세대로전달될수있음을알려주는결과다.생식세포그리고경험의존적유전은모두우리에게중요한시사점을던져준다.후성유전학적변화가생물진화에영향을줄수있다는점은물론이고단순히유전자운반체가아닌개인들에게자신의운명과사회를변화시키는선택과주도권,그영향력의무게를다시금일깨워주기때문이다.
유전자너머의생명원리
운명을바꾸는DNA포장·응축의기술
유전자의발현을조절하는후성유전시스템은어떻게작동할까?후성유전시스템을설명하기위해저자는DNA와그구조에서부터시작하고있다.우리세포안에존재하는DNA의길이는수미터에달하지만DNA를담는세포핵의지름은5~8마이크로미터에불과하다.난제를해결하기위해우리몸은압축시스템을만들어냈다.DNA가닥을히스톤단백질이라는구체에1.75번감아염색질의형태로포장하는것이다.이런실모양의염색질이세포분열시뭉치면우리가흔히아는X자모양의염색체가된다.
우리몸은삶을영위하기위해끊임없이DNA의유전정보를활용해다양한활동을해야한다.성장기세포분열,피부세포의재생,항체를만드는과정등때마다DNA에서정보를읽어내단백질을만든다.이때필요한것이DNA정보를읽어내단백질을만들어내는RNA다.그런데필요한유전자에서만RNA를만들어단백질생산에사용하며,불필요한유전자에서는RNA를만들지않는다.우리몸속의모든세포는같은유전체를공유하지만,필요한유전자와불필요한유전자를구분하여선별적으로전사하는방식으로형질의변화가일어나는것이다.이렇듯유전자의전사여부를결정하는관리자가바로후성유전시스템이다.전사를차단하기위해DNA를감은히스톤구체의간격을좁혀응축시킨다.심한압축포장탓에RNA합성에필요한조절인자들이접근하지못하도록하는것이다.이를위한몇가지기작이있다.다양한히스톤메틸화중일부는특정히스톤꼬리에메틸기암호를새겨응축을일으키고전사를불가능하게한다.반대로히스톤아세틸화는히스톤의응축을해제해전사를가능하게한다.DNA메틸화는유전자프로모터부위에메틸기암호가붙어특정영역을읽어내지못하게하는태그기능을하며히스톤메틸화와함께압축포장또는응축을완성해낸다.이외에도원본DNA로부터전사를활성화하고비활성화하는다양한유전자스위치의작용이모두후성유전의영역이라할수있다.
후성유전의시대가온다
후성유전시스템조절로암을치료한다
유전자발현의조절은생명체에서일어나는수많은현상을설명해준다.다른환경에서자란일란성쌍둥이의형질변화양상,우리몸안의DNA가모두동일한데도다른신체기관으로발달할수있는이유,유전자에모든정보가있음에도인간이단성생식을할수없는이유,부모의털색이아닌모자이크색을갖고태어나는생쥐와고양이,프레드윌리증후군(PWS)과엔젤만증후군(AS)이발생하는이유,종양억제유전자가발현되지않는이유등이모두후성유전과관련되어있다.저자는이들사례를통해서후성유전시스템이어떻게작동하는지그리고지금우리시대의과학이어느정도까지관련현상을해명하고있는지쉽고상세하게설명하고있다.
특히최근높은관심을받고있는후전유전학관련암치료제보리노스태트(Vorinostat)와암발생과정에대해서도많은지면을할애해설명한다.좀비처럼무한히증식하고우리몸의세포를파괴하기도하는암은유전자돌연변이에의해발생하는것과후성유전시스템오류로인해발생하는것으로구분할수있다.저자는기본적으로암발생의원인이되는원발암유전자와종양억제유전자의세포증식및억제의원리를설명하고후성유전학적오류,즉후성돌연변이(epimutation)로인한암발생과정을구체적으로밝혀준다.이뿐만아니라후성유전학과관련한다양한약물의개발과정과전략,원리를소개하며후성유전학이암치료에어떻게기여할수있는지그전망도함께살피고있다.