에이즈 치료제 개발에 있어서의 epigenetics 연구 동향
Current progress in epigenetic research for the development of therapeutic strategies

질병관리본부 국립보건연구원 면역병리센터 에이즈ㆍ종양바이러스과      
  

Ⅰ. 들어가는 말
  Epigenetics란 DNA염기서열의 변화를 초래하지 않고 유전자의 조절에 변화가 일어나는 현상을 연구하는 분야로 1940년대 영국의 발생학자이며 유전학자인 Waddington이 “유전자가 환경과 상호작용하여 표현형(phenotype)을 만들어 낸다.”라는 의미로 ‘Epigenetics'라는 단어를 처음 기술하였다[1]. 즉, epigenetics란 같은 유전자를 지닌 개체 간에 나타나는 표현형상의 차이점이라든지, 각 개인별로 나타나는 질병 저항성의 상이함 등 기존의 학문으로는 설명이 어려웠던 현상의 규명에 한층 힘을 실어 줄 수 있는 학문이기도 한 것이다. 
  인간 게놈 프로젝트의 완성 이후 유전자지도만 완성되면 모든 질병치료의 열쇠를 얻을 것으로 기대했던 것이 예상보다 저조한 실적에 그치고 있는 것도 어쩌면 epigenetics의 측면을 간과한데서부터 시작하지 않을까 생각된다. 실제로 유인원과 인간의 DNA염기서열은 90% 이상 일치하고, 바나나와의 일치도 역시 50%에 달하는 것을 생각하면 단순한 유전자 서열의 차이만으로 유전 현상과 개체의 다양성 그리고 질병의 원인을 설명하기는 어려울 것으로 생각되며 또한 유전자 결함으로 초래되는 질병의 발병유무 역시 유전자의 차이로만으로는 설명이 불가능한 것이 사실이다. 이러한 범주에서 점차 epigenetics의 중요성이 부각되고 있으며, 암이나 유전질환뿐만 아니라 감염질환에서도 epigenetics를 도입하여 문제를 해결해 보려는 시도가 진행되고 있다. 이에 본 원고에서는 만성화되어 가고 있는 AIDS에 있어서 이러한 epigenetics가 어떻게 도입되어 연구가 진행되고 있는지를 살펴보고자 한다.

Ⅱ. 몸 말
  1. Epigenetics의 기전
  인간의 유전자는 세포내 핵 속에 chromosome형태로 histone단백질과 결합되어 존재하게 되는데 일반적으로 응집되어 있어서 전사가 불활성화되어 있는 이질염색질(heterochromatin) 부위와 전사에  관여하는 효소가 결합 가능한 구조로 풀려 있어 전사가 활성화되어 있는 진정염색질(euchromatin) 부위로 나누어지게 된다.
  DNA메틸화와 histone단백질의 변형(메틸화, 아세틸화), nucleosome positioning 그리고 small RNA와 같은 epigenetic한 요인들이 상호적으로 작용하여 유전자 발현을 조절하게 되는데[2], 앞서 말한 heterochromatin 부위는 histone3의 lysine9부위에 di- 혹은 tri- 메틸화되어 있어서 유전자 발현을  억제하기 위한 응집된 구조유지에 중요한 역할을 하게 되고, euchromatin 부위는 전사조절물질의 결합을 용이하게 하기 위해 풀린 구조를 유지해야 하므로, 메틸화가 억제되어 있는 CpG island가 존재하게 된다.
이런 식의 epigenetic한 요소 중에서 가장 잘 알려진 것이 DNA메틸화이다. 이것은 두 가닥의 DNA가 모두 발현되는 것을 막기 위한 기전 중의 하나로 알려져 있기도 하다. 즉, 주형가닥의 DNA만 전사되어 단백질을 발현하고 비 주형 가닥의 전사는 억제시켜서 단백질의 이중 발현을 억제하는 것이다.
  또 다른 기전으로 알려진 것으로 histone단백질의 변형이다. 진핵생물의 뉴클레오좀은 histone H2A, H2B, H3, H4 각각의 이합체로 구성되어 있고, N말단 쪽에 아세틸화, 메틸화, 유비퀴틴화, 인산화 등과 같은 화학적 변형이 일어난다. 이러한 histone변형은 DNA-histone 결합에 영향을 미치기 때문에 크로마틴 구조와 밀접한 연관성을 나타내며 암과 같은 종양 형성뿐만 아니라 세포 발달과정에서 유전자의 기능에 높은 상관관계를 보여준다. 일반적으로 histone 인산화는 유전자의 활성화와 관련된다고 알려져
있고, histone 유비퀴틴화는 다른 histone변형과 달리 유비퀴틴화가 일어난 장소에 따라 유전자의 발현 또는 억제에 중요한 역할을 하고 있다고 알려져 있다[3].

  2. HIV-1 잠복감염에 있어서의 epigenetics
  암은 유전적인 결함뿐만 아니라 epigenetic한 측면에서 가장 활발히 연구되고 있는 분야 중의 하나이다. Epigenetic 기전의 문제로 야기되는 DNA 메틸화의 결여 그리고 histone변형의 패턴, miRNA발현의  문제 등이 암의 원인 중의 하나로 거론되고 있을 뿐만 아니라 암의 종류에 따른  epigenetic한 원인도 정리가 되어 있는 상황이다. 또한 이를 이용한 치료제 개발도 활발히 진행 중에 있다. 그 중에 DNMTs(DNA Methyltransferases), HDACs(Histone Deacetylases), HATs(Histone Acetyltrans-ferases) 등의 효소와 관련된 억제제를 이용한 치료제 개발이 활발하다[4].
  에이즈에 있어서도 최근 epigenetic한 측면을 도입하여 치료제를 개발하려는 움직임이 활발하게 진행 중이다. 에이즈 치료에 있어서 가장 문제가 되는 것 중의 하나가 HIV-1 잠복감염세포(latent reservoirs)인데, HAART(Highly Active AntiRetroviral Therapy) 치료를 받는 환자라도 HIV-1 바이러스가 숙주 세포내에 침투하여 그 유전자발현을 억제시킨 상태로 유지한다면 약제들의 공격을 피해  살아남아 오랫동안 숙주 체내에 남아있기 때문이다. 따라서 대부분의 에이즈 치료제들은 숙주세포에  숨어서 유전자발현을 억제시키고 있는 잠복감염세포에 epigenetic한 변형을 유도하여 HIV-1 유전자를 활성화시키는 기전을 선택하고 있다. 일반적으로 잠복감염세포내의 HIV-1유전자는 프로모터 부위에 nuc-0과 nuc-1으로 명명된 두 가지 뉴클레오좀을 가지고 있어서 이들 뉴클레오좀이 HIV-1 유전자의 전사를 억제하고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 세포에 PMA(Phorbol 12-Myristate 13-Acetate)나 TNF-a(Tumor Necrosis Factor-alpha)와 같은 약제의 처리를 통해 nuc-1 뉴클레오좀 특이적인 remodeling을 유도하여 전사가 억제되어 있는 5'LTR(Long Terminal Repeat) 부위의 전사를 촉진시켜 HIV-1유전자의 발현을 활성화시키는 것도 세포활성화의 한 예라고 할 수 있다. 이 밖에 HIV-1의 잠복감염에 관여하는 것으로 알려진 epigenetic한 기전의 한 예가 메틸화기전이다. 실지로 잠복감염세포  내에 존재하는 HIV-1유전자의 프로모터 부위 CpG 메틸화는 HIV-1뿐 아니라, HTLV-1(Human T-cell leukemia virus), MMTV(Moloney Murine Leukemia virus)와 같은 레트로 바이러스에서도  보고된 바 있는 잠복감염기전  중의 하나이다[5].

  3. 에이즈 치료제 개발에 있어서의 epigenetics
  현재의 HAART 치료는 HIV-1 RNA의 plasma level을 50 copies/ml 이하로 감소시킬 수는  있지만 숙주 내에서 완벽한 제거가 어렵기 때문에 사실상 완치가 어려운 실정이다. DNA와 histone의 메틸화, 탈아세틸화 기전이 공조하여 잠복 감염세포 내에 HIV-1 provirus의 chromatin구조를 억제하고 있는 것으로 알려져 있다. 몇몇 연구보고 자료들에 따르면 HDAC inhibitor나 PKC agonist 등의 처리로   잠복감염세포의 수를 줄이는데 어느 정도의 효과를 보았는데, 이들 치료를 중단할 시에 몇 주 이내로 다시 원래 상태로 회복되는 문제점이 관찰되었다. 따라서 최근의 연구는 다른 종류의 약제를 동시에  처리하는 등의 방법으로 synergistic한 효과를 얻을 수 있으리라는 가정 하에 진행되고 있는 상황이다. 소위 말해서 'shock and kill’ 전략으로 잠복감염세포를 활성화시킨 이후에 소멸시키려는 것으로 세포를 활성화시키는 약제와 제거시키는 약제를 동시에 투여하여 그 효과를 얻을 수 있으리라 생각하고 있다. 최근 HIV-1의 활성제로서 작용하는 HDAC inhibitor와 BSO(glutathione-synthesis inhibitor buthionine sulfoximine)의 혼합 사용이 그 대표적인 예라 할 수 있겠다. 이 약물들의 병행 사용의 이점은 BSO로 인해 HDAC inhibitor가 HIV-1 발현의 활성화에 적합한 환경을 조성함으로써 잠복감염세포의 활성화를 증폭시킬 뿐만 아니라, 비 감염세포에는 해를 끼치지 않아 향후 그 활용이 기대되고 있는 방법 중의 하나이다[5].
 

Ⅲ. 맺는 말

  에이즈는 항 레트로 바이러스 치료제에 의한 치료 등을 통해 만성감염질환으로서의 인식이 확산되고 있다. 하지만 아직 완치는 불가능한 상황이라 환자는 평생 동안 약물을 복용해야 하며 약물에 대한 내성 출현과 약물 부작용은 새로운 약제 개발을 지속적으로 요구하고 있다. 따라서 연구자들은 바이러스 자체에 집중했던 과거의 연구방법에서 숙주세포에 대한 이해로 그 관심을 돌림으로써 epigenetics 기전을 이용한 에이즈 치료제에 대한 연구를 수행하고 있다. 이를 통해 현재는 바이러스가 침투되어 변형시키는 숙주세포 핵 속의 변화에 주목함으로써 그 완치의 가능성에 한 발짝 더 다가서게 되었다고 할 수 있겠다.
  아직은 임상적용의 가능성 등 극복해야 할 과제가 많이 남아 있지만 여러 가지 방법을 통한 다양한 접근 방법이 활발히 진행된다면 에이즈 완치의 가능성도 곧 실현될 수 있으리라 생각한다.

Ⅳ. 참고문헌

 1. 생물정신의학(2008) 15(4):243-253
 2. Nature Reviews Genetics(2008) 9:179-191
 3. www.bioin.or.kr 2009년 13호 ‘후성유전체 연구동향’
 4. Folia Biologica(Praha)(2010) 56;83-96
 5. Laurence Colin, Carine Van Lint ; Molecular control of HIV-1 postintegration latency; implications for the development of new therapeutic strategies.
     Retrovirology 2009, 6;111.