유전체 각인

유전체 각인(genomic imprinting)은 유전자 중 일부가 부모 중 어느 한쪽에서 유래한 대립유전자(allele)로부터만 발현되는 후성유전학적 현상입니다. 일부 각인 유전자는 모계로부터 유전된 복사본에서만 발현되고, 다른 일부는 부계로부터 유전된 복사본에서만 발현됩니다. 각인은 생식세포계열(germline)에서 DNA 메틸화 표지(mark)로 설정되며, 초기 배아 재프로그래밍(reprogramming)을 거쳐 개체의 전 생애에 걸쳐 판독됩니다.

Definition

유전체 각인(genomic imprinting)은 생식세포계열에서 특정 유전자에 후성유전학적 표지를 부여하여, 자손에서 모계 또는 부계로부터 유전된 대립유전자로부터만 발현되도록 하는 현상입니다.

Scope

이 주제는 각인의 정의와 생물학적 논리, 생식세포계열에서 부모 특이적 메틸화 표지의 확립, 각인 조절 영역(imprinting control regions) 및 이들이 조절하는 유전자 클러스터, 발달 과정에서의 각인 유지, 그리고 각인이 존재하는 이유에 대한 진화론적 해석을 다룹니다. 특정 인간 질환은 각인 질환(imprinting-disorders) 주제에서 다루어집니다.

Core questions

• 유전자가 각인되었다는 것은 무엇을 의미하는가?
• 난자와 정자에서 부모 특이적 각인은 어떻게 확립되는가?
• 배아에서 나머지 유전체가 재프로그래밍되는 동안 각인은 어떻게 유지되는가?
• 두 개의 작동하는 대립유전자를 가짐으로써 얻는 안전성을 희생하면서까지 각인이 진화한 이유는 무엇인가?

Key concepts

• 부모 유래 특이적 발현
• 생식세포계열에서의 각인 확립
• 차등 메틸화 영역 (각인 조절 영역)
• 각인 유전자 클러스터
• 배아 재프로그래밍을 통한 유지
• 모계 발현 유전자 대 부계 발현 유전자

Key theories

부모-갈등 (혈연) 이론

각인은 자손에게 자원 전달을 둘러싼 모계 및 부계 유래 대립유전자 간의 진화적 갈등의 산물로 해석되며, 부계 발현 유전자는 성장을 촉진하는 경향이 있고 모계 발현 유전자는 성장을 제한하는 경향이 있다고 예측합니다.

Mechanisms

각인은 주로 DNA 메틸화로 이루어진 차등적인 후성유전학적 표지이며, 배우자 형성(gametogenesis) 동안 각인 조절 영역(imprinting control regions)에 확립됩니다. 특정 서열은 여성 생식세포계열에서 메틸화되고, 다른 서열은 남성 생식세포계열에서 메틸화됩니다. 수정 후, 대부분의 유전체가 탈메틸화되고 재메틸화될 때, 이러한 각인 조절 영역은 보호되어 부모의 표지가 유지됩니다. 각인 조절 영역의 메틸화 상태는 인접 유전자의 대립유전자 특이적 발현을 조절하며, 이는 종종 절연체(insulator) 기능 또는 각인된 클러스터(imprinted cluster)를 가로지르는 비암호화 RNA(noncoding-RNA) 전사 조절을 통해 이루어져, 한쪽 부모의 대립유전자는 발현되고 다른 쪽은 침묵하게 됩니다. 쥐의 Igf2 유전자는 상염색체 유전자가 부모 유래 의존적으로 발현될 수 있음을 초기에 입증한 사례입니다.

Clinical relevance

각인된 유전자는 기능적으로 하나의 활성 복사본으로만 존재하기 때문에, 해당 복사본에 영향을 미치는 돌연변이, 결실 또는 후성유전학적 변화는 다른 대립유전자에 의해 완충되지 않습니다. 따라서 각인은 특정 유전자좌(loci)를 고유하게 취약하게 만들고 부모 유래 의존적인 질병을 유발합니다. 이 주제는 유전적 변화의 부모 유래가 질병의 발현 여부와 방식을 어떻게 결정할 수 있는지 설명하며, 이는 서술적인 내용으로 개별적인 진단이나 치료의 근거가 되지 않습니다.

Epidemiology

각인 유전자는 유전체의 작은 부분으로, 수백 개 정도로 추정되며 클러스터를 이루어 집중되어 있습니다. 이들은 그 수에 비해 성장, 태반 기능 및 뇌 발달에 있어 매우 중요한 역할을 합니다.

History

1980년대 핵 이식(nuclear-transplantation) 실험은 모계 및 부계 유전체가 상호 교환될 수 없음을 보여주며 각인의 존재를 확립했습니다. 분자 시대는 1991년경 쥐의 Igf2 유전자가 부계 대립유전자에서만 발현된다는 것이 밝혀지면서 시작되었고, 이후 연구를 통해 각인된 클러스터가 매핑되고, 각인 조절 영역이 확인되었으며, 각인이 DNA 메틸화 및 비암호화 RNA와 연결되었습니다. 진화론적 부모-갈등 이론(parental-conflict theory)은 각인이 존재하는 이유에 대한 영향력 있는 틀을 제공했습니다.

Key figures

• Azim Surani
• Wolf Reik
• Anne Ferguson-Smith
• Shirley Tilghman
• David Haig

Seminal works

• dechiara-1991
• reik-walter-2001
• peters-2014

Frequently asked questions

유전체 각인은 돌연변이와 어떻게 다른가?

각인은 DNA 서열을 변경하지 않습니다. 이는 유전자의 한쪽 부모 복사본을 침묵시키는 후성유전학적 표지, 주로 DNA 메틸화입니다. 따라서 동일한 유전자는 어느 부모로부터 유전되었는지에 따라서만 활성 상태이거나 침묵 상태일 수 있습니다.

각인은 영구적인가?

개체 내에서는 각인이 안정적이지만, 생식세포계열에서는 이전 각인이 지워지고 개인의 성별에 따라 재설정되므로, 다음 세대로 전달될 때 유전자의 각인이 바뀔 수 있습니다.