목차
Ⅰ. 학회 강연 내용
1. 3D Epigenome/Epigenetics and Disease (Joint)
2. Epigenetic Dysregulation in Neurobiology
3. Understanding and Targeting Epigenetic Dysregulation
4. Infectious Diseases and Autoimmunity
5. Chromatin and Epigenetics (3D genome)
6. Chromatin Signaling and Epigenetic Mechanisms
7. Metabolic diseases and Aging
8. Epigenetic regulation in Immunoncology and Cancer Therapeutics
Ⅱ. 총평
< Keystone symposia 2019- Epigenetics and Human Disease 학회장 전경 >
1. 학회 강연 내용
이번 학회 기간 중 4일 동안 아래와 같은 주제로 강연이 진행되었으며, 저자가 주로 참석한 Epigenetics and Human disease의 각 세션의 큰 주제는 다음과 같았다.
- 3D Epigenome/Epigenetics and Disease (Joint)
- Epigenetic Dysregulation in Neurobiology
- Understanding and Targeting Epigenetic Dysregulation
- Infectious Disease and Autoimmunity
- Chromatin and Epigenetics (3D genome)
- Chromatin Signaling and Epigenetic Mechanisms
- Metabolic diseases and Aging
- Epigenetic regulation in Immunoncology and Cancer Therapeutics
1. 3D Epigenome/Epigenetics and Disease (Joint)
1) Transcriptional Regulation, Epigenetics and Disease
Nucleoli, nuclear speckles 그리고 super-enhancers 등의 phase-separated cellular body들은 핵 내에서 분리, 응축의 생화학적 반응을 통해 구분될 수 있는 막이 없는 소체이며, 세포 내의 전반적인 세포 생물학적 반응에 관여한다. 또한 Phase separation은 Chromosome structure 형성, 유지 그리고 분해를 조절하기 위해 필수적이다.
이러한 소체들은, 고농도의 단백질과 핵산이 존재하는 medium과는 분리되어 있는 액체 방울과 유사하다고 표현하기도 하는데, 이 연구팀은 이를 Nuclear condensate라는 하나의 개념으로 확립하였으며, Nuclear condensate는 환경적 자극에 반응하여 빠른 조립과 해체가 가능하다고 소개하였다.
연구자들은 Nuclear condensate를 유전자 조절과 유전체의 구조를 형성하는 데 중요한 조절인자로 제시하였다. 또한 많은 protein들이 고농축의 고립된 condensate 내에서 제한적으로 기능하기 때문에, human에서 발병하는 다양한 disease의 치료를 위하여 Nuclear condensate를 연구가 필요함을 역설하였고, Aging, cancer 등에서 Nuclear condensate의 역할을 새로이 시사하였다.
2) Quantitative Approaches to Cohesin-Dependent Regulation of Transcription
Single cell과 single molecule 차원의 접근방법을 이용하여, cohesin-mediated 3D genome organization에 이상이 있을 때 유도되는 transcriptional defects를 연구하였다.
Cohesin은 genome의 folding을 매개하는 단백질로, macrophage에서 microbial로의 신호 전달과정, 그리고 inflammatory gene expression을 조절하는 데 관여하는 transcriptional response에 필수적인 단백질이다.
연구팀은 cohesin과 CTCF가 gene expression을 조절하기 위해 특이적인 기능을 가지며, cohesin의 부재 시 CTCF의 transcriptional noise가 증가하는 이상현상이 나타남을 3D 스케일에서 확인하였다고 발표하였으며, 또한 면역기능과 progenitor self-renewal과 분화, 그리고 cancer에서 cohesin의 역할의 중요성을 제시하였다.
2. Epigenetic Dysregulation in Neurobiology
1) Epigenetic regulation of Neurodevelopment and Neurodegeneration
Neuron의 development에 다양한 epigenetic factor들이 관여하며, 동시에 다양한 transcription factor의 조절 메커니즘에 의해 neuronal cell의 specification이 완성되는 과정을 소개하였다.
이러한 과정에서 epigenetic pattern에 이상이 생기는 경우 유발되는 다양한 disorder의 사례를 소개하였으며, 더불어 본 강연에서는 PRC2가 brain의 microglia의 specialization을 주도하고, PRC2의 기능적 이상이 Huntington’s disease나 alzheimer's disease을 유발하는 기작에 대한 연구를 발표하였다. 연구자들은 PRC2가 microglia의 specialization을 관장하기 위해 작용하는 역할을 두 가지로 설명하였다.
① Cell의 정체성을 유지 (돌연변이: Huntington’s disease 유발)
② 비정상적인 clearance의 활성을 저해 (돌연변이: Alzheimer’s disease 유발)
2) Epigenetic mechanisms that establish, sustain, and modulate caste-based division of behavior
Shelley L. Berger는 저자가 참석했던 거의 모든 Epigenetics 학회에 초청받아 강연했을 정도로 Epigenetics 분야의 대가로, Epigenetic pathway의 조절을 통한 Cancer Therapy에 대한 연구를 진행하고 있으며 이외에도 Ant의 behavior가 epigenetic regulation을 통해 결정된다는 흥미로운 연구를 진행하여 본 학회에서는 이 주제에 대해 발표하였다.
Shelly L. Berger 연구팀은 2013년, 2016년에 이미 social behavior를 기반으로 군집을 분류함으로써 foraging한 특성을 가지는 개체들을 선별하는 기법을 개발하였으며, 이번 세션에서는 개미 군집 내에서 Queen, Defense soldier 그리고 Forager가 모두 동일한 genomic identity 가지지만, epigenetic mechanism에 의해 각기 다른 social behavior를 보이는 현상에 대한 연구에 대하여 자세히 소개하였다. 지난 2016년 science에 발표한 논문에 대한 심층연구를 진행하여, 개미의 뇌에 HDAC inhibitor인 TSA를 주사하는 과정을 통해 histone의 acetylation level이 증가하고, 이를 통해 프로그래밍 된 social behavior를 변화시킬 수 있다는 사실을 발표하였다. 또한 reprogramming이 일어나기 위해서는 JHEJ2라는 hormone이 필수적이며, 이 juvenile hormone이 foraging을 촉진한다는 연구결과를 발표하였다. TSA 주사로 인한 acetylation의 증가가, Co-REST repressor complex의 activation을 유도함을 RNA-sequencing 기법을 통해 확인하였고, 이를 통해 epigenetic aging이 결정지어지는 연구결과를 소개하였다.
< Shelley Berger의 강연 >
3) Glutamine Serotonylation on Histone H3 Is a Permissive Modification that Functions Combinatorially with H3K4me3 to Poteniate Gene Expression
Histone H3의 5번 glutamine의 serotonylation의 가능성을 제시하며 H3K4me3 표지되어있는 nucleosome이 transglutaminase 2에 의해 serotonylation이 됨을 소개하였다.
이 그룹은 mammalian tissue에서 H3K4me3Q5ser은 ubiquitous 하며 특히 뇌와 위장에서 많이 관찰됨을 규명하였으며, 또한 serotonergic neuron에서 euchromatin 부분에 특이적으로 H3K4me3Q5ser이 많이 존재하며, 세포의 분화과정과 transcriptional activation에 관여하는 것을 확인하여, H3Q5의 serotonylation을 억제하였을 때 분화과정에서 이상을 보임을 증명하는 연구를 소개하였다. 이를 바탕으로 이 연구자들은 serotonylation이 neurotransmission과 세포신호전달에서의 역할과는 독립적으로 gene expression을 활성화시키는 역할을 가지는 메커니즘에 대해 발표하였다.
3. Understanding and Targeting Epigenetic Dysregulation
1) Probing the epigenome for Therapeutic Opportunities
Chemical probe를 활용하여, epigenetic regulator를 조절하는 연구를 주된 주제로 하여 연구하는 그룹으로, normal 그리고 pathological epigenetic process를 비교 연구함을 통하여 selective drug-like small molecules을 만드는 연구를 소개하였다.
다양한 epigenetic regulator의 variety를 막는 50가지 이상의 chemical probe를 제작, 상용화하였다고 소개하였고, 주로 연구자들은 histone뿐 아니라 non-histone protein들의 epigenetic reader, writer, 혹은 eraser를 target으로 하여 교모세포종, 백혈병, 유방암 등의 치료를 목적으로 probe를 제작하였다. 최근에는 Arginine methyltransferase인 PRMT5의 inhibitor 제작에 대한 연구를 활발하게 진행 중이며, PRMT5 inhibition을 통하여 DNA repair, cell cycle mechanism을 조절하여 therapeutic reagent로 활용할 예정에 있다고 발표하였다.
실제로 연구팀은 제작, 개발한 chemical의 효과를 검증하는 논문들을 해외 주요 저널에 투고하였으며, 타 연구자들이 접근하기 쉽게, SGC라는 컨소시엄을 운영하여, 새로운 drug discovery program들을 진행하고 있다.
연구팀이 운영하고 있는 SGC에 대한 정보는
www.thesgc.org/chemical-probes에서 자세히 찾아볼 수 있다.
< The SGC의 설립 취지와 SGC의 Chemical Probes >
2) Epigenetic Mechanism of Drug Resistance
다양한 암연구에서 cancer cell이 populations 내에서 모두 같은 특성을 보이는 것이 아니라, heterogeneity를 보이며, dynamic phenotype을 나타내는 것이 cancer therapy에서 drug에 대한 resistance를 가지게 되는 것이라 보고, cancer cell subpopulation의 genome을 분석하였다.
결과적으로 drug에 resistance를 보이는 cell이 H3K9와 H3K27의 methylation이 증가하여 repressed chromatin의 특성을 표지하는 것을 확인하였으며, drug resistance를 가지는 drug-tolerant persister (DTPs)들이 H3K9me3를 매개로 하는 heterochromatin formation 조절 단백질들에 의해 생존 가능하다는 것을 보여주었다. 또한 DTPs에서 H3K9me3이 증가되어 있음과 동시에 LINE-1 elements를 축적한다는 것을 확인하였다.
연구자들은 DTPs에서 LINE-1 elements의 축적을 저해하는 방식으로 DTPs의 감소를 유도하였고, 이를 토대로 drug-resistance cancer subpopulation의 증식을 선택적으로 억제하는 메커니즘을 제시하였다.
4. Infectious Diseases and Autoimmunity
1) The Power of One: Immunology in the Age of Single Cell Genomics
면역시스템은 다양한 종류의 세포들이 상호작용하는 복잡하고, 역동적이며 유동적인 네트워크로, 세계 각지의 연구팀들에 의해 활발한 연구가 진행 중이지만, 면역과정의 기능적 이질성 때문에 현 기술과 분류 체계로는 연구에 한계가 있음을 설명하였다.
최근 이러한 기능적 이질성으로 인한 한계를 극복하기 위해 single cell genomics를 활용하여, 다양한 면역세포의 spatial organization, dynamics, clonal distribution, pathways와 cross-talk 등을 분석하는 field가 새롭게 떠오르고 있으며, 이러한 tool이 면역시스템의 연구에 활력을 불어넣고 있다고 소개하였다.
이번 발표에서는 single cell genomic 연구가 cancer에서부터 neurodegeneration에 이르기까지 다양한 면역 관련 질환의 연구에 새로운 패러다임을 일으킬 것이라고 설명하였다.
2) RNA modification and Novel Antiviral Response
RNA의 구조적 유연성은 기본적인 생물학적 프로세스에 필수적이지만, 생체 내에서 RNA에 의한 multiple conformation을 연구하는 방법은 거의 불가능에 가까운 것으로 알려져 있었다고 소개하며, 저자들은 cross-linking of matched RNAs and deep sequencing (COMRADES)의 개발을 통해 심층적인 RNA 구조의 capture를 가능하게 하고, cell 내에서 ZIKA virus의 RNA genome 시스템을 규명하였다고 소개하였다.
연구팀은 2018년 Nature Methods에 저자들이 게재한 논문을 인용하며, ZIKA virus가 cell 내에서 human noncoding RNAs와 다양하면서도 특이적인 상호작용을 하고 있다고 발표하였다.
5. Chromatin and Epigenetics (3D genome)
이번 학회는 Epigenetics and Human Disease와 3D genome: Gene Regulation and Disease의 joint 학회로 원하는 주제를 골라 들을 수 있는 학회지만, 저자는 주로 Epigenetics와 관련 질병에 대한 강연을 선택하여 들었지만, 개인적으로 관심이 있는 DNA methylation에 대한 genome-wide한 연구에 대한 강연을 듣고자, 3D genome: Gene Regulation and Disease 학회에서 열리는 강연에 참석하였다.
1) Single cell Analysis of DNA methylation
가장 고전적인 cytosine DNA methylation model의 조절은 promoter 활성의 안정적인 repressive regulator로 생각되어왔다. 그러나 5mC의 whole-genome analysis가 가능하게 된 이후로 mammalian의 발달과정 동안 cell-type 특이적으로, 그리고 조직 특이적으로 만연하고, 산재되어 있는 양상을 보였다.
연구팀은 cytosine의 methylation이 heterochromatin formation을 통한 transcription repression의 역할 이상으로 다양한 역할을 가질 것이라 생각하고 다양한 특성을 보유하는 cell type을 가지는 뇌에서 시공간적인 DNA methylation 패턴을 확인하고자 single cell을 분리하여 Whole-genome Bisulfite sequencing을 진행하였다.
이미 이전 연구들에 의해 고전적으로 알려진 DNA methylation인 CpG 이외에도 CA, CC, CT의 cytosine에 methylation이 일어남을 인지하고, 모든 Cytosine의 methylation 양상을 분류하였다.
그 결과 neuron에서는 CG보다 CA의 methylation이 더 많이 분포하고 있음을 확인하였고, brain의 cell type에 따라 Cytosine의 methylation 양상이 다르게 나타나며, regulatory element에 특히 CA methylation이 산재함을 소개하고, 쥐의 brain에서 DNA methylation atlas를 제작하였다고 발표하였다.
6. Chromatin Signaling and Epigenetic Mechanisms
1) Transcriptional Addition in Cancer
Malignant Tumor cell의 transformation에 반드시 수반되는 과정 중 하나인 transcriptional state의 reprogramming에 대한 연구를 소개하였다. Cancer cell이 malignant transformation을 거치면 특정 transcriptional regulator에 addiction되는 현상이 수반되며, 연구팀은 genetic screening을 통하여, Small Cell Lung Cancer (SCLC)의 subpopulation을 새로운 transcription factor의 발현 양상에 따라 분류하였고, 그중 POU2F3라는 transcription factor의 transcription addiction 여부에 따라
① Neuroendocrine cell lineage (POU2F3 level 낮음)
② Tuft cell lineage (POU2F3 level 높음)
두 종류로 나눌 수 있다는 사실을 밝혀냈다.
POU2F3는 Tuft cell의 master regulator로서 POU2F3 Knockout mice가 viable하지만, tuft cell이 없어 면역체계에 이상이 있다는 사실과, POU2F3-high SCLC Tumor의 경우 tuft cell marker를 발현한다는 증거를 바탕으로 Tuft cell SCLC의 경우 POU2F3을 therapeutic target으로 하는 것이 효과적일 것이라는 근거를 제시하였다.
2) Epigenetics and Functional Intratumor Heterogeneity
Tumor는 성장해 가는 과정에서 형태학적으로, 기능적으로 다양한 subpopulation이 생겨나며, subclonal cell population 간의 유전적 다양성이 intratumor의 기능적 이질성을 제공하는 원인이라고 알려져 있으며, genetic aberration에 의해 후성학적 다양성이 유도되고, 이러한 이질성으로 인해 tumor의 long-term growth 일어난다는 다양한 근거들이 제시되었지만, 정확한 메커니즘에 대한 연구는 미흡하였다.
연구팀은 linker histone H1.0에 의하여 역동적인 epigenetic state가 결정되고, tumor 내에서도 어떤 cell이 long-term cancer growth를 유지할 수 있는지 또한 histone H1.0에 의해 결정된다는 연구결과를 발표하였다.
그 결과 다양한 cell type의 cancer cell에서 histone H1.0이 inter-, intra-tumor에서 높은 이질성을 보이는 것을 확인하였고, Histone H1.0의 silencing은 regulatory DNA element의 chromatin structure를 불안정화시키는 과정을 통하여 proliferative cellular state를 유지하여 최종적으로는 oncogenic pathway를 촉진한다는 연구결과를 소개하였다.
흥미로운 사실은 self-renewing epigenetic state는 안정하지 않으며, H1.0을 복원시켜줄 경우, cell differentiation을 유도하여 non-tumorigenic gene expression 프로그램을 turn-on 할 수 있다는 것이었다.
연구진들은 연구결과를 통하여 tumor-maintaining cell의 후성학적 결정인자가 Histone H1.0임을 밝혀내고, tumor의 organization과 maintenance의 중요 조절인자로서 작용할 수 있음을 규명하였다.
3) Identification of the ZZ Domain as a Novel Histone Reader
Chromatin의 조절과 전사를 위해서는 epigenetic reader를 통해 histone context를 인지하는 것이 가장 기본적인 메커니즘이며, bromodomain과 Chromodomain 등의 reader module은 histone의 특정 posttranslational modification 등을 targeting 하며 이러한 과정은 cell survival, transcription activation과 repression을 조절하기 위해 필수적이라고 할 수 있다.
이 연구팀은 새로운 histone H3의 reader인 ZZZ3와 P300에 존재하는 ZZ-type zinc finger domain을 발굴하였다. ZZZ3는 Ada-Two-A- Containing (ATAC) histone acetyltransferase complex의 subunit으로 ZZZ3의 ZZ domain이 histone H3의 첫 번째 Alanine의 N-말단의 특이적인 binding을 NMR 구조 분석법을 통해 규명하였다.
더불어 ZZ domain을 통한 histone H3의 인지 기작은 ZZZ3가 Chromatin에 위치하게 하며, ATAC complex가 histone acetylation과 gene의 activation을 유지하는 데 필수적이라고 소개하였다. 연구팀은 p300의 ZZ domain 또한 유사하게 p300의 효소 활성과, p300의 Chromatin association을 위해 중요한 기능을 한다고 발표하였다.
7. Metabolic diseases and Aging
1) Role of Mutation in Epigenetic Regulators in Pathogenesis of AML
Whole genome study를 통해 AML 환자 샘플과 candidate gene을 분석한 결과 AML 환자에게서 TET2, IDH1/2 그리고 cohesion complex 등의 somatic mutation이 많이 발생한다는 사실을 토대로, 연구팀은 TET2/IDH mutation이 DNA hydroxymethylation의 손실을 유도하며, 백혈병 환자에게서 hypermethylation을 유발한다는 사실을 확인하였다. 또한 TET2의 loss 혹은 neomorphic IDH1/2 mutations가 hematopoietic differentiation을 저해하며, stem cell의 self-renewal, myeloid transformation을 증가시킨다는 연구 결과를 소개하였다.
2) The Aging Genome: CpG depletion throughout Human Evolution
Germline의 CpG site의 mutation은 매우 치명적이라는 사실을 화두로 CpG의 evolution 과정의 특징적인 면을 설명하였는데, 진화과정을 거치면서 연구자들은 주로 CpG가 어떻게 변화하는지를 연구한다고 소개하였다.
이 연구팀에서는 인간의 진화과정이 진행됨에 따라 결론적으로 CpG/GpG의 비율이 점차적으로 감소하는 양상이 확인되었고 이러한 CpG의 생성과 파괴가 상대적으로 안정적인 패턴을 유지하고 있다는 수치화 데이터를 소개하였다.
다른 연구자들의 강연의 질의응답 시간과는 사뭇 다른 분위기로, 연구결과가 신뢰할 수 없으며, 본인들의 연구가 CpG를 주제로 하는 연구자의 경우 본인 연구결과에 따르면 CpG의 context는 뇌세포의 분화와 발달에 매우 필수적이므로 CpG의 loss가 신뢰할 수 있을 만한가에 대한 discussion이 활발하였다.
8. Epigenetic regulation in Immunoncology and Cancer Therapeutics
1) DNA methylation, Viral Mimicry, Epigenetic Therapy
Human genome의 거의 절반 이상은 repetitive elements로 구성되어 있으며, 적절하지 못한 activation과 관련된 이상을 방지하기 위해 매우 정교하게 조절된다고 소개하였다. 하지만, Cancer cell의 경우 종종 부분적으로 DNA methylation의 감소 등의 이유로 이러한 element들이 부적절하게 발현한다.
연구자들은 DNA methylation inhibitor가 transposable elements를 발현을 촉진하는 것을 확인하였고, repetitive element의 발현을 저해하는 것이 cancer의 development를 억제하는 역할을 함을 viral mimicry 시스템을 활용하여 연구하고 있다고 소개하였다.
2) Drug Discovery and Clinical Progression or Epigenetic Therapies
기존의 DNMT inhibitor인 5-Azacytidine이 DNA에 incorporation하여 발생하는 side effect를 제거하기 위해 DNA에 incorporation하지 않는 DNMT1 선택적인 inhibitor, GSK-3484862의 발명과정에 대하여 설명하였다. Non-covalent inhibitor인 GSK-3484862가 DNA hypomethylation을 유도하여 cancer treatment를 가능하게 할 것이라 소개하였다.
Ⅱ. 총평
그동안 참석한 많은 Epigenetics 학회에서 cancer, transcriptional regulation, 혹은 enhancer를 통한 regulation 등의 특정 소주제가 주를 이루고 있어, 주제의 다양성이 떨어진다는 느낌을 받아왔었다.
하지만 이번 keystone symposia에서는 Epigenetics and Human disease라는 다소 광범위한 주제에 대해 다루고 있어, Neurological disease, cancer, immune disease와 같은 보다 다양한 조직에서, 다양한 주제로 진행하는 연구에 대한 강연들을 접할 수 있다는 점이 좋았다.
또한 대부분의 연구가 시작단계라 publish된 논문으로 접하기에 어려움이 있지만, Epigenetic 연구의 중요한 key가 될 수 있는 주제들을 앞서 접하는 기회를 통해, 세계 유수의 대학에서 선도하고 있는 연구에 발맞출 수 있어 유익한 학회였다.
< 활발한 디스커션이 이루어지는 포스터 세션 >