📜오늘 우리가 살펴볼 연구는?
- Iacobazzi, V., Castegna, A., Infantino, V., & Andria, G. (2013). Mitochondrial DNA methylation as a next-generation biomarker and diagnostic tool. Molecular genetics and metabolism, 110(1-2), 25–34.
👉🏻 이번 연구의 시작점
미토콘드리아 DNA는 세포 내에서 1% 정도만 차지하고 있지만 미토콘드리아 DNA가 메틸화가 되면 유전자의 발현을 촉진하거나 억제해요. 🧬
유전자는 특정 조건이나 시점에 발현되도록 조절해야 하기 때문에 적절한 수준의 메틸화가 필요한데, 메틸화가 과하거나 부족하게 일어나면 미토콘드리아 DNA의 무결성이 떨어져 미토콘드리아 기능의 손상이 일어날 수 있어요.
이러한 메틸화와 질병의 상관관계를 이해하고, 메틸화의 측정을 통한 질병의 예방을 위해 이 논문의 작성이 시작되었어요. ✍️
🧪 미토콘드리아 DNA 메틸화의 순환
미토콘드리아 DNA 메틸화는 미토콘드리아의 DNA에 메틸기가 붙는 반응이에요. 메틸기를 붙이기 위해서는 메틸기를 제공해주는 물질이 필요한데, 그 물질이 SAM(S-adenosylmethionine) 입니다.
SAM의 생성 방식은 그림의 빨간색 부분인데, 세포질에 있는 ATP에서 아데노신이 떨어져 나와 Methionine(아미노산의 한 종류)에 붙어 SAM을 생성해요. SAM은 이동을 돕는 단백질을 통해 미토콘드리아 안으로 들어가 미토콘드리아 DNA에게 메틸기🧬를 제공하게 된답니다!
하지만 SAM도 너무 많이 생성되거나 너무 적게 생성된다면 적절한 메틸화가 어렵겠죠.
그래서 SAM을 여러 방식으로 조절하는데, 위 그림의 파란색 부분이 SAM의 조절을 뜻해요. ATP는 SAM을 생성하는 물질로서 많아질수록 SAM의 양이 증가해 생성을 촉진시키는 역할을 해요.
MBE(mitochondrial bifunctional enzyme)은 purine과 pyrimidine의 합성을 촉진시켜요. purine과 pyrimidine의 생성은 메틸화 순환 중 왼쪽의 엽산 사이클의 바깥으로 빠져나가는 반응인데, 그로 인해 SAM을 만들어 내는 Methionine의 생성이 저해되어 SAM의 생성 또한 저해시키는 역할을 해요.
🦠 미토콘드리아 DNA 메틸화와 수준과 다양한 상태의 관계
핵 DNA의 메틸화는 암의 초기 발견과 진단, 치료 효과 모니터링을 가능하게 해요.
하지만 미토콘드리아 DNA에서 일어나는 메틸화의 특정 질병이나 의료적 상태의 연관성에 대한 연구는 아직 초기 단계에 있어요.
그래서 이번 챕터에서는 미토콘드리아 메틸화의 발생 부분에 따라 이어지는 다양한 상태와의 연관성을 탐구해 볼 거예요. 🔀
1) 미토콘드리아 DNA의 전역적인 메틸화
- 다운 증후군(Down syndrome)🏥 : 산화 스트레스와 ATP 고갈로 미토콘드리아의 메틸화가 감소돼요. 메틸화의 감소는 미토콘드리아 DNA의 안정성을 깨뜨려서 염색체 배수성에 대한 조절을 일으키게 되고, 그로 인해 다운 증후군에 걸린 환자들의 염색체 개수는 46개가 아닌 47개가 됩니다.
- 근위축성 측색경화증(ALS, amyotrophic lateral sclerosis) 🧑⚕️ : 루게릭병이라고도 불리는 이 병은 환경적 요인 등에 의해 척수의 운동 뉴런에서 DNA methyltransferase(DNA에게 메틸기를 전달하는 효소)가 상승하게 되고, 그로 인해 미토콘드리아 DNA의 메틸화가 증가되어 세포가 사멸하게 되는 질병이에요.
- D-loop의 변형 ➿: D-loop은 미토콘드리아 DNA의 복제, 전사, 번역에 관련한 대부분의 조절 서열을 가지고 있어 이 부분의 변형은 많은 암에서 관찰돼요. 메틸화된 사이토신, 메틸화를 감소시키는 사이토신 모두 변형에 관여할 수 있어 암과 미토콘드리아 DNA 메틸화 또한 연관될 수 있어요.
- Valporic acid(항암제) : 히스톤 탈아세틸화 효소에 대한 억제제로 히스톤 아세틸화가 증가되면 메틸화 효소의 발현은 억제되고 미토콘드리아 DNA의 메틸화는 감소돼요. 하지만 동시에 DNA 메틸화를 감소시키는 단백질 또한 감소시켜 메틸화를 증가시킬 수 있어요. 이러한 반응은 생물학적 반응의 복잡성 때문에 나타나고, 결과적으로는 메틸화의 변화 자체가 미토콘드리아 기능에 손상을 일으켜 항암제로 작용할 수 있어요.
2) 미토콘드리아 DNA의 부분적인 메틸화
밑 사진과 같이 미토콘드리아 DNA의 부분적인 메틸화는 세포주와 세포 조건에 따라 다르게 나타나고, 노화와 환경적 요인의 영향을 받기도 해요.
- 산화 스트레스 상황으로 인한 비알코올성 지방간염 😥 : 저산소증과 같은 산화 스트레스 상황에서 적응하기 위해 메틸화 효소의 발현이 증가하고, 그로 인해 미토콘드리아 유전자 중 하나인 ND6의 메틸화가 증가해요. ND6 단백질의 저하는 간에서 비알코올성 지방간염(NASH)을 유발시켜요. 그래서 ND6 유전자의 메틸화 정도로 비알코올성 지방간염의 진단과 원인 판별이 가능하게 된답니다
- 특정 환경 노출로 인한 유전자의 높은 메틸화 🧑🏭 : 금속 미립자에 노출되는 철강 노동자와 벤젠에 노출되는 주유소 노동자, 탄소의 노출을 많이 받는 교통운전자의 경우에는 Phe-미토콘드리아 DNA, 12S rRNA(12S는 침강계수이고, rRNA는 리보솜을 생산하는 RNA를 뜻해요!) 유전자에 높은 메틸화를 보여요. 그로 인해 특정 환경 요인이 해당 유전자 부분의 메틸화에 관련되어 있음을 알 수 있어요.
- 노화로 인한 DNA의 메틸화 🧓: 미토콘드리아 DNA의 영역 중 하나인 12S, 16S rRNA에서 나이에 따라 메틸화의 비율이 감소하는 유전자 구간을 확인했어요. 또한 쥐의 뇌를 대상으로 실험한 결과, 나이가 들수록 전두엽에서 미토콘드리아 메틸화 효소의 mRNA 수준이 감소했고 소뇌에서는 메틸화를 감소시키는 효소의 mRNA 증가를 관찰할 수 있었어요. 따라서 이 두 가지 결과들은 미토콘드리아의 메틸화가 노화에 의해 영향을 받는다는 증거가 될 수 있어요.
🥽 미토콘드리아 DNA 메틸화를 측정하는 다양한 방법들
미토콘드리아 DNA 메틸화가 서열을 따라 고르게 분포되지 않고 핵 DNA보다 상대적으로 길이가 짧기 때문에 미토콘드리아 DNA 메틸화를 측정하는 방법은 핵 DNA 측정보다 어려워요. 최근에는 이러한 어려움을 해소하기 위해서 다양한 측정법이 개발되고 있어 그 방법들을 소개하도록 할게요!
1) 전역적인 측정법(Global measurement) : 액체 크로마토그래피-전기 스프레이 이온화 직렬 질량분석법을 이용한 방법인데, 질량 분석기를 이용해 원하는 이온을 선택하고 그 이온을 깨트려 생성된 조각 이온의 질량 분석 스펙트럼을 얻어 양적 분석을 하는 기술이에요.
윗 사진과 같이 이온을 여러번 깨뜨려서 측정하게 되고 이 측정법은 유전체 수준에서의 메틸화 변화, 유전자 특이적 메틸화 패턴 및 유전체 안정성과의 관계를 이해할 수 있어요.
2) 유전자 특이적 방법(Gene-specific methods) : 원하는 유전적 위치의 메틸화 패턴을 조사해 특정한 전사 인자가 결합한 부분에 대한 DNA 메틸화 패턴을 알 수 있어요.
3) 친화력 기반 측정법(Affinity enrichment) : 핵 DNA의 메틸화에서 흔하게 쓰이는 측정법으로 미토콘드리아에 적용하기 위해서는 메틸화된 사이토신에 특이적인 항체를 사용해 변성된 DNA 메틸화 영역을 풍부화 시켜야 해요. 항체를 이용해 대상 분자를 특이적으로 분리하거나 대조군과 비교할 때 사용하는 방법이에요.
4) 중아황산염 변환(Bisulfite conversion) : 중아황산염 처리를 통해 메틸화된 사이토신 염기를 특이적으로 변환하는 반응이에요. 이 방법을 통해 메틸화 여부를 파악할 수 있어요.
5) 제한 효소 처리 방법(Restriction enzyme method) : 미토콘드리아의 유전체는 상대적으로 짧지만, 친화력 기반 측정법과 결합해 메틸화 영역을 풍부화시켜 제한 효소의 사용을 가능하게 했어요. 이를 통해 미토콘드리아 DNA에서 메틸화된 사이토신에 수산화 염기를 붙인 5hmC 부분을 특이적으로 검출할 수 있음을 입증했어요.
😲 미토콘드리아 DNA 메틸화의 전망
미토콘드리아 DNA와 핵 DNA는 구조적인 조직 차이를 보이기 때문에 미토콘드리아 메틸화에 대한 연구는 이전의 핵 DNA 메틸화에 대한 연구와는 완전히 독립적으로 접근해야 해요!
미토콘드리아 DNA 메틸화 효소의 발현은 포유류의 미토콘드리아 DNA 메틸화를 조절하는 데에 중요하고, 미토콘드리아 DNA의 메틸화가 신호 전달 메커니즘에 반응할 수 있다는 것을 보여줬어요.
미래의 연구는 미토콘드리아 DNA 메틸화 효소의 발현이 정상 및 병변 조건에서 조절되는 기작을 이해하는 데에 초점이 맞춰질 것이라고 예상하고 있어요.
기전을 이해해야 질병의 치료와 예방에 도움을 줄 수 있을 것이고, 더 많은 질병과의 연관성도 파악할 수 있으니까요! 😺
앞으로 미토콘드리아 DNA와 질병의 관계는 더 넓은 부분에서 관찰될 수 있을 것이고, 그에 따른 메틸화 조절 치료 방법도 발전할 것이라는 생각이 드네요 :) 읽어주셔서 감사합니다!
🖊️작성자 : 유가인 (gainn1021@naver.com)
🌟밝히자, 바이오 세상🌟 👓 참고자료
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