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m6A 후성전사체: 뇌 발달과 기능에 기반한 전사체 가소성
m6A 후성전사체: 뇌 발달과 기능에 기반한 전사체 가소성 저자 정현수 (Georgia Tech)
등록일 2020.08.20
자료번호 BRIC VIEW 2020-R27
조회 783  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
후성전사체 분야는 비교적 최근에 주목받기 시작한 연구 분야로, 형태와 위치 특이적인 RNA 변형을 통한 유전자 발현 조절을 탐구하는 학문이다. DNA와 히스톤 변형을 연구하는 후성유전체 분야와 같이, 후성전사체 변형 또한 뇌의 발달과 신경계의 활동에 매우 중요한 역할을 하며 이와 관련한 많은 유전자의 정밀한 발현 패턴 양상이 연구되고 있다. 본 요약문에서는 2019년 Nature Neuroscience Review에 ‘m6A 후성전사체: 뇌 발달과 기능에 기반한 전사체 가소성’라는 제목으로 게재된 리뷰 논문을 번역 및 요약하였다. 본 리뷰 논문에서는 현재까지 가장 널리 알려진 후성전사체 기작 중 하나인 N6-methyladenosine (m6A)가 신경계에서 어떤 역할을 하는지에 대해서 자세히 다루고 있다.
키워드: 후성전사체, 후성유전체, 유전자 발현, 신경계 발달
분야: Bioinformatics, Developmental_Biology, Neuroscience

본 자료는 The m6A epitranscriptome: transcriptome plasticity in brain development and function. Nat Rev Neurosci. 21, 36–51 (2020). 의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목 차

1. 서론
2. 유전자 발현 조절에서의 m6A (m6A in gene expression regulation)
  2.1. 쓰기, 지우기, 읽기 기능의 m6A (Writing, erasing and reading m6A)
  2.2. mRNA 대사와 관련한 m6A (m6A in mRNA metabolism)
3. 신경계 발달에서의 m6A (m6A in neural development)
  3.1. m6A 에 의한 배아 신경 세포 형성 및 신경 아교 세포 형성(m6A regulation of embryonic neurogenesis and gliogenesis)
  3.2. m6A 신경 재생 조절(m6A regulation of axon guidance)
  3.3. 소뇌 발달에서의 m6A (m6A in cerebellar development)
4. 성체 뇌 기능에서의 m6A (m6A in adult brain function)
  4.1. 성체 신경세포형성에서의 m6A (m6A in adult neurogenesis)
  4.2. 부상으로부터 유도된 축삭 재생에서의 m6A (m6A in injury-induced axonal regeneration)
5. 결론


1. 서론

후성유전 변형(epigenetic modification)은 유전자 발현을 조절하여 세포 운명(cell fate) 및 환경 자극에 대한 반응을 결정한다. 이러한 DNA와 히스톤 변형을 조율하는 메커니즘은 광범위하게 연구되어 왔으며, 특히 후성유전 변형이 뇌 기능에 직접적으로 관련이 있으며 후성유전 변형의 조절 장애가 신경 발달 및 신경 퇴행성 질환 등에 연관되어 있음이 알려졌다. 하지만, 이러한 중요성에도 불구하고 유전자 발현 조절 수준에서 후성전사체 변형(epitranscriptomic modification)의 역할은 거의 밝혀지지 않았다.

RNA 변형은 리보솜 RNA 및 tRNA에서 발생하는 것으로 알려져 왔다. 하지만, 최근 많은 연구에서 mRNA 및 long non-coding RNA (lncRNA)에서 더 많은 변형이 확인되고 있고 이에 대한 기능들이 밝혀지고 있다. 이러한 변형은 스플라이싱(splicing), 수송(transport), 번역(translate)과 같은 RNA 처리 기작을 조절한다. “후성전사체”라고 알려진 이러한 변형들에는 다양한 종류가 존재하며 가장 잘 알려진 예로는 N6-methyladenosine (m6A), N1-methyladenosine, inosine, 5-methylcytidine, 5-hydroxymethylcytidine, pseudouridine, N6,2′-O-dimethyladenosine, N4-acetylcytidine, N7-methylguanosine, 8-oxoguanosine, 2′-O-methyl 등이 있다.

유전자 발현에 대한 RNA 변형의 효과는 세포 타입(cell-type) 특이적으로 발생한다. RNA 변형은 RNA 염기의 전하와 RNA 염기 쌍(base pairing) 특성을 변화시켜서, 상이한 RNA 접힘(folding)을 초래할 수 있다. 또한, 단백질-RNA 상호 작용을 조절하는 전사체 서열 자체에 포함된 인식 요소(recognition element)를 형성 할 수 있다. 이러한 변화는 RNA 처리 기작에 문제를 일으켜 신경 질환의 위험을 증가시킬 수 있다.

최근 다양한 병렬 처리 기법이 신경세포 전사체 분석에 접목되었고, 이들 연구는 건강과 질병에 관련하여, 신경계 기능에 대한 후성전사체 연구가 중요하다는 것을 밝히고 있다. 좋은 예로, 후성전사체 조절 네트워크의 구성 요소에 문제가 생겨서 발생하는 간질, 지적 장애, 우울증 및 정신 분열증과 같은 다양한 신경 발달 장애에 대한 연구가 많이 알려졌다.

RNA 변형에 대한 연구가 아직까지는 초기 단계에 머물고 있지만, 현재까지 가장 확인이 많이 된 대표적인 mRNA 변형인 m6A는 기능 및 작용 메커니즘에 대한 많은 정보가 존재한다. 본 리뷰 논문에서는 후성전사체적 조절의 중요성을 전체적으로 이해하는데 도움이 될 수 있도록 하는 것에 목적을 두고 있으며, 주로 mRNA와 RNA 중합 효소 II에서 파생된 전사 물질에 영향을 미치는 조절 메커니즘에 중점을 두고자 한다.

2. 유전자 발현 조절에서의 m6A (m6A in gene expression regulation)

2.1. 쓰기, 지우기, 읽기 기능의 m6A (Writing, erasing and reading m6A)

m6A는 전사체 당 평균 1-3개의 변형을 갖는 가장 일반적인 내부 mRNA 변형이며, 어느 정도 mRNA 대사의 거의 모든 단계에 영향을 미친다. 포유 동물 mRNA의 25%에서 존재하는 m6A 변형은 분화 및 발달을 조절하는 전사체에서 가장 흔하게 발생한다. RNA 중합효소 II-유래 전사체에서 m6A의 대부분은 핵에서 발생하며, 촉매 성분인 METTL3 및 비활성 메틸 트랜스퍼 효소(methyltransferase)인 METTL14로 이루어진 구성요소들이 핵심 라이터(core writer) 복합체에 의해 공동-전사적으로(co-transcriptionally) 촉매 작용이 일어나게 된다고 추정된다. core writer의 세 번째 필수 구성 요소는 WTAP이며, 이는 METTL3과 직접 상호 작용하며 중합체의 메틸화 활성 및 핵 내에서의 위치를 잡는데 필요하다. Core writer 복합체에 더하여, 단백질 VIRMA, ZC3H13, RBM15 또는 RBM15B 및 CBLL1로 구성된 상호 작용 복합체는 세포 신호를 조절하고 m6A에 특이성(specificity)을 갖는데 기능을 한다고 알려져 있다 (그림 1). 그러나, 이러한 구성 요소의 세부 기능은 아직 정확하게 밝혀지진 않았다. mRNA 메틸화는 특정 전사체에서만 발견되는 제한적인 현상이며, 진화적으로(evolutionarily) 매우 보존된 위치에만 발생한다는 점에서 매우 선택적인 현상이라고 할 수 있다. m6A는 항상 그런 것은 아니지만, 일반적으로 종결 코돈 근처와 엑손에서 발견할 수 있다.

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그림 1. Writer 와 eraser 기능에서의 m6A.

 

m6A 추가/ 제거는 세포 외(extracellular) 신호, 스트레스, 세포 내(intracellular) 조건에 반응하는 몇 가지 요인들에 의해 조절된다. 동시 전사(Co-transcriptional) m6A는 methyltransferase 복합체와 히스톤 표지(예를 들어, 라이신 36에서의 히스톤 H3 트리메틸화(H3K36me3)), 또는 이를 특정 프로모터로 동원하는 전사 인자의 상호 작용을 통해 특정 전사체로 유도된다. 이에 대한 자세한 내용은 아직까지 많은 연구가 이루어지지 않았다.

2개의 Fe2+/- 및 α-ketoglutarate-의존적 demethylases, FTO, ALKBH5는 핵 및 세포질의 mRNA로부터 m6A를 산화적으로 제거한다(“eraser”라고 불림). m6A의 동적인 성질(dynamic nature)은 상이한 신호에 반응한 m6A의 추가/ 제거의 총량을 반영하여 전사 운명(transcript fate)을 지시하고 특정 RNA-결합 단백질과의 상호 작용을 조절하는 조건-특이적 메틸화 패턴을 초래한다. 예를 들어, 메틸화는 reader로 알려진 특정 결합 단백질에 대한 인식 부위로 작용할 수 있으며, 반대로 결합 부위에 직접적으로 존재하는 경우 인식 부위를 없애는 기능도 수행한다.

표 1. 신경계 조절과 연관된 m6A reader 역할.
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m6A reader 단백질은 ‘직접’ 및 ‘간접’ 적인 m6A-의존적 RNA 결합 형태를 보인다. ‘직접’ RNA 결합은 서열 모티프 내의 변형을 인식하는 reader 단백질 내 도메인에 의해 매개된다. 예를 들어, YTHDF1, YTHDF2, YTHDF3, YTHDC1, YTHDF1와 YT521-B 상동성 도메인(광범위한 진핵 생물에서 170개 이상의 family에서 확인된 보존된 RNA-결합 도메인)을 포함하는 단백질 family YTHDC2는 핵(YTHDC1, YTHDC2) 또는 세포질(YTHDF1, YTHDF2, YTHDF3, YTHDC2)에서 메틸화된 전사체에 직접 결합하여 전사체 운명에 다양한 영향을 미치고 유전자 발현을 변화 시킨다. 또한 YTH는 단백질이 상 분리(phase separation)되어 세포질 YTHDF-m6A-RNA 과립(granules)이 P body 또는 뉴런 RNA granules로 알려진 세포 RNA 붕괴(RNA decay) 부위로 더 잘 분열 되도록 하는 저-복잡성(low-complexity) 영역을 포함한다. 또한 IGF2 mRNA-결합 단백질(IGF2BP)과 진핵 생물 번역 개시 인자 3(eIF3)을 포함하여, 일반적인 RNA-결합 도메인을 갖지만 YTH 도메인을 갖지 않는 추가적인 ‘직접’ m6A reader가 최근 발견되었다. 하지만, 새롭게 발견된 m6A reader의 m6A-결합은 여러 측면에서 YTH 단백질의 m6A 결합과는 상이하기 때문에 정확한 결합 방식을 결정하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다. 반면, ‘간접’ RNA 결합은 메틸화에 의한 RNA un-folding (m6A의 짧은 이중 나선을 불안정하게 하는 능력으로 인해)에 의존하여, RNA-결합 단백질에 더 큰 접근성을 제공하며, ‘m6A 스위치'라고 불리는 이 메커니즘은 HNRNPC와 HNRNPG의 m6A-의존성(m6A-dependent) 결합을 담당한다 (표 1).

현재까지 적어도 2개의 m6A anti-reader가 확인되었다. 배아 발달에 중요한 것으로 알려진 단백질인 Ras GTPase-활성화 단백질-결합 단백질 1(G3BP1)과 G3BP2는 m6A에 의해서 저해될 수 있다. RNA 내의 G3BP의 표적 서열은 YTHDF2와 YTHDC1의 결합 부위와 실질적으로 중첩된다(그러나, G3BP1 및 G3BP2는 비-메틸화 서열에 우선적으로 결합한다).

2.2. mRNA 대사와 관련한 m6A (m6A in mRNA metabolism)

메틸화된 전사체에 대한 m6A readers의 모집(recruitment)은 핵에서의 번역(translation), 스플라이싱(splicing), 수송(export)부터 세포질의 번역 및 분해(degradation)에 이르기까지 mRNA 대사 및 유전자 발현 조절의 많은 단계에 영향을 미친다. m6A는 핵에서 RNA splicing, export 및 후성 유전적 침묵(epigenetic silencing)의 조절에 관여한다. m6A의 Splicing에서의 역할은 ‘직접’ 결합 또는 m6A 스위치(switch)를 통해 작용하는 readers 단백질에 의해 매개된다. m6A unfolding switch 에 의존하는 리보 핵 단백질(ribonucleoproteins) HNRNPC와 HNRNPG는 메틸화된 표적 전사체의 splicing을 조절한다. YTHDC1은 m6A의 ‘직접’ 결합 및 exon inclusion을 촉진하는 splicing 인자 SRSF3의 recruitment를 통해 m6A-의존성 exon inclusion을 촉진하는 것으로 알려져 있으며, exon skipping를 용이하게 하는 SRSF10의 결합을 길항(antagonizing)한다. splicing 조절에서 m6A에 대한 ‘직접’ 적인 역할의 가장 강력한 증거는 초파리(Drosophila melanogaster) 연구에서 밝혀졌으며, 포유 동물에서 m6A 에 의해 조절되는 splicing의 수는 약 수백 개 정도로 제한적으로 알려져 있다.

m6A 에 의한 번역 조절은 개시(initiation) 및 신장(elongation) 동안 발생한다. mRNA의 5' 비-번역 영역(5’ UTR)에서의 서열은 리보솜 recruitment와 번역 개시에 중요하다. 일반적으로 리보솜 recruitment는 번역 개시 요소인 eIF4E와 관련이 있다. 그러나, 5' UTR에서 m6A는 (열과 같은) 스트레스에 반응하여 유도되고 cap-독립적 번역을 촉진한다. 표준(canonical) eIF4E-의존적 번역 개시에서 eIF4E-독립적 번역 개시로의 전환은 5' UTR에서 eIF3의 m6A 직접적인 결합을 통해 발생하는데, 이는 번역을 개시하기 위해 43S 리보솜 복합체를 동원한다. YTHDF1과 YTHDF3는 전사체의 3' 말단에서 m6A에 결합하고, eIF3와의 상호 작용을 통해 이들의 cap-의존적 번역을 증가시킨다.

평균적으로, m6A-메틸화된 전사체는 변형되지 않은 전사체보다 수명이 짧다. m6A-의존적 분해는 YTHDF2에 의해 촉진되는데, YTHDF2는 메틸화된 표적 전사체에 결합하고 이들을 번역 가능한 풀에서 P bodies로 재배치한다. P bodies에서, YTHDF2는 CCR4-NOT deadenylase 복합체의 동원을 매개하며, 이는 poly-A 꼬리의 deadenylation를 통해 전사체 분해를 개시한다. HRSP12가 YTHDF2와 RNase P–MRP 사이의 어댑터로써 작용하기 때문에 HRSP12에 의해 결합된 YTHDF2 표적은 RNase P-MRP 복합체를 통해 절단될 수 있다. 전사 반감기에 대한 writer depletion의 효과가 YTHDF2 depletion의 효과보다 훨씬 크다는 것을 고려하면, m6A-매개 분해의 다른 메커니즘이 존재할 가능성이 있지만, 이에 대한 정확한 기작 등은 아직까지 밝혀지지 않았다. mRNA의 세포질 m6A-매개 분해에 영향을 미치는 모든 기작은 공동 전사 메틸화(co-transcriptional methylation) 또는 탈 메틸화(demethylation) 동안 핵 또는 세포질에서 m6A readers 또는 erasers의 활성 및 이용 가능성에 영향을 미쳐 작용해야 한다. YTHDF2와 대조적으로, IGF2BP는 P body 및 stress granules에서 전사체가 분해되는 것을 막음으로 인해 메틸화된 전사체의 안정성을 증가시킨다. IGF2BP 및 YTHDF2의 반대 효과는 m6A 조절의 복잡성을 반영한다. 특히 YTHDF2 및 IGF2BP는 상이한 m6A 부위 및 전사체에 결합하며, m6A-의존적 안정성 증가는 저산소(hypoxic) 상태에서도 발생하는 것으로 보인다.

3. 신경계 발달에서의 m6A (m6A in neural development)

m6A는 다른 기관보다 신경계에서 많이 발견되며 특히 배아 뇌에서 성체 뇌로의 발달 과정에서 증가하기 때문에 뇌 발달과 성인 뇌 기능 모두에서 중요한 역할을 할 것이라고 여겨진다. 실제로, 성체 마우스에서 안정적으로 발현된 대뇌 피질 유전자의 거의 절반이 메틸화되어 있으며, 비 정상적인 m6A의 양은 피질 및 소뇌 모두에서 심각한 발달 결함을 유발하는 것으로 알려져 있다.

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그림 2. 신경발달에서의 m6A.

 

신경계의 정상적인 발달은 매우 정밀한 몇 가지 단계로 이루어져 있다. 특정 세포 유형은 발달 과정 동안 증식(proliferate) 및 분화(differentiate)하고, 각각의 위치로 이동하며 기능 회로(functional circuitry)를 형성하기 위해 통합된다. 대뇌 피질의 발달은 측면 뇌실을 감싸는 신경 상피 전구체(neuroepithelial progenitors)로부터 시작되고, 신경 세포가 형성되는 중간 전구체(intermediate progenitors)가 만들어진다. 뉴런은 심실 영역(ventricular zones)에서 뇌 표면(brain surface)으로 이동하여 6개의 서로 다른 층으로 구성된 피질(cortex)을 형성한다. 산기 단계(perinatal stages)에서 신경 생성이 거의 완료되면 전구체(progenitors) 신경 원성 단계(gliogenic phase)로 접어든다. 최근 연구에 따르면 m6A deposition은 신경 발달의 여러 단계에서 매우 결정적인 역할을 한다 (그림 2).

3.1. m6A 에 의한 배아 신경 세포 형성 및 신경 아교 세포 형성(m6A regulation of embryonic neurogenesis and gliogenesis)

배아 신경 세포 형성(neurogenesis)과 신경 아교 세포 형성(gliogenesis)은 1) 신경 전구 세포(NPC) 증식, 2) 다양한 신경 및 신경 아교 세포 유형으로의 NPC의 분화, 3) 신경계에서 최종 목적지로의 그들의 이동을 포함한다. 일부 뇌 영역에서는 이러한 과정들이 산후 기간(postnatal) 까지를 포함한다. 배아 신경 발달 동안 생성된 세포 유형의 다양성에 생기는 변형은 많은 신경계 및 정신 장애에 기여한다. 특히 후성유전적 메카니즘은 NPC의 발달 능력에서의 변화, 신경 및 신경 아교 세포의 생성, 세포 정체성의 유지를 제어하는 정확한 시공간(spatiotemporal) 유전자 발현의 조절 등에 관여하는 것으로 알려져 있다. 인간 및 마우스 세포에서 수행된 연구로부터 m6A가 배아 및 성체 줄기세포 분화, 신경 전구체 능력의 조절에 필수적이라는 사실이 알려졌다.

줄기세포가 배아 다능성(pluripotent) 상태에서 특정 계통(lineage)으로 진행할 때, 분자 스위치는 세포 다능성을 유지하는 전사 인자 네트워크를 해체하게 된다. Mettl3 또는 Mettl14의 녹아웃(knockout)의 결과로써 m6A의 결여는 마우스에서 초기 배아 치사(lethality)를 초래하는 것으로 밝혀졌다. m6A는 다능성 관련 전사체를 불안정하게 하고 번역을 제한함으로써 다능성 회로를 발달 과정 중 적절한 시기에 망가뜨리는데 작용하는 것으로 밝혀졌다. 앞서 설명한 바와 같이, 전사체는 일반적으로 세포 상태-특이적 이펙터(effector) 및 히스톤 표지에 의한 핵심 writer 복합체를 통해 공동 전사적으로 메틸화된다. 따라서, 차등 신호(differentiation signal)에 따라 두 가지 일이 발생한다고 생각된다: 1) 초기 세포 운명 결정에 관여하는 유전자의 전사는 (m6A 가 관련되지 않은 메카니즘을 통해) 비활성되고, m6A는 다능성 회로를 발달 과정 중 적절한 시기에 망가뜨리는 신호를 현재 존재하는 전사체에 보내게 된다.

신경계의 줄기세포는 분화에 대한 m6A-매개 조절에 대해서 신체 내 다른 부위와 동일한 의존성(dependency)을 공유한다. 배아 마우스 대뇌 피질에서, radial glial cells (RGC)는 초기에 상이한 피질 층을 형성하는 뉴런을 발생시키고 나중에 출생 후 초기 단계에서 고갈되기 전까지 신경 아교 세포를 생성하도록 전환한다. 여러 연구에서 m6A가 RGC 분화를 조절하는 메커니즘을 밝혔다. 한 연구에 따르면 배아 마우스 뇌에서 Mettl3 또는 Mettl14 둘 중 하나의 부족으로 인해 생기는 m6A의 손실은 피질 RGC의 세포주기 진행에 영향을 주어 신경 세포 형성 및 신경 아교 세포 형성에 장애를 초래한다. 또한 유사한 마우스 모델을 사용한 다른 연구에서, RGC에서 Mettl14 고갈은 RGC의 증식을 감소시키고 대뇌 피질 뉴런의 수를 감소시키는 것으로 나타났다.

인간 유도 만능 줄기세포 유래 전두엽 오가노이드(organoids) 연구는 m6A가 대뇌 피질 신경 세포 발생의 조절에서 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. 그러나 전반적인 m6A mRNA 메틸화 패턴 및 기능이 인간 및 마우스 뇌 사이에서 잘 보존되어 있지만, 메틸화된 일부 전사체에서 두 종 사이에서 뚜렷하게 차이가 나는 것이 알려졌다. 자폐증 및 정신 분열증과 같은 정신 장애의 위험과 관련된 전사체는 인간의 뇌에서는 메틸화되지만, 마우스 뇌에서는 메틸화되지 않는 것을 통해 후성전사체 조절이 질병 위험에 기여할 수 있다는 가능성을 보였다.

RNA 분해를 담당하는 m6A reader인 YTHDF2를 인위적으로 줄이는 실험을 통해서 YTHDF2가 배아 신경 발달에 어떤 기능을 하는지를 알 수 있게 되었다. YTHDF2의 손실은 발달에 관련한 전사체의 분해에 영향을 준다. 전사체 분해의 촉진뿐만 아니라 splicing과 전사체 번역 등의 다양한 과정에서 m6A가 배아 발달에 필수적인 역할을 한다고 알려져 있다.

신경 아교 세포 특이성 또한 m6A에 의해 제어된다. m6A reader인 PRRC2A는 oligodendrocyte progenitor cell (OPC) 생성 및 증식을 제어한다. 마우스 OPC에서 Prrc2a의 결실은 신경 발생엔 영향을 주지 않으면서 수초화 감소(hypomyelination) 및 인지 결함을 초래한다. PRRC2A는 m6A-의존적 방식으로 주요 희소돌기 아교세포(oligodendroglial) 결정 전사 인자인 Olig2의 메틸화된 전사체에 결합하고 안정화시킨다. PRRC2A의 안정화 효과가 이루어 지는 과정은 현재 명확하게 밝혀지지 않았다. PRRC2A와 YTHDF2는 세포에서 상호 작용하기 때문에, 표적 전사체 내의 동일한 결합 부위에서 PRRC2A와 YTHDF2 사이의 경쟁은 PRRC2A가 YTHDF2의 전사체 decay로부터 전사체를 어떻게 안정화 시키는가에 대한 하나의 가능성을 제시할 수 있다.

세포 분화를 유도하는 역할뿐만 아니라, 전사 조절은 출생 후 뇌에서 대뇌 피질 신경 발달의 마무리 과정에도 기여한다. 예를 들어, 출생 후 글루타메이트성(glutamatergic) 뉴런 전구체가 계속 남아 있을 경우 신진 대사, 분화 및 이동에 관여하는 유전자의 조절 곤란을 일으킨다. 동시에, METTL3 및 METTL14의 발현이 하향 조절되어, 이들 전구체에서 mRNA m6A 수준이 실질적으로 감소된다. 따라서, m6A 수준의 변화는 출생 후 전구체 세포의 분화 가능성을 감소시키는 전사 조절 이상과 상관관계가 있으며, 아마도 잠재적으로 RNA 메틸화가 발달 능력의 조절에 필수적일 것이라는 가능성을 나타낸다.

3.2. m6A 신경 재생 조절(m6A regulation of axon guidance)

배아 척수의 발달 동안, 축삭(axons)은 다수의 안내 신호를 사용하여 목표를 탐색한다. 예를 들어, ROBO3.1은 척수 맞교차 축삭(spinal commissural axons)의 midline 교차에 중요한 수용체이다. 마우스에서, precrossing 및 crossing 축삭에서의 ROBO3.1의 정확한 시공간적(spatiotemporal) 발현 및 postcrossing 축삭에서의 억제는 m6A에 의해 제어된다. YTHDF1은 메틸화된 Robo3.1 전사체에 결합하고 precrossing 및 crossing 축삭의 소마(soma)에서 연속적인 번역을 촉진한다. 그러나, 척수 floorplate에서 알 수 없는 신호에 대한 반응으로 YTHDF1 및 m6A 수준의 하향 조절로 인해 postcrossing 축삭에서 수명이 짧은 ROBO3.1가 빠르게 제거된다. YTHDF1의 부족은 척추 commissural 뉴런에서 axon guidance에 결함을 초래한다.

3.3. 소뇌 발달에서의 m6A (m6A in cerebellar development)

대뇌 피질 신경 세포 형성은 주로 배아기에 나타나는 반면, 소뇌의 발달은 산후(postnatal)에 발달한다. 일반적으로 m6A은 대뇌 피질보다 소뇌에서 더 높은 양을 보이며, 상당수의 소뇌 RNA가 발달 과정에 따라 크게 조절된(developmentally regulated) 메틸화 패턴을 나타낸다. 또한, 소뇌에서의 m6A writers 및 erasers의 발현은 소뇌 세포 유형 및 영역에 따라 상이한 패턴을 보인다. 전반적으로, 소뇌 발달의 진행 동안 m6A writers (METTL3, METTL14, WTAP)와 erasers (ALKBH5, FTO)의 발현은 점차 감소하지만, 발현 수준의 변화가 모든 소뇌 세포 유형에서 동일한 경향을 따르지는 않는다. 예를 들어, 내부 과립층 세포(internal granular layer cells)는 발달에 따라 발현이 감소하는 패턴을 보이지만, 푸르키네 세포(Purkinje cells)는 반대로 상승 패턴을 보인다. m6A 수준의 불균형은 소뇌에서 심각한 발달 장애를 일으킨다.

배아 마우스 뇌에서 METTL3의 부족은 소뇌 무형성증(cerebellar hypoplasia)으로 이어지며, 이는 외부 과립 층(external granular layer)에서 신생아 소뇌 과립 세포(cerebellar granule cells, CGC) 의 증가된 세포사멸(apoptosis)을 원인으로 하는 심각한 운동 기능 장애로 야기된다. 증식 과립 세포 전구체(granule cell progenitors, GCP)의 METTL3 발현 수준은 신생아 CGC로 진행되는 분화 기간 동안 매우 크게 상승한다. METTL3 부족에 대한 CGC 및 GCP의 반응은 methyltransferase의 차등 발현과 연관이 있다.

배아 및 대뇌 피질 신경 줄기세포에서처럼, CGC에서 m6A의 손실은 소뇌 발달 및 apoptosis와 관련된 RNA 전사체의 반감기를 연장시킨다. 그뿐만 아니라, m6A는 다양한 영역에서 전사체의 안정성에 영향을 미친다. m6A의 손실은 세포 생존에 영향을 미치는 splicing을 방해한다. 예를 들어, N-methyl-D-aspartate 수용체의 생존에 필수적인 시냅스 관련 전사체 중 하나인 Grin1의 비정상적 splicing은 과도한 칼슘 유입을 유발하여 신생아 CGC의 apoptosis를 일으킨다.

결론적으로, 배아 줄기세포에 대한 연구에 기초한 m6A-매개 유전자 발현 조절의 새로운 모델은 신경 줄기세포 모델까지 확장될 수 있다: 자가-재생, 세포주기, 신경 발생과 같은 핵심적인 기능을 하는 전사체의 메틸화 및 히스톤 변형은 대뇌 피질 신경 세포 형성 기간 동안 전사체의 빠른(또는 적절한 시기의) 분해를 가능하게 하고, 전사 프로그램으로의 효과적인 전환에 기여한다. m6A의 부족은 이러한 전사체를 오히려 안정화시켜 세포주기 진행이나 전반적인 게놈 상의 히스톤 변형 패턴 차이 등의 비 정상화를 초래하게 된다. 또한 m6A-매개 유전자 발현 조절과 decay 메커니즘은 전사적 전-패턴(prepatterning)을 확립하는 역할을 하는데, 이를 통해 신경 계통의 전사체는 RGC 단계에서 이미 발현되고 메틸화되지만, 전사 후 낮은 수준으로 활발하게 유지되게 된다. 현재까지는 RNA decay에서의 m6A 역할이 가장 주목을 받았지만, 다른 m6A-매개 조절 메카니즘도 신경 발달 동안 splicing, nuclear export, translation 등 복잡한 과정의 일부 측면에서 많은 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.

4. 성체 뇌 기능에서의 m6A (m6A in adult brain function)

세포 특이성 및 신경 발달에서 m6A의 역할은 매우 중요하며 비정상적인 메틸화의 결과가 심각한 발달 장애를 일으킬 수 있다는 것을 논의했다. 다음 섹션에서는, m6A가 성숙한 뉴런과 뇌의 기능에 필수적인 역할을 하며 후성전사체 조절 메커니즘이 transcriptome 및 proteome을 어떤 식으로 변화 시켜 뇌 기능 및 행동에 영향을 끼치는 지를 알아보고자 한다. 그중에서도 특히 성인의 특정 세포 유형(예: 성체 신경 줄기세포(aNSC))에서 m6A의 기능에 대해 서술하고자 한다.

4.1. 성체 신경세포형성에서의 m6A (m6A in adult neurogenesis)

배아 신경 발생이 뇌 전체 구조 및 기능을 확립하지만, 성인 포유 동물 신경 발생의 경우 2개의 특정 위치(해마의 dentate gyrus에서 subventricular zone과 subgranular zone)에서 주로 발생하며, 인지 및 감정과 관련된 조절 등으로 제한된다. 또한 성인의 신경 발생은 신경계 및 신경 장애와 관련하여 역할을 하는 것으로 보인다(초기 신경 발생보다는 적은 영향을 미침). 따라서, (배아 줄기세포 분화와 유사 할 수 있는) 성체 신경 생성의 기초가 되는 분자 메커니즘을 이해할 필요가 있다.

FTO는 aNSC에서 많이 발현되며 FTO의 손실은 메틸화된 전사체의 발현량을 조절한다. 그중에서도 특히 뇌 유래 신경 영양 인자(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)에 의해 조절되는 신호 전달 경로의 핵심 성분을 포함하는 유전자가 크게 영향을 받는다. BDNF는 성체 신경 발생에 핵심적인 기능을 수행하는 해마에서 가장 높은 수준으로 발현된다. BDNF는 tropomyosin receptor kinase B (TRKB)와 결합하여 aNSC의 증식과 분화를 촉진하는 수많은 신호 전달 단계를 유도한다. BDNF는 또한 뉴런의 생존을 촉진한다. FTO 손실은 aNSC 풀을 감소시키고, subventricular zone과 subgranular zone 둘 다에서 신경 및 신경 아교 세포로의 aNSC의 증식 및 분화를 감소시킨다. Fto-knockout 마우스는 일반 마우스와 비교 하였을 때 더 작은 뇌를 가지고 공간 학습 및 기억력에 손상이 있는 것으로 밝혀졌다. 즉, FTO가 성인 신경 발생의 조절을 통해 성인 뇌 기능을 조절하는데 큰 역할을 한다는 것을 의미한다.

4.2. 부상으로부터 유도된 축삭 재생에서의 m6A (m6A in injury-induced axonal regeneration)

부상(injury)은 성인 신경계에서 뉴런 구조에 가장 큰 영향을 준다. 말초 신경계의 축삭(axon)은 일반적으로 손상 후 재생되지만, CNS에서는 재생을 하지 못한다. Axon 재생과 새로운 시냅스(synapse)의 확립은 국소적으로 번역된(locally translated) 단백질을 필요로 한다. 손상 후 국소 번역은 axon 재성장을 위한 단백질뿐만 아니라, 세포 소마(soma)에서 손상 반응을 유발하는 역행 신호(retrograde signals)로 작용하는 단백질을 제공하는 역할을 한다.

성체 마우스의 배근 신경절 감각 뉴런(dorsal root ganglion sensory neurons)의 axon 재생에는 de novo 전사 및 재생 관련 유전자(regeneration-associated genes, RAG)의 번역이 필요하다. 후성유전체 메카니즘은 RAG의 전사 활성화를 제어하는 것으로 알려져 있으며 효율적인 axon 재생에 필요하다. 후성전사체 조절 메카니즘 또한 이 과정에서 중요한 역할을 한다. 마우스에서 peripheral sciatic nerve lesion은 RAG를 암호화하는 m6A의 전사체를 상승시킨다. m6A는 또한 여러 retrograde 손상 신호 분자(signalling molecules)의 전사체에 태그를 지정하여 m6A 반응이 효율적인 axon 재생에 필요한 retrograde 신호 전달을 향상 시키도록 조정될 가능성을 높인다.

또한 METTL14의 부족은 기능성 감각 axon 재생을 약화시켜 성인 마우스에서 axon 연장을 억제하고 표피 신경 분포를 감소시킨다. 분자 수준에서 살펴보면, METTL14가 결핍된 마우스에서 injury-induced 단백질 번역이 감소되고 AFT3와 같은 재생 과정에 필수적인 단백질의 발현이 지연되는 것을 확인할 수 있다. 메틸화된 전사체의 번역을 촉진하는 m6A reader인 YTHDF1의 부족은 METTL14 부족과 유사하게, injury-induced된 전체 de novo 번역의 양을 감소시키고 axon 연장을 억제한다. 이 연구결과들은 m6A가 sensory axon 재생에 기여하는 모델을 뒷받침한다: 뇌 손상 → de novo 전사 → RAG 메틸화 촉진 → YTHDF1-매개 m6A-의존적 번역 증가 → 효율적인 axon 재생에 필요한 프로테옴 생성. 이와 같은 전사 후 조정 메카니즘(post-transcriptional coordination mechanism)의 결함은 비정상적인 axon 재생 및 기능 회복을 초래할 수 있다. 이는 메틸화 과정이 자극에 반응하여 발생하는 변화를 유도하는 데 있어서 중요함을 보여준다(basal translation의 향상에 대한 YTHDF1의 기여는 미미하지만, 부상 후 회복에는 필수적이라는 것을 보여줌).

5. 결론

신경계는 복잡성(complexity), 다양성(diversity), 소성(plasticity)을 가지고 있고, 변화하는 환경에 대한 의식, 인지 및 감정의 기능들을 다양하게 반응하는 능력을 가지고 있다. 복잡한 유기체(higher organisms)의 뇌는 매우 많은 수의 세포 유형으로 구성되어 있으며, 상상할 수 없을 만큼 많은 수의 시냅스를 통해 서로 연결되어 있다. 뇌 발달은 특히 조율된 시공간(spatiotemporal) 세포 운명 결정(cell fate decisions)에 기초한다. 수많은 메커니즘이 뇌 발달과 기능에 필수적인 다양한 유전자 발현 패턴을 제어하는 데 사용된다. LINE1 역전이(retrotransposition)뿐만 아니라 DNA 카피 수(copy number) 및 단일 뉴클레오티드 변경(single nucleotide polymorphism, SNP)은 뇌 체세포 모자이크(somatic mosaicism) 및 신경 세포 다양성에 기여한다. 후성유전 메카니즘은 유전자 발현의 미세한 조절을 매개함으로써 뇌 세포 다양화에서 주요한 역할을 한다. 비교적 최근에 발견된 후성전사체 변형은 mRNA 및 non-coding RNA에서 발생하는 전사-후(post-transcriptional) 조절 네트워크이다. RNA 분자는 비교적 수명이 짧고 수가 굉장히 많기 때문에 후성전사체 변형을 통한 다양한 RNA 변형이 세포 운명 결정 및 외부 자극에 대한 반응에서 중심적인 역할을 할 수 있다(역자: 실제로 이 리뷰 논문에 기술되었던 바와 같이, m6A 는 신경 세포 운명 결정 및 소성에서 중요한 역할을 하며, 비정상적인 메틸화가 뇌 장애와 관련된다는 여러 가지 연구를 소개하였다).

지금까진 관심을 받지 않았지만, 굉장히 중요한 한 가지 질문은 m6A reader 단백질이 어떻게 신경 활동에 반응하여 동적으로 조절되는지에 대한 것이다. 이와 관련하여, 후성전사체 조절은 reader, eraser, writer의 기능에 따라서 역동적이게 달라질 수 있다. 앞으로 몇 년 동안 가장 큰 도전과 관심사는 1) 다양한 세포 집단과 뇌 영역, 2) 다양한 발달 및 분화 단계, 3) 시냅스 가소성 및 신경 발달 및 신경 퇴행성 장애에서 유전자 발현을 제어하는 다양한 RNA 변형의 역할에 대한 심도 있는 연구가 될 것이다. RNA 변형의 조절에 관련한 핵심 단백질의 구조적 및 기능적 특성은 특정 후성전사체 조절 과정에 역할을 하는 분자를 발견하고 개발할 수 있게 해줄 것으로 예측되며, 이를 통해 난치성 신경 질환에 대한 더 나은 치료법이 개발될 수 있을 것이다.

 

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정현수(2020). m6A 후성전사체: 뇌 발달과 기능에 기반한 전사체 가소성. BRIC View 2020-R27. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3585 (Aug 20, 2020)
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