Abstract


Although human papillomavirus (HPV) infection has been found in most of the cervical cancer cases, additional genetic and epigenetic changes are required for disease progression. Previously, it was thought that only genetic mutation plays a key role in cervical cancer development. But recent advances in the biology of cervical cancer revealed that epigenetic alteration is common in cervical carcinogenesis. This includes epigenetic alteration due to aberrant DNA methylation, histone modification, and noncoding RNAs, especially miRNA and lncRNA. This review described the recent progress of epigenetic study for cervical cancer research including the role of these epigenetic changes in disease progression, their prognostic values, and their use in targeted therapy.


I. 들어가는 말


  인유두종바이러스(Human papillomavirus, HPV)는 전 세계적으로 비교적 흔한 성매개 감염 바이러스로, 고위험 HPV 유전형의 지속감염은 자궁경부암(cervical cancer)의 주요 원인으로 밝혀져 있다[1]. HPV는 파필로마바이러스과에 속하는 DNA 바이러스로, 바이러스 복제에 관여하는 긴 조절 부위(Long coding region, LCR), 바이러스 복제와 암화를 담당하는 초기 유전자(E1, 2, 4, 5, 6, 7), 그리고 피막 생성을 담당하는 후기 유전자(L1, 2)로 이루어져 있다. 특히, E6와 E7 유전자는 자궁경부암화를 야기하는 주요 발암단백질로 대표적인 암억제 유전자인 p53의 불활성화와 pRB의 인산화를 조절함으로써 암화에 기여하는 것으로 알려져 있다[1, 2]. 그러나 고위험 HPV 유전형의 지속감염만으로 자궁경부암화를 설명하기에는 충분하지 않으며, 암으로의 진전을 위해서는 유전적(genetic) 혹은 후성유전학적(epigenetic) 변화가 필요하다고 알려져 있다[3].

이 중 후성유전학적 변화는 본래의 DNA 염기서열 변화 없이 유전자 발현에 영향을 미치는 크로마틴의 구조적 변화에 의하여 그 발현이 조절되는 것으로 DNA 메틸화, 히스톤 변형, 그리고 비번역 RNA에 의한 영향으로 나눌 수 있다. DNA 메틸화는 일반적으로 CpG 디뉴클레오타이드에서 나타나고 메틸화된 DNA는 유전자의 불안정성을 유발하여 특정 유전자의 전사 발현을 저해함으로 암화의 초기 변화로 인식된다. 히스톤 변형은 히스톤의 메틸화, 아세틸화, 수모화, 인산화등과 같은 변화로 인해 DNA와 DNA에 결합하여 발현을 조절하는 단백질과의 접근성에 영향을 미침으로써 유전자의 발현 조절을 가져온다[4]. 최근, 게놈(genome)상 단백질로 번역되지 않는 비번역 RNA가 건강과 질병, 특히 암화에 있어 중요한 역할을 담당한다는 것이 보고되고 있는데[5], 여기에는 microRNA(miRNA)와 long noncoding RNA(lncRNA)가 포함된다. 이처럼 최근 HPV에 의한 자궁경부암화에 있어 후성유전학적 관점의 연구가 증가하고 있는데, 이 글은 자궁경부암의 진단과 질병진전 제어 및 치료에 있어서 후성유전학적 연구결과와 그 활용방안에 대한 최신 정보를 담고 있는 “Epigenetics and cervical cancer: from pathogenesis to therapy”[6] 내용 일부를 정리한 것이다.

II. 몸 말


자궁경부암에서의 후성유전학적 연구 현황

1. DNA 메틸화(DNA methylation)
DNA 메틸화에 있어서 가장 잘 알려진 기작은 CpG 디뉴클레오타이드 내의 디옥시사이토신의 메틸화에 따른 전사 저해이다. 정상적인 세포에서 DNA 메틸화는 유전자의 정상적인 발현을 위해 다른 양상으로 발현될 수 있는 유전자의 침묵화를 유도하고, 유해하게 작용할 수 있는 끼어든 DNA 염기서열의 발현을 저해하는 역할을 한다. 그러나 암 조직에 있어서는 암 억제 유전자의 조절 부위를 메틸화하여 발현을 억제함으로 암을 유발시키는데, 이와 관련된 내용을 자궁경부암을 중심으로 살펴보고자 한다.

우선, 세포주기, 세포사멸 및 DNA 복구와 연관된 유전자의 메틸화 연구결과로 p16 (INK4A)은 cyclin 의존적인 인산화 단백질(Cyclin-dependent kinase, CDK)의 기능을 저해하는 단백질로 CDK4/6와 cyclin D 결합을 억제하고, 암 세포의 노화를 촉진함으로써 암 억제 기능을 나타내는 retinoblastoma (pRB)의 발현을 증가시켜 암화를 저해하는 기능을 갖는다. 대부분의 암에서 p16 유전자의 경우, 유전자 변이나 후성유전학적 침묵화에 의해 그 발현이 상실되어 있는데 고위험 HPV의 감염은 비정상적으로 p16 단백질의 과발현을 유도하여 자궁경부이형성의 심각성을 증가시킨다고 한다. HPV의 발암유전자인 E6와 E7는 숙주세포 성장 조절단백질인 p53과 pRB에 결합하여 p53분해와 pRB의 불활성화를 야기하는데, 이러한 기작에 의해 저하된 pRB는 유전자 불안정성을 유도하여 p16을 과발현 시키게 되고 이는 HPV에 감염된 세포의 성장을 촉진하여 질환의 심각성을 증가시킨다고 밝혀졌다. Fragile histidine triad (FHIT) 유전자는 세포성장을 더디게 하는 기능을 갖는데 자궁경부암에서는 그 발현이 저하되어 있어 비정상적 자궁경부세포의 성장을 유도하는 것으로 관찰되었다. 이러한 이유로는 유전자의 단백질을 구성하는 98번째 아미노산이 Histidine에서 Arginine으로 교체되거나, 유전자의 발현을 조절하는 프로모터의 과메틸화가 알려져 있다. 세포사멸에 중요한 역할을 하는 Ras association domain family1 isoform A (RASSF1A)는 유전자 발현을 조절하는 프로모터 위치에서의 과메틸화로 단백질 발현이 저하되어 세포 사멸이 약해짐으로서 자궁경부암화를 유도하는 것으로 나타났다. 손상된 DNA의 복구에 관여하는 O6-methylguanine DNA methyltransferase (MGMT) 또한 프로모터의 과메틸화와 히스톤 탈아세틸화로 인해 발현이 저하되어 있고, 이는 전체 자궁경부암의 약 17%에서 관찰되고 있으며 자궁경부암의 중증도에 따라 메틸화가 증가되어 있는 것으로 밝혀졌다.

세포분화 및 성장과 연관된 유전자로 wnt/β-catenin 경로와 연관되어 암억제 단백질로 작용하는 Adenomatous polyposis coli (APC)는 자궁경부암, 난소암, 자궁내막암 등에서 과메틸화에 의해 그 발현이 현저히 낮게 이루어지고 있었으며 이로 인하여 암조직에서 그 발현량이 증가되는 β-catenin과 이의 표적단백질인 cyclin D, c-Myc, ephrin, caspase의 과발현을 유도하여 암화에 기여하는 것으로 알려져 있고, 자궁경부암에서 APC 프로모터의 과메틸화는 약 60%까지 높게 관찰되고 있다. Retinoic acid receptor beta (RAR-β2)는 retinoic acid에 결합하고 세포 성장과 분화에 관여하는 단백질로, 자궁경부암 조직에서 RAR-β2 유전자 DNA의 5' 부위의 CpG 메틸화를 통해 단백질 발현이 저해되고, 메틸화 정도는 질환증상이 심해질수록, 또한 침윤성 자궁경부암으로 진행될수록 증가하는 것으로 밝혀졌다. PTEN은 단백질 인산화 분해효소로 Integrin-linked kinase (ILK)와 GSK3β를 통해 암화를 야기하는 β-catenin의 분해를 유도하는데 초기 자궁경부암 환자에서 높은 수준의 PTEN 메틸화가 나타난다고 보고되었다.

세포부착에 관여하는 유전자인 Cell adhesion molecule 1 (CADM1)의 발현 저하는 암의 침윤과 전이에 상당한 기여를 하는 것으로 알려져 있으며, 프로모터 과메틸화에 의한 CADM1의 발현 저하는 높은 단계의 자궁경부상피내 종양에서 관찰되고 암 중증으로의 진전에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 한편, CDH1 유전자로부터 생성되는 E-cadherin 단백질은 주변 상피세포간 결합을 매개하는 세포막에 위치하는 당단백질로 E-cadherin의 발현 저하와 기능소실은 자궁경부암을 포함한 다양한 상피성 종양에서 일반적으로 나타나는 현상으로 CDH1 프로모터 부위의 CpG 부위의 메틸화는 전사활성을 저해하여 암화를 유도하는 것으로 관찰되고 있다.

세포내 대표적인 신호전달자인 p53과 같은 종류의 종양 억제자인 p73은 p53과 비슷한 서열과 기능을 가지고 있으나, p53과는 다르게 인체 암조직에서 DNA 염기서열 변이에 따른 기능상실보다는 프로모터 메틸화로 인한 발현저하로 자궁경부암 환자의 38.8%에서 이와 같은 현상이 관찰되고 있다. 이와 같은 양상으로 관찰되는 유전자들로는 steroid receptor gene, calcitonin-related polypeptide alpha (CALCA), calcium ion binding hippocalcin-like protein 4 (HPCAL4), chromatin-remodeling protein (HLTF) 등이 밝혀져 있으며, 이러한 유전자들의 메틸화는 다양한 단계의 자궁경부암에서 나타나고 있다.

2. 히스톤 변형(Histone modification)
  크로마틴의 응축에 의한 전사 저해는 크로마틴을 구성하는 히스톤의 아세틸화되지 않은 lysine 아미노산의 양전하가 음전하를 지니는 DNA를 끌어당김으로써 유지된다. HAT라는 단백질은 이러한 양전하를 제거하여 유전자의 전사가 용이하도록 염색질 구조를 풀어지게 만들지만, HDAC는 아세틸화되어 전사를 진행할 수 있는 lysine 아미노산으로부터 아세틸기를 제거하여 유전자 발현이 저해되도록 한다[7]. Huang 등의 연구진들은 히스톤 변형을 가져올 수 있는 HDACs1과 2의 발현이 자궁경부질환 및 암 환자들에서 증가되어 있는 것을 임상적으로 확인하였다[8] 또한, 손상된 DNA 복구에 있어 중요한 역할을 하는 MGMT는 돌연변이성, 발암성, 그리고 세포 독성을 유발하는 알킬화제로부터 세포를 보호하는 역할을 하는데, 아세틸화된 히스톤의 감소에 따른 MGMT의 침묵화는 이러한 기능을 하지 못하게 하며, 자궁경부암 세포주인 HeLa에서는 히스톤 탈아세틸화에 의한 DICKKOPF-1 (DKK-1)의 전사 저해가 관찰되어 자궁경부암과 히스톤 변형과의 상관성이 많은 연구결과로부터 알려지고 있다.

3. 비번역 RNAs(Noncoding RNAs)
  19-24개의 염기로 구성된 비번역 microRNA (miRNA)에 의한 전사후 유전자 조절은 최근 들어 높은 관심을 받고 있는 후성유전학적 현상 중 하나로 30% 이상의 전사체에 영향을 미친다. 보통 miRNA는 세포의 운명을 결정하거나, 다른 유전자를 조절하는 복합체 유지 등과 같이 광범위한 과정에서 미세조절작용을 하며, miRNA에 의한 조절장애는 암을 포함하는 다양한 질병에서 관찰되고 있다[9]. miRNAs는 주로 암화억제유전자로 작용하나 발암에도 관여하는 것이 확인되었으며, 자궁경부암에서도 miRNAs의 비정상적 발현이 관찰되었다. 현재까지 자궁경부암조직에서 발현에 차이를 보이는 31종의 miRNAs가 밝혀졌으며, 그 중 13종의 miRNAs (miRNA-149, 203, 375 등)는 상향 조절되어 발암성을 보였고 나머지 18종의 miRNAs (miRNA-29, 99, 196 등)는 하향 조절되어 암화억제기능을 나타냈다(Table 1). 또한, miRNAs 발현과정에 관여하는 Drosha는 자궁경부암화에 있어 과발현을 통한 발암유전자로 기여하며 암화와 연관된 miRNA 발현을 조절함으로써 단백질을 코딩하는 다양한 유전자를 조절한다. 대표적인 고위험 유전형인 HPV16형의 E5 단백질 또한 숙주내 miRNA의 발현을 조절함으로써 발암유전자로 기능할 수 있음이 보고되고 있다.

또한, 최근 발전된 high throughput tranome analysis에서 인간 유전체의 많은 부분이 단백질을 번역하지 않는 lncRNA를 생성하기 위해 전사되는 것이 확인되었다. 이처럼 많은 lncRNA가 발현되고 이들과 발암과의 연관성이 보고되고는 있지만 lncRNA가 작용하는 타겟은 잘 알려져 있지 않았다. 자궁경부암에서도 lncRNA와의 연관성에 대한 연구는 현재 활발히 이루어지지 않고 있으나, Gibb등은 자궁조직에서 발현되는 1,056개의 lncRNA를 확인하였으며, 자궁경부질환정도에 따라 차이가 있음을 보고하였다[10]. 또한, Qin등은 G2/M 세포주기 정지와 세포사멸에 관여하는 maternally expressed gene 3 (MEG3)의 발현을 조절함으로써 자궁경부암 세포의 증식을 저해하는데 있어서 lncRNA가 연관성이 있음을 보고하였다[11].

자궁경부암 진단을 위한 후성유전학적 바이오마커의 효용성
  현재까지 자궁 종양 형성과 초기 자궁경부암의 선별을 위한 일반적인 방법은 도말된 자궁경부세포의 관찰을 통한 세포학적 진단법이다. 또 다른 선별방법인 고위험성 HPV DNA 검사는 세포학적 진단보다 높은 민감도를 나타내는데, 세포학적 진단법으로 그 병변 정도를 판단하지 못하는 40-60% 여성이 HPV양성일 경우 그 중 1%가 조직학적 검사를 통해 암으로 확인되고 있다. 이처럼 아직까지 완벽한 자궁경부암 선별검사는 부재인 실정으로 좀 더 정확한 발암 진전 바이오마커의 도입은 종양형성 및 질병진전에 대한 진단의 정확성을 향상시킬 뿐 아니라 진단오류로 인한 불필요한 외과수술을 감소시키기 위해서도 필요하다. 지금까지 후성유전학적 연구로부터 밝혀진 몇몇 유전자가 자궁경부암 선별을 위한 바이오마커로서 사용될 수 있는 가능성이 제시되고 있으며(Table 2), 특히 HPV DNA 검사법보다 후성유전학적 마커를 활용하는 것이 정확성을 높일 수 있다는 결과를 보여주고 있다.

그 예로, protocadherin10 (PCDH10), Wilm's tumor suppressor1 (WT1), paired boxed gene 1(PBX1)에 대한 메틸화 분석이 hybrid capture-2에 의한 HPV DNA 검사법보다 효용성이 좋음이 밝혀졌다. 그러나 많은 연구진들은 하나의 후성유전학적 바이오마커만으로는 종양형성 진전을 민감하게 측정하기에는 충분하지 않으며, 높은 CpG 메틸화를 보이는 유전자인 DAPK1, CDH1, IGSF4와 그보다는 낮은 메틸화를 보이는 RAR-β2와 APC와 같은 유전자를 동시에 측정하는 방법이 암화 예측에 있어 좋은 바이오마커가 될 수 있다고 주장하고 있다. 이처럼 자궁경부암화 단계별 후성유전학적 바이오마커의 개발은 자궁경부암 선별 및 예측을 위해 유효하게 이용될 수 있을 것이다.

후성유전학적 변화를 표적으로 한 자궁경부암 치료의 가능성
  유전학적 변이와는 달리 후성유전학적 변화에 의해 침묵화된 유전자는 약물학적 처방을 통해 재발현을 유도할 수 있다. 현재, 메틸화 저해제와 HDAC 저해제가 암 치료를 위한 임상시험 중에 있다. 5-azacytidine과 5-aza-2'-deoxycytidine은 DNA 메틸화 저해제로 혈액암에 대한 임상적 효능을 보이고 있으나, 조직암 종류에서는 그 활성이 약하고 심각한 부작용으로 인해 제한적으로 적용되고 있다[13]. 말초혈관 확장제로 사용되고 있는 Hydralazine은 안정적인 DNA 메틸화 저해제로 최소한의 독성을 가지며 자궁경부암 환자에서 암억제 유전자 중 하나인 APC의 프로모터 서열의 탈메틸화를 유도하여 전사 재활성화와 그에 따른 단백질의 합성을 유도는 것으로 밝혀졌다. 조직학적으로 자궁경부암 진단을 받은 환자에게 다양한 농도의 hydralazine을 처리하였을 때 약 8종의 특정 암억제 유전자에서 탈메틸화 및 재활성화가 임상적으로도 관찰되었다.

중국의 약초에서 분리된 생리활성 물질 중 하나인 Trichosanthin (TCS) 또한 메틸화에 따른 침묵화된 종양억제유전자의 발현을 회복시킬 수 있음이 보고되었다. 또한, 히스톤의 탈아세틸화를 일으키는 단백질의 저해제로 작용하는 Valproic acid (VPA)는 세포주기 정지, 세포 사멸 유도, 혈관 생성, 전이, 분화, 노화를 포함하는 다양한 세포경로를 조절함으로써 항암 활성을 나타내는데, 자궁경부암에서 VPA의 항암효과는 p53 단백질의 과아세틸화를 통한 E6에 의한 분해저해, 이에 따른 p53의 활성증가 그리고 암화를 유도하는 Akt1, 2 유전자 발현 저해를 유도하는 것으로 나타났다. HDAC 저해제인 Apicidin과 Trichostatin A는 DNA메틸전달효소의 기능을 저해함으로써 암억제 인자의 메틸화 방해를 통해, suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA)는 자궁경부암 세포주인 HeLa 세포에서 암화세포의 사멸을 유도하는 카스파제-3를 활성화와 bax/bcl-2의 발현을 증가시켜 치료효과를 기대할 수 있을 것으로 관찰되었다.

III. 맺음말 


  후성유전학적 변화가 발암 유전자 및 암억제 유전자의 발현 조절 등을 통하여 암화에 기여한다는 것은 매우 잘 알려진 사실로 이러한 변화에 대한 연구는 암 발병과 그 과정을 이해하는 데 있어 필수적인 분야이다. 이 글에서 우리는 자궁경부암에서 DNA메틸화, 히스톤 변형, 비번역 RNA 수준에서의 후성유전학적 변화가 나타나는 다양한 유전자들을 살펴보았으며, 이러한 후성유전학적 변화와 정보 분석을 통해 자궁경부질환에 있어 암화로의 진행이 예측되는 고위험군 여성의 선별과 진단을 위한 바이오마커로 유효하게 이용할 수 있음을 기대할 수 있었다. 특히, 후성유전학적으로 변화된 DNA 혹은 RNA 등이 암환자의 체액에서 측정될 수 있다면 질병의 진단과 암화로의 예측을 가능하게 하여 불필요한 외과적인 시술을 줄이는 데 기여할 것이며, 특정 유전자를 표적으로 한 DNA 메틸저해제나 히스톤 탈아세틸화제가 개발된다면 정상적인 세포기능의 영향을 주지 않아 부작용을 최소화할 수 있는 항암제 및 치료제 개발이 이루어질 수 있을 것이다.
그러나 암환자의 조직학적 질환정도에 따라 차이를 보이는 후성유전학적 유전자들 중 어떠한 것을 표적으로 했을 때 최적의 진단 및 치료 효과를 나타낼 것인지에 대한 적합성은 임상적용 등을 통해 입증해야 할 숙제로 남아있다. 질병관리본부의 에이즈 종양바이러스과에서는 자궁경부암 세포조직에서 DNA메틸화를 통해 암화에 기여하는 유전자 및 그 조절기작에 대한 연구를 수행하고 있으며, 이러한 결과들이 자궁경부암 진단 및 치료를 위한 정보제공에 기여할 수 있기를 기대하고 있다.

IV. 참고문헌

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