배경

전장유전체 연관성 분석(GWAS)은 지난 수십 년간 류마티스 관절염, 염증성 장질환 등 주요 자가면역질환과 연관된 수천 개의 유전 변이를 발굴했다. 질환 감수성을 높이는 변이의 90% 이상은 단백질 아미노산을 직접 바꾸지 않는 비암호화 영역에 위치한다. 대다수 연구진은 이 변이들이 원인 유전자의 발현을 조절하는 인핸서나 프로모터에 영향을 미칠 것으로 추정해 왔다.

문제는 1차원 염기서열 정보만으로는 특정 변이가 어떤 표적 유전자와 물리적으로 접촉하는지 밝혀내기 어렵다는 사실이다. 선형 게놈 지도에서 변이와 유전자가 수십만 염기쌍(bp) 이상 떨어져 있는 경우가 흔하기 때문이다. 기존 3차원 염색질 입체구조 분석 기술인 하이씨(Hi-C) 등은 해상도가 수 킬로베이스(kb) 단위에 머물러 정밀도가 부족했다. 모계와 부계에서 유래한 두 대립유전자 중 변이가 발생한 쪽에서만 나타나는 미세한 접힘 변화를 분리해 관찰하기도 불가능에 가까웠다. 결국 통계적으로 발굴된 수많은 위험 변이 중 실제 염증 반응을 촉발하는 원인 변이를 규명하는 작업은 오랜 정체기를 겪었다.

핵심 발견

연구진은 초고해상도 염색질 3차원 구조 포착 기술과 대립유전자 특이적 분석법을 결합해 염증 질환 환자의 면역세포 게놈을 하위 킬로베이스 수준으로 들여다봤다. 단일 염기 다형성(SNP)이 발생한 대립유전자와 야생형 대립유전자의 염색질 고리 형성을 정밀하게 대조한 결과, 특정 질환 변이가 염색질 구조 유지 단백질인 CTCF의 새로운 결합 자리를 형성한다는 사실을 확인했다.

새로 생성된 신규 CTCF 결합 부위(neo-CTCF site)는 기존에 존재하지 않던 비정상적인 염색질 루프를 만들어냈다. 본래 절연체 역할을 하던 경계가 무너지며 원거리 염증 촉진 유전자의 프로모터와 활성 인핸서가 직접 맞닿는 구조적 재편이 일어난 셈이다. 연구진이 면역세포주에서 유전자 가위 기술로 해당 변이 서열을 교정하자 비정상 루프 형성이 사라지며 과도하게 분비되던 염증성 사이토카인 발현량 역시 기저 수치로 정상화됐다.

기존 연구들이 변이로 인한 전사인사 결합 친화도 변화에만 주목했다면, 이번 성과는 비암호화 단일 변이가 3차원 구조적 절연 경계를 아예 재편성해 질병을 촉발함을 명백한 분자 기전으로 증명했다.

의미와 전망

이번 연구는 GWAS 발굴 변이의 기능 해석 방식을 1차원 서열 기반에서 고해상도 입체 게놈 위상학 차원으로 전환했다. 비암호화 변이가 단일 염기 수준에서 어떻게 공간적 게놈 위상을 바꾸고 자가면역 연쇄반응을 점화하는지 분자 수준의 인과 사슬을 완성했기 때문이다.

향후 만성 염증 질환뿐 아니라 복합 유전 질환 전반에서 원인 변이를 선별하고 표적 유전자를 매핑하는 표준 분석 체계로 자리 잡을 공산이 크다. 다만 고해상도 염색질 입체구조 분석에 소요되는 고비용과 복잡한 계산량은 대규모 환자군 적용을 위해 해결해야 할 선결 과제다. 조직별, 세포 분화 단계별로 동적으로 변하는 염색질 루프의 다양성을 온전히 반영할 수 있는 추가 데이터베이스 축적도 뒤따라야 한다.