Background: The ultimate goal of genome and epigenome research is to understand how a cell's present state is determined as cellular differentiation, tissue development or disease progression in a multicellular organism such as ourselves - humans.
Current status: In this regard, since 2011, KNIH has conducted Korean Epigenome Project(KEP) on nation's complex diseases and also joined as a partner of the International Human Epigenome Consortium(IHEC) for the completion of mapping 1000 reference epigenome. As of 2014, 500+ normal and disease human cells were isolated, and 93 KNIH epigenome data were generated from 15 different cell types.
Prospective future: The establishment of reference epigenome and epigenome research are interdisciplinary and joint teamworks of clinicians, experimentalists and bioinformaticians. Collaborative multiomics data production within KEP should be managed to offer new targets for therapeutic interventions and future approaches.


I. 들어가는 말


  인체를 구성하는 다양한 조직세포는 정자와 난자가 수정되어 형성한 하나의 세포인 수정란으로부터 발생되어 만들어지게 된다. 성인의 경우 약 100조(1014)개의 세포로 구성되는데, 일부 세포를 제외한 모든 세포에는 같은 유전자(gene)의 복사본이 한 세트씩 들어있게 된다. ‘인간게놈프로젝트(Human Genome Project)’로 알려진 인간 전장 염기서열분석(whole genome sequencing)은 이와 같은 인간 유전자 전체(genome, 약 30억 개의 뉴클레오티드 염기쌍, nucleotide base pair) 서열을 밝혀냈고, 그 결과물은 거대한 파급력으로 관련 연구 등에 응용되고 있다.
한 사람(동일개체)의 다양한 조직 및 기관의 세포는 약 250개 이상의 세포 종으로 구성되며, 각각은 그 종류에 관계없이 같은 유전체를 갖고 있기 때문에 각 세포별 차이점은 유전자 발현 수준에서 결정되게 된다. 즉 DNA 염기서열 자체에는 변화가 없으나 세포가 분열되는 동안 DNA 또는 크로마틴의 변형을 통해 유전자 발현 양상이 다음 세대에 전달되는 에피유전 현상이 나타나게 되고, 이와 같은 유전자 발현 및 조절에 관한 연구 분야가 에피유전체(Epigenome)이다. 구체적으로는 조직-세포 특이적 전사인자의 작용, DNA 메틸화(methylation), 히스톤 단백질 변형(histone modification), non-coding RNA에 의한 조절기작 등이 복잡하게 작용하여 유전자 발현이 조절되는데, 이는 복합적으로 분석하여 유전되는 염기서열에 의해 결정되는 현상외의 주위 환경에 의한 유전자의 역동적인 발현 기전을 연구하는 분야이다(Figure 1).

특히 질환과 관련하여 에피유전체는 암과 같은 유전적 영향이 높은 질환뿐 아니라 환경, 생활습관 등의 영향을 많이 받는 만성질환에 있어서도 그 변이가 중요한 원인기작으로 이해되고 있으며[1], 때문에 많은 연구자들은 DNA 메틸화, 히스톤 변형, 그리고 그 상호 연관성을 연구해 왔다. 특히 질환과 관련한 유전체 연구인 전장유전체연관분석법(genome-wide association study) 등으로 다양한 질환 감수성 유전변이를 인구집단에서 발굴 및 검증해 왔는데, 에피유전체 연구는 개별 추가연구와 유전체-에피유전체 통합분석 등을 통해 신규 마커 추가발굴, 유전적 설명력 제고를 가져올 수 있을 것으로 기대되어 왔으며, 그 성과는 현실로 나타나기 시작했다.[2]

이에 질병관리본부 국립보건연구원은 다양한 유전체 연구의 국내·외 성과에 더해 당뇨, 비만, 심혈관 질환 등의 만성질환관련 위험인자 발굴을 위한 ‘한국인 에피유전체 정보생산(Korean Epigenome Project)’을 시작하였고(Figure 2), 아직 전 세계적으로도 초기단계이지만 질환 및 건강관련 연구의 첨단 분야인 에피유전체 연구의 선도그룹으로 참여하고자 2011년 12월, “국제인간에피유전체컨소시엄(International Human Epigenome Consortium, IHEC)”에 우리나라의 대표기관으로 가입하였다. 미국 NIH Roadmap 에피유전체 프로그램이 기초가 되어, 유럽 Blueprint 프로그램, 독일, 캐나다, 일본, 한국 등 6개국/기관이 참여하고 있으며, 올해 싱가포르가 신규 가입하였다. IHEC은 ‘1000 Reference Epigenome’(1,000개의 인간 참조에피유전체) 데이터 확보를 목표로 하는 연구프로젝트로서[3], 구축된 참조정보(1000 reference epigenome)는 각종 인체 조직·세포를 대상으로 생산되고, 건강과 다양한 질환 관련 에피유전변이를 이해하고, 치료법 개발 등에 사용하기 위한 비교·참조 정보로 활용될 수 있는 일련의 에피유전체 정보를 포함하고 있으며, 현재 홈페이지(ihec-epigenomes.net)내 데이터포털을 통해 전 세계 과학자를 포함한 일반에 공개되고 있다(Figure 3). 본 사업의 참여를 통해 국립보건연구원에서는 다년간 한국인 만성질환 관련 조직-세포의 에피유전체 데이터를 구축해 왔고, 올해(2015년)를 기점으로 국내·외 연구자 등에 공개할 예정이다.
본 글에서는 에피유전체 정보 생산 현황 및 향후 활용 계획 등을 간추려 소개하고자 한다.

II. 몸 말


  한국인 에피유전체 정보생산(Korean Epigenome Project)은 2012년부터 2014년까지 학술연구용역(비R&D) 및 정책연구용역사업으로 수행되었다. 구체적으로는 한국인 호발성 만성질환에 대한 질환 표적세포 시료를 확보하고, 주요 세포를 대상으로 전장에피유전체서열분석(Whole-genome bisulfite sequencing, WGBS), 대용량 메틸화 칩(Infinium 450K chip), 유전자 발현정보(mRNA-seq 또는 mRNA-chip), 마이크로 RNA 발현(miRNA-seq) 데이터로 구성된 질환-정상 비교연구 에피유전체 데이터와 참조에피유전체(reference epigenome, KNIH epigenome) 데이터세트를 생산해 왔다(Table 1, 15종 93건의 KNIH Epigenome 생산 확보).

당뇨(Type 2 Diabetes)
당뇨 환자의 췌장 조직을 수집하고 조직으로부터 5종의 순수분리 세포를 확보하였다. 당뇨환자의 체내에서 분리된 췌장조직을 소화효소를 사용하여 1차 분해한 후, 정제를 거쳐 각 세포별 표지자(surface marker)에 따라 순수한 췌도세포(Islet) 및 베타(beta) 또는 알파(alpha)세포 그리고 추가적인 췌장샘포(acinus), 췌장관(duct)으로 최종 분리하였다. 각 시료별로 데이터 생산을 위한 DNA, RNA 등 시료를 확보하고, 시료 정도관리 기준을 충족한 주요 일부세포에 대해 공개용 데이터세트 6건을 포함한 질환-정상 참조에피유전체데이터 29건을 생산하였다.

비만(Obesity)
체질량지수(BMI)가 27.5를 초과하는 경우를 기준으로 비만환자 및 정상의 지방조직을 수집하고, 그로부터 5종의 순수분리 세포를 확보하였다. 혈관 및 결합조직이 제거된 조직에 소화효소 처리와 원심분리 방법, 그리고 세포표지자를 사용한 추가 분리를 통해 지방세포(adipocyte), 지방전구세포(preadipocyte), MQ(Macrophage) 2종, SVF(stromal vascular fraction)를 분리하였다. 각 세포시료 별로 DNA, RNA 등 데이터 생산을 위한 시료를 확보하여, 정도관리 기준을 충족한 주요 일부세포에 대해 공개용 데이터세트 3건을 포함한 질환-정상 참조에피유전체데이터 47건을 생산하였다.

만성신장질환(Chronic Kidney Disease, CKD)
만성신장질환은 신장손상 및 신기능(사구체여과율, GFR) 저하에 따라 진단되며, 특히 당뇨, 고혈압 등을 포함 다양한 원인질환을 기저에 가지고 있는 국내 호발성 만성질환이다. 신장적출을 하는 환자의 신장조직을 수집하고, 신장상태에 따라 정상 및 만성신장질환 조직으로 구분한 후, 신장 사구체의 5종 세포인 발세포(podocyte), 메산지움세포(mesangial cell), 관세포 2종(proximal tubule, distal tubule) 및 세뇨관(collecting duct)을 순수 분리하여 데이터 생산을 위한 DNA, RNA를 확보하였다. 주요 세포에 대해 공개용 데이터세트 2건을 포함한 질환-정상 참조에피유전체데이터 17건을 생산하였다.

한국인 에피유전체 중장기 로드맵의 제안
국립보건연구원은 우리나라의 에피유전체 연구 방향성을 재정립하고, 국내 관련 정책을 제시하고자 ‘한국인 에피유전체 중장기로드맵’ 정책연구용역사업을 추진하였는데[4], 이를 통해 당뇨, 고지혈증, 심혈관 질환, 여성건강, 줄기세포, 뇌질환에 역점을 둔 질병관리본부의 사업방향에 부합하는 에피유전체 사업목표를 선정하였다. 특히 유전체-에피유전체의 통합 차세대 유전체 분석법의 개발과 에피유전체 핵심 분석 및 주요 질환 표적세포 확보 거점 구축이 만성질환의 유전체-에피유전체 마커 발굴 및 검증에 필수 전제조건으로 판단하고 있다. 해당 사업을 통해 기획된 2015년 이후 한국인 에피유전체 정보생산(Korean Epigenome Project) 향후 계획은 주요 만성질환에 관련된 세포의 참조 에피유전체 데이터 50종 이상을 구축하고, 유전체 연구와 연계한 에피유전체 등 멀티오믹스 데이터를 생산하며, IHEC 데이터 활용기반 및 보건산업 활용을 위한 임상지원 시스템이 될 수 있는 국내 연구 컨소시엄(Korean Human Epigenome Consortium, KHEC)의 구성 등이 포함되어 있다(Figure 4).

에피유전체사업 데이터 공개 계획
질병관리본부 국립보건연구원의 에피유전체 데이터는 IHEC 컨소시움, 향후 구축될 국내 에피유전체 컨소시엄 및 자체 공개 홈페이지를 통해 공개할 예정이다. 특히 IHEC 컨소시엄은 1000 Reference Epigenome 중 현재 생산 완료된 데이터를 관련 학계 및 일반인 전체에 공개(http://www.ihec-epigenomes.org/outcomes/datasets/)하고 있으며, 이중 한국인 에피유전체 정보생산을 통해 확보한 Korean Epigenome Data는 공개 적합성 검토를 거쳐 올 6월 중 공개 홈페이지 오픈과 함께 일부 데이터(11건, 3종 데이터 총 33종)를 공개할 예정이다. 또한 하반기 이후에는 6월 공개될 11종 데이터의 원시데이터(raw data, 총 5 Tb 이상)도 데이터 기탁사이트를 통해 추가 공개(15년 국제 기탁사이트, 16년 이후 국내 기탁사이트 추진)할 예정으로 본 데이터 이용에 관심 있는 모든 연구자는 적절한 분양 절차를 통해 해당 데이터에 대한 접근이 가능해 지게 된다.

III. 맺는 말


  본 글에서는 한국인 에피유전체 정보생산(Korean Epigenome Project)의 성과와 미래 제안을 정리해 보았다. 에피유전체는 세포의 분화와 발생뿐 아니라, 환경 및 생활습관 등의 건강행태에 영향을 받는 만성질환의 연구에 유용한 접근방법으로, 현재까지 유전체 연구에 비해 오래되지는 않았으나 짧은 시간에 비약적인 발전을 이뤄낸 연구분야이다. 하지만 에피유전체 연구는 거대과학의 성격을 띠는 분야로 국제 컨소시엄과 연계한 연구활동과 더불어 질환관련 조직-세포를 대상으로 한 유전체, 에피유전체 등 멀티오믹스 기반 연구를 국가적으로 계속해나가야 할 필요성이 높은 분야로 판단된다. 본 사업을 통해 당뇨, 비만 등 국내 주요 만성질환에 대한 특이적인 원인 유전변이 발굴과 건강행태(환경인자) 관련 후보 에피유전변이의 추가 발굴 및 검증을 수행할 수 있을 것으로 판단되며, 향후 에피유전체 연구를 통한 질환예측, 예방연구, 치료제 개발 등 다양한 접근의 질환 극복이 가능해 질것으로 기대한다.

IV. 참고문헌


1. Portela A, Esteller M. 2010. Epigenetic modifications and human disease. Nat Biotechnol. Oct;28(10):1057-68.
2. Romanoski CE, Glass CK, Stunnenberg HG, Wilson L, Almouzni G. 2015. Epigenomics: Roadmap for regulation. Nature. Feb;518(7539):314-6.
3. IHEC, International Human Epigenome Consortium : www.ihec-epigenomes.net
4. 김영준, 2014. 한국인 후성유전체사업 중장기로드맵 구축, 질병관리본부 정책연구용역사업 최종결과보고서