연   구   결   과   개   요

□ 연구배경

갑상선유두암종(Papillary thyroid carcinoma, PTC)은 가장 흔한 갑상선암이며 과거 30년간 발병률이 크게 증가하였다. PTC는 이질적인 분자학적 및 임상적 특징들을 갖는 10개 이상의 조직학적 변형들이 존재한다.

2017년의 WHO(World Health Organization) 갑상선암의 분류기준에 따르면, 유두암종의 비침윤성피막형성소포형 (noninvasive encapsulated follicular variant)의 대부분은 여포갑상선종양(NIFTP, noninvasive follicular thyroid neoplasm with papillary-like nuclear features)으로 재분류되었다.

과거에 악성 유두암종의 한 유형으로 분류되었던 여포갑상선종양은 더 이상 악성이 아니며 불확실한 악성 잠재성을 갖는 경계성 종양(borderline tumor)으로 하향 분류됨으로 인해 이를 구분할 수 있는 바이오마커의 개발 필요성이 제기되어 왔다.

DNA 메틸화(methylation)는 사이토신-구아닌 이중 뉴클레오타이드(CpG)에서 사이토신의 5‘ 위치에 메틸기가 첨가되는 가장 잘 알려진 후성학적 변화이다.

종양세포에서 종양억제유전자(tumor suppressor gene)의 비활성화는 유전자의 프로모터 부위에서 과메틸화(hypermethylation)을 통해 발생할 수 있고, 종양 유전자(oncogene)는 프로모터 저메틸화(hypomethylation)에 의해 활성화될 수 있다.

최근 연구결과에 의하면 인헨서(enhancer) 부위에서의 DNA 메틸화가 표적 유전자 발현의 조절을 통해 암 발병에 있어서 매우 중요한 역할을 한다는 것이 보고되었다.

□ 연구내용

연구를 통해 갑상선암 특이적으로 변화하는 수천개의 뉴클레오타이드(CpG) 위치에서 DNA 메틸화 변화가 관찰되며, DNA 메틸화 변화는 유전자 발현에 영향을 주는 것을 확인하였다.

연구팀은 유전자의 프로모터 또는 인헨서 DNA에서의 메틸화 변화가 유전자 발현에 영향을 주어 갑상선암의 발생과 밀접한 관련이 있음을 밝혔으며, 경계성 종양과 악성 종양을 구분할 수 있는 신규 DNA 메틸화 바이오마커를 발굴하였다.

특히 MMP7, MICAL2, 및 DIAPH1 유전자의 DNA 메틸화가 악성 갑상선암에서 매우 감소하는 사실을 밝혔다.

MMP7 (matrix metalloproteinjase-7): MMP 유전자 그룹에 속하는 유전자로써, 암 형성 및 전이에 관여한다고 보고된 유전자

MICAL2 (microtubule associated monooxygenase, calponin and lim domain containing 2): 암세포 증식 및 상피간엽이행(epithelial-mesenchymal transition)을 촉진시킨다고 보고된 유전자

DIAPH1 (diaphanous related formin-1) : 대장암의 전이와 관련성이 보고된 유전자

또한 갑상선암 특이적으로 DNA 과메틸화가 되는 부분은 TEAD family 전사 인자와 관련이 있으며, 반대로 저메틸화가 발생하는 부분은 Fra, JunB, Bach 등의 전사 인자와 관련이 있음을 밝혔다.

본 연구의 성과는 유전자의 프로모터 및 인헨서 DNA에서의 메틸화 변화가 유전자 발현에 영향을 주어 갑상선 발생에 밀접한 관련이 있음을 밝히고, 특히 MMP7, MICAL2, 및 DIAPH1 유전자의 DNA 메틸화가 악성 갑상선암에서 매우 감소하는 분자 바이오마커임을 알아냈다. 그러므로 이 분자 마커를 이용하여 악성 갑상선암의 진단 및 예후 판정을 위한 실용화 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다.

□ 연구성과의 의미

갑상선암과 DNA 메틸화 변화의 관련성 규명

갑상선암 특이적으로 변화하는 수천개의 CpG 위치에서 DNA 메틸화 변화가 관찰되며, DNA 메틸화 변화가 유전자 발현에 영향을 주기 때문에 갑상선암 발생에 있어 DNA 메틸화가 매우 밀접한 관련이 있음을 보여주고 있다

또한, 갑상선암 특이적 DNA 과메틸화가 되는 부분은 TEAD family 전사 인자와 관련이 있으며, 반대로 저메틸화가 발생하는 부분은 Fra, JunB, Bach 등의 전사인자와 관련이 있음을 밝혔다.

경계성 종양과 악성 종양을 구분 지을 수 있는 DNA 메틸화 마커 발굴

악성 갑상선암에서 MMP7, MICAL2, 및 DIAPH1 유전자에서 DNA 메틸화가 의미 있게 감소함을 대규모 환자 코호트 연구에서 입증하여 악성 갑상선암의 진단 및 예후를 판정하는 실용화 기술을 개발함으로써 갑상선암의 과잉 진단 및 이에 따른 불필요한 수술을 크게 줄여 환자 삶의 질 향상에 기여할 것으로 기대된다.

연 구 결 과  문 답

이번 성과 뭐가 다른가		1. 유전자상의 프로모터 뿐만 아니라 인헨서 위치에서의 DNA 메틸화 변화가 갑성선암과 밀접한 관련이 있음을 규명 2. 갑상선암 특이적 신규 DNA 메틸화 마커를 규명
어디에 쓸 수 있나		경계성 종양과 악성 종양을 구분할 수 있는 분자 마커로 활용하여, 갑상선암의 진단 및 예후에 활용될 수 있을 것이라고 기대함
실용화까지 필요한 시간은		검증에 필요한 제품의 개발 속도 및 코호트 검증에 따라 실용화 소요시간이 결정될 것
실용화를 위한 과제는		전향적인 임상시험을 통해 갑상선암 진단의 정확도를 검증하는 시도가 필요함.
연구를 시작한 계기는		갑상선암에 대한 과다진단 및 과잉치료의 의료사회적 문제가 발생되고 있지만, 경계성 종양과 악성 종양을 명확히 구분할 수 있는 분자 마커가 거의 보고 되지 않아 연구를 시작하게 됨
에피소드가 있다면		신규 발견된 DNA 메틸화 마커의 성능을 평가하기 위해 갑상선암의 다양한 아형에서 검증을 진행을 하였는데, 이때 임상 시료를 얻는 것이 어려웠음.
꼭 이루고 싶은 목표는		다양한 유전체 기술을 활용한 분자마커 연구를 통해 분자 마커의 개발 및 활성화에 기여하고 싶음
신진연구자를 위한 한마디		본 연구 성과는 코딩 RNAs 위치에 초점이 맞추어져 있는 기존연구를 벗어나기 위해, 인헨서 부위의 커버리지를 가지고 있는 최신 기술을 활용하였음. 새로운 기술이 개발되었을 때 남들보다 빠르게 연구 아이디어에 접목 시키는 것은 연구를 진행함에 있어서 중요한 하나의 요소라고 생각함

그림 및 용어  설명

1. DNA 메틸화와 유전자 발현과의 관계

고등 동식물 유전자 염기서열에서 CG 라는 이중 뉴클레오티드가 많이 존재하며, 이 CG의 C (시토신)에 메틸기(CH3-)라는화학적 구조물이 환경에 따라 “결합”또는 “이탈”이 발생하는데, 이를 “메틸화”또는 “탈메틸화”한다고 부른다(그림 A).

특히 많은 유전자의 전사활성을 조절하는 프로모터 영역에는 CG 이중뉴클레티드가 집중적으로 분포하고 있으며, 이를 “CpG island”라고 부름(그림 B).

CpG island에서 각CG의 의 C가 탈메틸화 상태이면 이를 프로모터 또는 크로마틴 구조가 열려 있다(“개방형”)고 부르며, 이와 반대로 각 CG의 C가 메틸화 상태이면 이를 프로모터 또는 크로마틴 구조가 닫혀 있다(“폐쇄형”)고 부른다(그림 C).

이러한 크로마틴구조의 변형은 DNA 메틸화와 DNA에결합되어 있는 단백질복합체인뉴클레오솜(nucleosome)의 일부 아미노산 표지자 특성과의 상호작용에 의해 결정된다(그림 C).

프로모터가 개방형일 때, 프로모터의 DNA 염기서열은전사인자 등의 단백질과의 결합을 통해 전사개시부위(TSS)로부터의 RNA가 합성이 진행되나, 이와 반대로 프로모터가 폐쇄형일 때, 프로모터에는 뉴클레오솜이 밀접되어 전사인자 등의 단백질의 접근 또는 결합을 억제해 RNA 합성을 진행하지 못하게 한다(그림 C).

2. 인헨서

◦ 유전자의 발현을 원거리에서 조절하는 DNA 영역이다.

◦ 활성 단백질이 표적 유전자의 인헨서에 결합하면 표적 유전자의 프로모터와 상호작용하여 표적 유전자를 활성화시킨다.

그 림 설 명

그림 1. 정상조직과 갑상선암 조직에서의 과메틸화(hypermethylated) 및 저메틸화(hypomethylated)가 발생하는 CpG들의 비교 분석

(A)	(B)
그림 2. 갑상선암 특이적 (A)과메틸화 및 (B)저메틸화가 영향을 주는 전사인자들

그림 3. 3종의 메틸화 바이오마커를 활용한 양성 종양, 경계성 종양 및 악성 종양 구분 성능 평가

그림 4. DNA 메틸화 마커 3개의 메틸화 정도에 따른 4개 환자 그룹과 (A) 다양한 갑상선 종양 [양성 종양(FA), 경계성 종양(NIFTP), 저위험도 유두암종(IEFVPTC), 전형적 유두암종(classic PTC), 공격적 성향의 유두암종(TCVPTC)], (B) 갑상선종양의 수술 후 재발 예측 위험도, (C) 실제 재발 및 (D) 암 병기와의 연관성 분석

김용성 박사 이력사항

1. 인적사항

o 소 속 : 한국생명공학연구원

유전자교정연구센터

o 전 화 : 042-879-8110

o e-mail : yongsung@kribb.re.kr

2. 학 력

o 1976 - 1983   성균관대학교 생물학 이학사

o 1983 - 1985   성균관대학교 대학원 동물학 이학석사

o 1985 - 1988   성균관대학교 대학원 분자유전학 이학박사

3. 경력사항

o 1990 – 1993	한국생명공학연구원 (Post Doc)

o 1993 – 1994	일본 오사카대 (방문교수)

o 1994 – 현재	한국생명공학연구원 선임/책임연구원

o 2000 – 2003	한국생명공학연구원 유전체센터 (센터장)

o 2004 – 현재	과학기술연합대학원대학교 (교수)

o 2004 – 2006	충남대학교 의과대학 (겸임교수)

o 2006 – 2010	충남대학교병원 조직은행 운영위원회 (위원)

o 2012 – 2013	미국 UCSF Medical Center (방문교수)

o 2014 – 2016	한국생명공학연구원 유전체연구소 (소장)

o 2015 – 2018	제4기 국가생명윤리위원회 인체유래물전문위원회(위원)

o 2015 – 2019  대전고등검찰청 검찰시민위원회 (위원장)

o 2015 – 현재	국립중앙인체자원은행 분양심의위원회 (위원)

o 2019 – 현재  보건복지부 공용기관생명윤리위원회 (위원)

4. 전문 분야 정보

o 분자유전학

정찬권 교수 이력사항

1. 인적사항

o 소 속 : 가톨릭대학교 서울성모병원

병리과

o 전 화 : 02-2258-1622

o e-mail : ckjung@catholic.ac.kr

2. 학 력

o 1991 - 1997   경상대학교 의학과 학사

o 1998 - 2000   가톨릭대학교 대학원 병원병리학 의학석사

o 2001 - 2007   가톨릭대학교 대학원 병원병리학 의학박사

3. 경력사항

o 1997 – 1998	가톨릭중앙의료원 (인턴)

o 1998 – 2002	가톨릭중앙의료원 병리과 (레지던트)

o 2002 – 2005	공군항공우주의료원 (항공 군의관)

o 2005 – 현재	가톨릭대학교 서울성모병원 (교수)

o 2010 – 2011	미국 피츠버그대학교 (방문교수)

o 2012 – 2014	대한세포병리학회 정도관리이사/위원장

o 2015 – 2019	대한갑상선학회 윤리이사

o 2016 – 현재	대한암학회 이사

o 2019 – 현재	대한갑상선학회 재무이사

o 2019 – 현재	대한병리학회 간행이사/위원장

4. 전문 분야 정보

o 분자병리학, 내분비병리학, 골연부조직병리학, 디지털병리학, 세포병리학

박종열 박사 이력사항

1. 인적사항

o 소 속 : 한국생명공학연구원

유전자교정연구센터

o 전 화 : 042-879-8124

o e-mail : nlcguard@kribb.re.kr

2. 학 력

o 2000 - 2006   목원대학교 미생물학전공 학사

o 2007 - 2014   과학기술연합대학원 대학교 기능유전체학 박사

3. 경력사항

o 2014 - 2017   한국생명공학연구원 박사후연구원

o 2017 – 현재	한국생명공학연구원 객원선임연구원

4. 전문 분야 정보

o 후성유전체