HOW CELLS FIND THEIR IDENTITY?

One genome, Multiple phenotypes

histone methylation and chromatin struct

RESEARCH BACKGROUND

Why we study gene regulation focusing on PRC2?

서론

인체 질환은 유전학적 요인 뿐만 아니라 환경적 요인에 의한 후성유전학적 변화에 의해 발생하기도 한다. 후성유전 (Epigenetics)은 DNA 염기서열의 변화가 아닌 DNA의 메틸화, RNA의 메틸화 그리고 히스톤 단백질의 번역 후 변형 (Post-translational modification; PTM) 에 의한 유전자 발현의 변화를 의미하며, 세포 분열시 다음 세포로 그 정보가 전달되기도 한다 (Epigenetic inheritance). 히스톤 단백질의 PTM으로는 메틸화, 아세틸화, 인산화, 유비퀴틴화, 그리고 SUMOylation 등이 있으며, 이러한 변형은 염색질의 구조를 변화시켜 유전자 발현을 조절한다.

세포 내의 염색질은 그 구조가 풀려 있어 전사가 촉진되는 진정염색질 (euchromatin)과 염색질이 응축되어 전사가 억제된 이질염색질 (heterochromatin)로 나뉜다 (아래 그림). 이질염색질은 다시 지속적 이질염색질 (constitutive heterochromatin)과 선택적 이질염색질 (facultative heterochromatin)로 나뉜다. 선택적 이질염색질은 외부의 신호에 따라 염색질의 구조가 열리거나 닫히며 유전자 발현이 조절될 수 있으며, 히스톤 H3K27의 메틸화에 의해 염색질 응축이 촉진된다. 포유류에서는 Polycomb repressive complex 2 (PRC2) 가 히스톤 H3K27을 메틸화시키는 유일한 효소로 알려져 있다. PRC2는 전사 억제를 담당하는 핵심적인 후성유전인자로 이 효소의 결함은 태아의 발생 과정에서의 문제 뿐만 아니라 암을 포함한 다양한 인체 질환을 야기한다. PRC2 결함에 의한 인체 질환을 이해하기 위한 기전 연구, PRC2를 억제하는 약물의 개발 및 임상 승인, 그리고 앞으로 더 정진해야 할 PRC2 연구에 대해 소개하고자 한다.

H3K27 메틸화를 조절하는 후성유전인자들

히스톤 H3K27 메틸화는 전사 억제의 핵심 지표가 되는 PTM으로, 메틸화를 시키는 효소 (writer), 메틸화를 제거하는 효소 (eraser), 그리고 메틸화를 인식하는 단백질/복합체 (reader) 등에 의해 조절된다. PRC2는 히스톤 H3K27을 mono-, di-, tri-methylation 시키는 메틸화 효소이며, JMJD3와 UTX는 이를 탈메틸화시키는 효소이다 (아래 그림). Polycomb repressive complex 1 (PRC1) 과 PRC2는 tri-methylated H3K27 (H3K27me3)를 인식하는 메틸 “해독”분자로서 이를 통해 염색질 응축을 촉진시킨다. 염색질 리모델러는 염색질의 기본단위인 뉴클레오솜 사이의 거리를 조절하는데, 이 중 BAF 복합체는 PRC2의 염색질 결합을 저해함으로써 H3K27 메틸화를 억제하는 방향으로 작용한다. PRC2의 염색질 결합은 저메틸화된 CpG island에 결합하기에 DNA 메틸화 효소에 의해 고메틸화된 CpG island는 PRC2 결합을 억제함으로써 H3K27 메틸화를 저해할 수 있다 (아래 그림). 이와 같이 히스톤 H3K27 메틸화를 조절하는 후성유전인자 간의 상호작용 연구는 전사 억제 조절을 이해하는 데에 매우 중요하다.

H3K27 메틸화를 “쓰고 (WRITE)” “읽는 (READ)” 전사 억제의 핵심인자 PRC2

PRC2 복합체는 효소 활성에 필수적인 EED, SUZ12 그리고 활성이 일어나는 EZH1 또는 EZH2로 이루어져 있다 (아래 그림). 이와 같은 PRC2 복합체는 AEBP2, JARID2, PCL proteins (PHF1, MTF2, PHF19), EPOP, 그리고 PALI와 같이 다양한 보조 단백질 (accessory protein) 과의 결합을 통해 그 활성이 조절된다. EZH1과 EZH2, 그리고 PRC2 보조 단백질의 발현은 세포 분화 단계와 세포 종류에 따라 달라지므로 세포 특이적 PRC2 조절이 가능해진다.

초파리의 경우, PRC2는 Polycomb Response Element (PRE)라고 하는 특정 DNA에 결합을 하여 염색질에 최초로 결합하지만 포유류에서 PRC2가 염색질에 어떻게 처음 결합하고, 그 이후 어떠한 기작으로 히스톤 H3K27 메틸화를 염색질 상에서 전파 (propagation)하는지에 대한 물음이 오랫동안 지속되었다. 최근 연구 결과로 인해 PRC2는 보조 단백질인 MTF2와 JARID2에 의해 CpG island에 처음으로 결합하게 되며, 히스톤 H3K27를 메틸화를 일으킨다는 사실이 밝혀졌다. 그림 3에서 보는 바와 같이 메틸화의 최종단계인 H3K27me3를 PRC2의 EED의 aromatic cage가 인식함으로써 (“read”) 알로스테릭 활성화가 일어나게 되며, 이를 통해 PRC2의 활성이 증가하여 주위의 염색질에 히스톤 메틸화를 촉진시킨다 (“write”). 이러한 “Read-and-write” 기작은 세포의 후성유전학적 정보를 다음 세대의 세포로 전달하는 중요한 방법이라 할 수 있다. 세포 분열시 DNA는 복제를 하며, 늘어난 DNA에 필요한 히스톤을 메꾸기 위해 새로 합성된 히스톤이 들어가게 된다. 새로 합성된 히스톤은 기존의 parental histone에 존재하는 H3K27 메틸화가 없지만, parental histone에 있던 H3K27me3을 PRC2가 인식하여 새로 합성된 히스톤에 메틸화를 시킴으로써 후성유전학적 정보를 복제하여 다음 세대의 세포로 전달할 수 있다 (아래 그림).

PRC2와 발생 질환

PRC2 구성단백질과 보조 단백질은 발생 단계에서 그 발현 양이 조절된다. 그로 인해 발생 단계별로 서로 다른 PRC2 subcomplex가 형성되며, 이를 통해 발생 관련 유전자 발현이 조절된다. 이러한 이유로 PRC2의 결함은 다양한 발생 질환을 야기한다. 그 중 PRC2와 가장 연관이 높은 발생 질환은 위버증후군 (Weaver Syndrome) 이다. 위버증후군은 신경 세포의 분화 과정 중 유전자 발현에 문제가 생겨 과발육이 진행되며, 지적장애를 동반하기에 OGID (Over Growth and Intellectual Disability) 증후군이라고도 한다 (아래 그림). 위버증후군 환자의 경우 PRC2의 활성 subunit인 EZH2에 돌연변이가 많이 발생하는데, 특히 활성부위인 SET domain과 알로스테릭 활성에 핵심인 SRM domain에 돌연변이가 집중되어 있음을 보여 (아래 그림) 이러한 돌연변이 연구를 통해 PRC2의 활성 조절 및 새로운 PRC2 타겟 방법을 제시할 수 있게 되었다. 신경 발생 질환 외에도 심장 발달 장애 및 장내 항상성 유지에도 매우 중요한 역할을 하고 있으며 이에 대한 연구는 현재진행형이다.

PRC2 기능 향상에 의해 형성된 암과 그 치료법

최근 십여년 동안, 고 처리량 DNA sequencing의 기술 발전으로 PRC2 복합체를 구성하는 단백질의 돌연변이 및 결실, 증폭, 전위 등이 암에서 다수 발견되었다. PRC2는 효소의 기능이 과한 경우 뿐만 아니라 기능이 저해되는 경우에도 유전자 발현 조절 문제로 이어져 암을 유발한다. 이렇게 다방성을 지니기 때문에 PRC2의 기능이 과해서 생성되는 암과 그 기능 저하되어 생성되는 암의 치료 방법은 확연히 다를 수 밖에 없다. 대부분의 암에서 PRC2의 구성 단백질의 발현이 증가되어 있거나 과활성 돌연변이가 존재한다. 특히, 22%의 B-cell lymphoma 와 12%의 follicular lymphoma에서는 PRC2의 구성 단백질인 EZH2 Y646 (다른 isoform에서는 Y641) 위치에 핫스팟 돌연변이가 형성되어 있다. 이러한 암환자 치료를 위해 EZH2 활성 부위를 막는 tazemetostat가 개발되어 최근 2020년 임상 승인이 되었다 (아래 그림). 이 억제제는 sarcoma와 follicular lymphoma 환자의 치료에 적용되고 있으며, 다른 종류의 암에서도 유효한 지에 대한 연구가 진행되고 있다. PRC2/EZH2 억제제는 후성유전인자를 타겟하는 약물 중 히스톤 탈아세틸화 효소 (HDAC)와 DNA 메틸화 효소 (DNMT) 억제제에 이어 세번째로 임상 승인 되었으며 (아래 그림), 이는 종양 형성에 있어서 PRC2/EZH2가 후성유전학적 변화에 크게 기여한다는 것을 나타내주고 있다. 그러나 Tazemetostat은 PRC2/EZH2의 활성 자체를 억제하기 때문에 많은 유전자 발현에 영향을 미쳐 심한 부작용이 나타나기도 하며, 특정 PRC2 돌연변이 환자에게는 이 약물의 효용성이 없을 뿐만 아니라 pharmaceutical property가 좋지 않아 새로운 방법의 약물 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 이의 한 예로는 알로스테릭 활성화를 특이적으로 억제할 수 있는 EED 억제제를 들수 있다. EED 억제제는 H3K27me3를 인식하는 EED aromatic cage에 경쟁적으로 결합함으로써 알로스테릭 활성화를 억제하며 현재 임상단계에 있다 (아래 그림).

PRC2 기능의 저하로 형성된 소아신경교종

PRC2 기능이 저하된 대표적인 암으로는 소아 신경 교종인 Diffuse Intrinsic Pontine Glioma (DIPG)가 있다. DIPG의 약 80%는 히스톤 H3K27의 잔기가 리신에서 메티오닌으로 치환 (H3K27M)되어 있다. 이는 PRC2의 돌연변이가 아닌 PRC2의 기질에 돌연변이가 생긴 경우이며, H3K27M에 의해 PRC2의 기능에 결함이 생긴다 (아래 그림). 이로 인해 신경 세포 분화 중 유전자 발현의 변화로 인해 세포가 분화를 멈추고 종양이 형성된다고 알려져 있다. 5-10세의 어린 아이의 뇌에서 발생되는 H3K27M 돌연변이에 의한 DIPG는 현재까지 효과적인 치료법이 존재하지 않는다.

주목할 만한 점은 H3K27M DIPG에서 H3K27M이 히스톤 H3 전체 중 약 1-15% 밖에 되지 않음에도 불구하고 PRC2에 의한 H3K27 메틸화가 급격히 떨어져 있다는 것이다. 최근 연구 결과를 통해 DIPG 에서 H3K27M의 분자 수가 PRC2 비해 100배 더 많음을 증명하였고, PRC2는 H3K27M과의 일시적인 결합만으로도 그 기능이 떨어지며, 이 결합이 사라진 후에도 PRC2의 기능이 지속적으로 억제되어 있음을 확인하였다 (아래 그림). 이와 같은 기전으로 인하여 H3K27M DIPG에서는 히스톤 H3K27 메틸화 수준이 매우 떨어지고, 전사 촉진과 연관된 히스톤 H3K36 메틸화 수준이 급격히 증가하며 전사 조절에 총체적인 문제가 발생한다. 앞으로는 H3K36 메틸화와 전사 촉진과 연관된 후성유전인자를 타겟하거나 저하된 PRC2 기능을 복구할 수 있는 새로운 치료법 개발이 절실한 실정이다.

결론

PRC2를 포함한 지금까지의 후성유전학 연구는 히스톤의 번역 후 변형을 일으키는 효소 (writer), 그것을 제거할 수 있는 효소 (eraser), 그리고 그것을 인식할 수 있는 복합체 (reader)가 무엇인지를 찾고, 특정 세포모델에서 이들의 기능을 연구하는 것에 중점을 두고 있었다. 이제는 이들 간의 상호작용을 연구하여 세포 특이적 epigenome에 대한 총체적인 이해가 필요하다. 단일세포 RNA-sequencing 을 포함한 유전체 분석 기법과 single molecule imaging과 같이 살아있는 세포에서의 분자 다이나믹스를 연구할 수 있는 기법의 발전으로 시공간적인 PRC2 구성 단백질 발현의 조절, 이와 상호작용하는 여러 후성인자들의 조절, PRC2에 의한 염색질의 3차원적 구조 형성의 이해, 그리고 여기에 시간과 공간이라는 요소를 결합한 4차 구조에 대한 이해를 앞당기게 되었다. Cryo-EM과 같은 단백질 구조를 밝힐 수 있는 기술을 통해 이전에 알 수 없었던 단백질의 특성을 분자적 수준에서 이해할 수 있게 하였고, 단백질 구조를 기반으로 하는 새로운 방법의 치료제 개발에 획기적인 발전을 이루게 되었다. 앞으로는 이러한 다양한 기술의 융합을 통해 세포 특이적인 epigenome을 이해하고, 환자 특이적인 치료법을 개발할 수 있는 연구가 활발해질 것이다.

CURRENT RESEARCH

POLYCOMB-MEDIATED GENE SILENCING

We are investigating spatiotemporal regulation of PRC2 activity in different cellular contexts. We are also elucidating the pathogenesis of PRC2-associated human diseases such as B-cell lymphoma, pediatric brain tumor, cardiomyocyte regeneration and so on.

MISREGULATION OF CHROMATIN REGULATORS IN RARE DISEASES

We are investigating the aberration of chromatin regulators in neurodevelopmental diseases and cancer, focusing on the mechanism-function-disease relationship.

MOLECULAR DYNAMICS OF INTRINSTICALLY DISORDERED REGIONS

Intrinsically Disordered Regions (IDRs) have the ability to react quickly in response to changes in their environment, and play diverse roles in the modulation and control of the functions of their binding partners. Therefore, we are developing a broad-based and systematic biochemical approach to isolate and investigate IDRs.