Epigenetics란?

 

  Epigenetics는 DNA 서열의 변화 없이 유전 가능한 유전자의 발현 (expression) 이나 형질 (phenotype) 의 변화를 일으키는 모든 기작을 말한다. 이는 DNA의 methylation과 같은 DNA modification, DNA와 histone의 결합 위치를 변화시키는 chromatin remodeling, histone modification의 변화 등을 통하여 일어난다. 

 

그림 1. epigenetic regulation 의 종류. Zhou el al., Nat Rev Genet., 2011 

 

Epigenetics의 중요성 및 식물 epigenetics 연구의 장점  

  이러한 epigenetics, 특히 DNA methylation은 식물의 발달 및 개화 뿐 아니라 동물에서의 발달, 암 형성, 기억, 면역 반응 등 생장과 발달에 필수적인 다양한 현상을 조절하는 것으로 알려져 있다.  

 

AP Feinberg et al. 2005 Nat. Rev. Gen.

그림 2. 환경의 변화 및 식습관의 변화가 epigenetic change를 일으켜 유전자의 발현이 변화하면 이로 인해 oncogene (ONC) 나 tumor suppressor gene (TSG), gate keeper mutation (GKM) 이 유도되어 암 발생으로 이어진다

 

  그러나 동물에서 이러한 DNA methylation을 연구하는데는 많은 제약이 따른다. 우선 대부분의 DNA methylation 관련 돌연변이체가 성체로 생존하지 못하고, C. elegans나 yeast의 경우에는 DNA methylation이 일어나지 않는다. 그러나 식물의 경우 동물과 비슷한 DNA methylation기작을 가지고 있으면서 이들의 돌연변이체가 온전히 한 세대를 보낼수 있기 때문에 돌연변이체의 구축 및 유지가 가능하다. 따라서 식물에서의 epigenetics 연구는 식물의 생장 및 발달 뿐 아니라 이를 응용하여 동물에서의 epigenetics 기작 연구에도 응용 가능하다는 점에서 큰 장점을 가지고 있다.  

 

Epigenetics 를 넘어 epigenomics로  

  DNA tiling microarray 와 같은 기술의 개발에 따라 DNA methylation 및 histone modification의 변화를 게놈 전체 수준에서 측정하고 연구할 수 있는 epigenomics의 시대가 열렸다. 여기서 한발 더 나아가 최근에는 DNA bisulfite sequencingnext generation sequencing인 454, solexa등을 통하여 게놈 전체의 methyl cytosine의 위치를 정확히 동정하는것이 가능해졌다. 이에 따라 Arabidopsis의 발달 과정에 따른 DNA methylation의 변화나 여러 DNA methyltransferase 돌연변이체에서의 DNA methylation 변화에 관한 보고가 이루어지고 있다.  

 

 

그림 3. 본 실험실에서는 다양한 epigenetic regulator의 돌연변이체에서의 stress 저항성 확인을 통하여 biotic / abiotic stress 저항성을 변화시키는 epigenetic regulator를 동정하고 whole genome bisulfite sequencing과 microarray를 통하여 그 target gene과 조절 기작을 규명하고 있다.

 

  본 실험실은 Next generation sequencing 을 통하여 게놈 전체 수준에서 DNA methylation 및 이에 따른 유전자 발현의 변화를 관찰할 수 있는 시스템을 갖추고 있다. 이를 통하여 식물의 내제된 생장 및 발달 프로그램 뿐 아니라 병 저항성, 스트레스 저항성과 같은 환경 자극에 의해 일어나는 빠른 신호 전달 과정에서도 DNA methylation과 같은 epigenetic 조절이 매우 중요한 역할을 하고 있음을 밝혀내고 있다.  

 

그림4. 본 실험실에서 동정한 biotic stress 저항성 조절 chromatin remodeling factor의 예. Chromatin remodeling 유전자의 knockout에 의해 β-aminobutyric acid 에 의한 priming이 없을때는 wild type (왼쪽) 과 병저항성의 차이가 없으나 β-aminobutyric acid를 처리했을때는 Pseudomonas syringae pv.tomato에 대한 저항성이 크게 증가되어 있다.