DNA 메틸화, 히스톤 아세틸화, 히스톤 메틸화

DNA 메틸화, 히스톤 아세틸화, 히스톤 메틸화 - 유전자 발현을 조절하는 방식

 

DNA 메틸화 (DNA methylation) : 책에 '읽지 말 것' 스티커 붙이기 (Turn it off)

DNA 메틸화는 요리책의 레시피 위에 스티커를 붙여서 읽지 못하게 하는 것과 비슷하다. 메틸기라는 작은 화학적 꼬리표가 DNA에 붙으면, 이것이 '정지' 신호 역할을 하여 보통 그 유전자가 작동하지 않게 한다.

 

예를 들어 종양 억제 유전자에 DNA메틸화가 일어나면 억제유전자에 STOP사인이 붙어 종양이 억제되지 않는다.

 

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2. : Opening the Book Wide

2. 히스톤 아세틸화(Histone Acetylation) : 책을 펼쳐 보여주기 (Turn it on)

 

DNA는 매우 길기 때문에, 히스톤이라고 불리는 실타래 같은 단백질에 감겨서 정리되어 있다. 히스톤 아세틸화는 아세틸기(열림버튼)를 더해 (열림버튼을 누르는 상황) 히스톤이 DNA를 붙잡고 있는 힘이 풀리게 하여, DNA가 넓게 퍼져서 우리 몸이 유전자를 쉽게 읽고 발현하게 만든다.

 

반대로 히스톤의 아세틸기가 제거되면 (열림버튼을 없애버림)  히스톤이 DNA를 붙잡고 있는 힘이 강해져서 DNA를 읽기 어려워진다. 즉, HDAC가 아세틸 태그를 지움 → DNA가 꽉 뭉침 → 유전자라는 '책'이 닫혀버림.

 

예를 들어, 종양 억제 유전자에 아세틸기가 제거되면 억제유전자가 읽어지지 않아 발현되지 못해서 종양이 억제되지 않는다.

 

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3. 히스톤 메틸화 (Histone Methylation) : 유연한 스위치

 

DNA 메틸화는 보통 유전자를 끄는 역할을 하지만, 히스톤 메틸화는 상황에 따라 켜기도 하고 끄기도 한다. 일종의 북마크처럼 위치를 알려주는 기능을 하는데, 메틸기가 히스톤의 어느 부위에 붙느냐에 따라 DNA를 더 꽉 조이기도 하고, 반대로 느슨하게 풀어주기도 한다.

 

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4. 종양 억제 유전자 (Tumor Suppressor Genes)

 

원암 유전자(Proto-oncogenes)는 세포를 성장시키는 '가속 페달'에 해당하고, 종양 억제 유전자는 '브레이크' 역할을 한다.

 

종양 억제 유전자는 하나가 아니라 우리 몸에 여러 종류가 있으며, 대표적인 것으로는 '게놈의 수호자'라고 불리는 p53이나 RB1 가 있다. 이들의 역할은 손상된 DNA를 수리하거나, 무언가 잘못되었을 때 세포 분열을 멈추라고 명령하는 것이다.

 

종양 억제 유전자의 '시작 버튼'(프로모터) 부위에 메틸기가 붙어버리면, 세포는 멈추라는 명령을 더 이상 읽을 수 없게 된다. 마치 브레이크 페달에 사용금지 버튼이 붙어있는 상황으로 이 경우 손상 세포도 계속 분열하게 된다.

 

또한 세포가 수리할 수 없을 정도로 손상되면, 몸 전체의 안전을 위해 스스로 죽어야 하는데 이를 세포자살( Apoptosis )이라 한다. 이 기능도 종양 억제 유전자에 들어있는데, 만약 그 유전자들이 메틸화되면, 세포는 죽는 능력을 잃어버린다. 나쁜 의미로 '불사신'이 되어, 사라졌어야 할 시점에도 계속 살아서 분열하게 된다.

 

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5. What other genes get methylated?

종양 억제 유전자 외에도 많은 유전자가 이런 방식으로 조절된다. 대표적인 것이 노화와 기억이다.

 

노화

과학자들은 우리가 나이가 들수록 몸 전체의 DNA 메틸화 패턴이 매우 예측 가능한 방식으로 변한다는 것을 발견했다. (후성유전학적 시계)

 

젊은 세포에서는 특정 '잡동사니' 유전자들이 메틸화에 의해 꽉 잠겨 있다. 하지만 나이가 들면 이 메틸화가 느슨해지면서 불필요한 유전자들이 깨어나 염증을 일으키고 세포를 혼란스럽게 만든다. 반대로, 우리 몸을 수리하는 중요한 유전자들에는 메틸화가 너무 많이 일어나서  몸의 자가 치유 능력이 꺼지기도 한다.

 

기억

기억은 단순히 전기적 신호가 아니라, 뇌세포의 물리적인 변화를 포함한다. 새로운 것을 배울 때, 뇌는 시냅스를 강화하기 위해 새로운 단백질을 만들어야 하는데,  이 단백질을 만들기 위해 뇌는 특정 '기억 유전자'에서 메틸기를 빠르게 제거하여 유전자를 켠다. 이를 통해 뇌는 새로운 정보를 기록한다. 기억이 형성되고 나면, 다시 메틸화를 통해 그 상태를 고정함으로써 그 정보를 수년 동안 기억하도록 한다.

 

나이가 들면 이 메틸기를 떼고 붙이는 시스템이 느려진다. 새로운 것을 배우려 할 때 뇌가 기억 유전자의 메틸화를 빠르게 해제하지 못한다. 마치 뻑뻑한 저장버튼을 누르는 것과 같다.

 

 

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6. 변화를 조절할 수 있는가

 

뇌에서의 메틸화는 필요할 때 정확히 켜지고 꺼지는 시스템이다. 하지만 암에서는 스위치가 부서져버린 상황에 가깝다. 암세포에서는 종양 억제 유전자에 붙은 '읽지말것' 스티커가 본드로 붙어서 떨어지지 않는 것과 같다. 세포가 스티커를 제거할 장치나 '신호'를 잃어버린 상태이다.

 

정상적인 세포라면 실수가 생겼을 때 스스로 고치거나 자살(아포토시스)을 하는데, 암세포는 '수리'하고 '자살'하라는 명령을 내리는 유전자 자체가 침묵하고 있기 때문에, 메틸 태그를 '청소'할 주체가 남아있지 않다. 세포는 계속 분열하고, 분열할 때마다 새로운 세포에 [읽지말것] 스티커까지 그대로 복사해서 넘겨준다. 고장난 상태가 모든 후손 암세포에게 이어지는 셈이다.

 

메틸화는 DNA 코드 자체를 영구적으로 바꾸는 것이 아니라(글자는 그대로고 '태그'만 붙은 것이라), 과학자들은 이를 고치기 위한 약을 연구하고 있다. 예를 들어 탈메틸화제는 종양 억제 유전자에 붙은 메틸기를 제거하는 '화학적 페인트 제거제' 같은 역할을 하는 약물이다.