Abstract


BACKGROUND: Diabetes, an obesity-related disease, is a growing public health concern as the number of overweight or obese persons significantly increases globally. The apparent strong correlation between type 2 diabetes and obesity has led to multiple confounding effects on the phenotypic variance.
CURRENT STATUS: Current genomic studies have focused on individual genetic variation to a single trait or target phenotype. However, the results have been limited in terms of functional genetic and epigenetic implications of non-coding variants.
PROSPECTIVE FUTURE: Collection of blood samples, target pancreatic islet, and pure single cells from diabetic or obese patients can be applied to multi-omics approaches. This study is also expected to broaden the understanding of the overall genetic-epigenetic architecture in metabolic and endocrine regulation.



I. 들어가는 말


  전 세계 성인인구의 약 7%가 앓고 있는 당뇨병은 환자 개인의 건강문제뿐 아니라, 국가적으로 심각한 경제적, 사회적 문제를 일으키며, 환자 개인과 국가 모두에 경제적 부담을 증가시키고 있다. 국제당뇨병연맹(International Diabetes Federation)의 보고에 따르면 2010년 전 세계 의료비 지출의 11.6%에 달하는 3,760억 달러에서 2030년에는 약 4,900억 달러를 초과하는 비용이 당뇨병 관련 치료에 사용될 것으로 예상하고 있다. 국내 당뇨병 유병률에 대한 국민건강영양조사의 보고에 따르면, 성인 10명 중 1명이 당뇨병 환자이며, 10명 중 2명은 당뇨병 전 단계인 공복혈당장애에 해당한다. 최근 “다이아비서티(DIABESITY = DIABETES + OBESITY)”라는 신조어가 생기게 될 만큼 당뇨병은 성별, 인종, 사회적 신분이나 교육수준과 크게 상관없이 지속적으로 증가하는 추세에 있으며, 실제 당뇨병 환자 4명 중 3명(75%)은 과체중이거나 비만인 상태이다(Figure 1). 최근 유전체 연구동향을 살펴보면, 지난 10년간 코호트 기반 인구집단을 대상으로 전장유전체연관성연구에 의해 약 70여개의 당뇨병 관련 유전변이가 발굴되었으나, 여러 가지 제한점들에 의한 연구의 한계를 보이고 있다. 비만은 여러 만성질환 중 특히 제2형 당뇨병(type 2 diabetes mellitus) 발병과 밀접한 연관성을 보이고 있지만 아직 명확한 원인은 규명되어 있지 않은 실정이다[1]. 즉 비만인 사람이 당뇨병 위험에 노출되어 있는 것은 사실이지만, 당뇨병 환자라고 해서 반드시 비만이거나 반대로 비만인 사람이 전부 당뇨병 환자는 아니라는 것을 보여준다. 또한 당뇨병에 의해 비만이 발생되는지 반대로 비만도에 따라 당뇨병이 발생하는지에 대한 원인 규명이 필요한 동시에[2, 3] 이러한 복합 질환의 만성화가 지속되는 원인에 대한 연구도 중요하다.

이 글에서는 질병관리본부 국립보건연구원 유전체센터의 형질연구과에서 최근 수행한 정책연구용역으로부터 생산된 당뇨병 및 비만의 타겟 조직 특이 단일세포 등으로부터 확보된 인체유래물 시료 확보와 이에 대한 연구 활용성을 기술하고자 한다.

II. 몸 말


  당뇨병은 비만, 고혈압, 고지혈증 등의 만성질환과 병발하여 발생하고 있으며, 그중 특히 비만도와 밀접한 상관관계를 보이고 있다(Figure 2, 3). 발생기전에 따라 단일 소인성, 유전성, 다요인성 등의 형태로 분류될 수 있으며, 현재 유전체 연관성연구를 통해 약 150개의 유전자 변이가 발굴되어 있지만, 상대적으로 유전적 원인으로 설명이 가능한 것은 전체의 5-10%에 지나지 않을 정도로 미약한 수준이다. 이를 극복하기 위한 다각도의 융합 유전체 연구가 최근 진행되고 있는 가운데 DNA염기서열 변화를 일으키지 않고, DNA 메틸화와 히스톤 단백질의 변화에 의하여 유전자의 발현과 세포 또는 조직 수준에서의 형질 변화를 일으키는 에피유전체 수준의 분석이 시도되고 있다. 

기존의 전장유전체연관성 분석법 이외에 유전적으로 독립적인(genetically independent) 환경적 요인이 반영된 에피유전체 마커발굴을 위한 연구를 수행하기 위해서는 당뇨병 및 비만의 주요 타겟 조직 또는 세포와 혈액 등 인체유래물 기반의 시료를 이용하여 에피유전체적 변화를 관찰하고 후보 원인인자를 발굴하여, 그에 대해 재현성 여부를 확인해야 하는 과정이 필수적이다. 당뇨병의 주요 발생부위인 췌장은 기능적으로 다른 2개의 기관인 외분비 췌장과 내분비 췌장으로 구성되며, 이중 내분비 췌장은 췌장 내 산재하는 작은 내분비선 조직인 랑게르한스 소도로 구성된다.
 
랑게르한스 소도는 글루카곤을 생산하는 알파 세포, 인슐린을 생산하는 베타 세포, 소마토스타틴을 분비하는 델타 세포 등으로 구성되고 있다. 이중 베타 세포가 랑게르한스 소도 전체의 80%를 차지한다. 인슐린은 영양소의 흡수에 의하여 혈당이 증가되고, 췌장 베타 세포에서 당이 흡수될 때에 칼슘-칼륨 교환기전에 의하여 베타 세포로부터 분비하여, 혈당을 낮추는 기능을 한다. 이러한 베타 세포에서 이상이 생기게 되면, 기능적으로 인슐린 분비에 장애를 일으켜 결국 당뇨병이 발생하게 된다. 따라서 췌장의 랑게르한스 소도 세포의 선택적 시료 수집과 이에 대한 전략적 연구 활용이 당뇨병의 연구에 있어 반드시 필요하다.

당뇨병 및 비만 질환의 에피유전체 연구 동향
  전장유전체연관분석법에 의해 당뇨병 및 비만 관련 연구에서 초기 발굴된 주요 유전자인 FTO(Fat mass and obesity associated)를 중심으로 유전체-에피유전체 통합분석에 의한 감수성이 높은 새로운 유전자의 유전변이를 발굴하고 있다[4]. 이러한 통합연구 접근법은 추가적인 신규마커의 발굴 가능성을 높이고 유전설명력을 높일 수 있을 뿐 아니라 질환 예측 및 예방에도 응용되고 있다. 기존 전장유전체 연관연구를 통해 보고된 변이들은 유전형분석실험에 사용된 단일염기변이(SNP chip) 탐침자의(probe) 특성상 대부분이 인트론이나 유전자사이(intergenic)에 위치한 변이들로서 그 기능적 해석에 한계가 있으며 최근 ENCODE(The Encyclopedia of DNA Elements)데이터[5] 공개 이후 비번역 변이의(non-coding variant) 기능적 역할에 대한 보고가 있다. 최근 발표된 에피유전체 연구에 의하면, 기존 잘 알려진 FTO 유전자내 엑손 사이에 위치한 인트론 유전변이가 서로 다른 염색체 위치에 존재하는 당뇨병 조절 관련 주요 유전자들과 장거리 상호조절기작(3D-long range interaction)에 관여하고 있음이 밝혀졌다[6, 7].

또한 당뇨병 질환불일치 쌍둥이 코호트를 대상으로 당뇨병 관련 차별화 메틸화 마커(differentially methylated region, DMR)와 유전적 비의존적성 차별화 메틸화마커(genetically-independent DMR)를 발굴하였고, 혈액을 이용한 대용량 메틸화 칩인(Infinium 450k chip)을 이용하여 비만조절인자를 발굴하는 등 활발한 유전체-에피유전체 연구가 이루어지고 있다[8]. 현재까지 보고된 약 70여 개의 전장유전체 연관변이에 대한 전장 메틸화 분석 결과, 70% 이상의 유전자가 과메틸화(hypermethylation)되어 있다는 보고가 있다(Figure 4). 당뇨병과 비만을 유발하는 환경적인 요인과 더불어 유전체적, 에피유전체적인 변화는 서로 밀접한 연관성을 보이고 있다(Figure 5).

Figure 4에서와 같이 유전체적, 에피유전체적 변화는 질병의 감수성에 대한 원인이 되는 인자를 규명하는 데 있어 환경적 요인과 더불어 서로 밀접한 상호관계를 보이고 있다[9]. 따라서 기존 단일 유전변이만으로 부족했던 유전적 인자로 설명력을 높이고 당뇨병과 비만에 대한 질환 예측과 예방을 위하여 유전체 연구와 더불어 메틸화와 히스톤 단백질 변형 등의 에피유전체에 대한 연구가 수반되어야 할 것이다.

당뇨 관련 에피유전체 연구를 위한 시료 확보 현황
  통합적인 유전체-에피유전체 연구를 위해서는 당뇨병뿐 아니라 비만에 있어서도 동일 환자로부터의 인체유래물 확보가 필요하고 이에 대한 염기서열분석, 유전자 발현, DNA 메틸화 등 다기반(multi platform)의 데이터 생산이 필요하다. 일반적으로 비만도가 증가함에 따라 당뇨병의 원인이 되는 인슐린 저항성이 증가하게 되는데 비만 세포의 분화 정도에 따라 이러한 당뇨병 위험도가 달라지게 된다(Figure 6).
 
이에, 정책연구용역과제를 통해 당뇨병 및 비만 환자로부터 췌장 및 복부 비만 조직을 수집하여 세포를 순수 분리하고, DNA, RNA 등 시료를 확보하여 정량, 정성 분석을 수행하였다. 당뇨병 환자의 체내에서 분리된 췌장 조직은 소화액을 주입 후 적정온도 상태에서 세포 덩이를 1차 분리하고, 정제 단계를 거쳐 순수한 췌도 세포만을 분리하여 면역염색화학법을 통해 알파 세포와 베타 세포에서 생산하는 특이적 표면 마커인 글루카곤과 인슐린을 동시에 염색하여 확인하였다.

확보한 췌도세포는 세포수에 대한 정량 분석을 한 후 각 DNA, RNA 등 인체유래물 시료로 확보되며 또 다시 정량정성분석을 통해 최종 샘플로 보관된다. 지방세포의 경우 체질량지수가 27.5 이상인 비만환자로부터 육안으로 관찰되는 혈관과 결합조직을 제거한 다음 소화액을 처리 후 원심분리기를 거쳐 유사한 방법으로 지방전구세포와 지방세포를 분리하고, 동일한 방법에 의해 DNA, RNA 등 인체유래물 시료를 확보한다. 현재 확보된 당뇨병 및 비만 연구를 위하여 확보한 시료에 대한 현황은 아래와 같다(Table 1-2).

연구 활용에 대한 기여
  질병관리본부 국립보건연구원에서는 2011년 “국제인간에피유전체컨소시엄(International Human Epigenome Consortium, IHEC)” 가입을 통해 당뇨병, 비만 등의 만성질환에 대한 위험인자 발굴을 위하여 에피유전체 연구를 수행 중에 있다. IHEC는 최소 1,000여개 인간세포에 대한 기준 에피유전체(reference epigenome) 데이터 생산을 목표로 하여 연구를 진행 중에 있으며, 현재 IHEC 홈페이지를 통하여 일반인들에게도 연구성과에 대한 정보공개를 시작하고 있다(http:// www.ihec-epigenomes.org/outcomes/datasets/).

또한 국립보건연구원은 한국의 에피유전체의 연구 활성화 및 방향성 정립을 위하여 정책 방향을 제시하고자, “한국인 에피유전체 중장기 로드맵(Mid-term Technology Roadmap for Korean Human Epigenome Project)” 사업을 추진하고 있다[10]. 이번 연구사업으로부터 확보된 당뇨병 및 비만 관련 연구에 필요한 시료는 국내외 에피유전체 컨소시엄을 중심으로 다양한 유전체 연구 수행에 있어서 중요한 기준 데이터로서 활용될 뿐 아니라 분석 가이드라인 확립과 연구 네트워크 강화에도 활용될 것으로 사료된다.

향후 멀티오믹스 통합 연구를 통해 당뇨병 및 비만에 대한 신규 변이 발굴 및 원인인자 규명이 가능해질 것으로 전망되며, GWAS(Genome-wide association study)-EWAS(Epigenome-wide association study)의 연계 분석을 통한 유전체 분석 거점으로서의 위상을 확보하고, 관련 기술 및 가이드라인 제시를 통한 폭넓은 연구 활용에 기여할 수 있을 것이다(Figure 7).

III. 맺는 말


  당뇨병 및 비만 환자의 췌장 및 지방조직으로부터 항체를 이용한 순수 단일 세포분리과정을 통해 확보된 인체유래물 시료 수집은 앞으로 유전체, 에피유전체 등 멀티오믹스기반 연구에 필수 시료로서 유용할 것이다. 질환 특이적인 유전변이 요인 발굴과 더불어 질환발병의 환경적인 요인을 고려하여 당뇨병 및 비만의 주요 타겟 조직세포인 랑게르한스 소도, 베타 세포, 전지방세포, 지방세포 등으로 부터 후보마커를 발굴하고 이에 대한 혈액시료에서의 재현성 검증여부가 뒷받침된다면, 생물학적으로 의미 있는 결과 도출이 가능할 것으로 전망된다. 또한 기존 염기서열 정보만으로는 부족했던 질환 발생기전 및 생물학적 기능을 이해하는 데 크게 기여할 것으로 사료된다.

IV. 참고문헌


1. Hwang JY, Sim X, Wu Y, Liang J, Tabara Y, Hu C, Hara K, Tam CH, Cai Q, Zhao Q et al. 2015. Genome-wide association meta-analysis identifies novel variants associated with fasting plasma glucose in East Asians. Diabetes. 76:291-298.
2. Yajnik CS, Yudkin JS. 2004. The Y-Y paradox. Lancet. 363(9403):163.
3. Herrera BM, Keildson S, Lindgren CM. 2011. Genetics and epigenetics of obesity. Maturitas. 69(1):41-49.
4. Bell CG, Finer S, Lindgren CM, Wilson GA, Rakyan VK, Teschendorff AE, Akan P, Stupka E, Down TA, Prokopenko I et al. 2010. Integrated genetic and epigenetic analysis identifies haplotype-specific methylation in the FTO type 2 diabetes and obesity susceptibility locus. PLoS One. 5(11):e14040.
5. Yue F, Cheng Y, Breschi A, Vierstra J, Wu W, Ryba T, Sandstrom R, Ma Z, Davis C, Pope BD et al. 2014. A comparative encyclopedia of DNA elements in the mouse genome. Nature. 515(7527):355-364.
6. Smemo S, Tena JJ, Kim KH, Gamazon ER, Sakabe NJ, Gomez-Marin C, Aneas I, Credidio FL, Sobreira DR, Wasserman NF et al. 2014. Obesity-associated variants within FTO form long-range functional connections with IRX3. Nature. 507(7492):371-375.
7. Sanyal A, Lajoie BR, Jain G, Dekker J. 2012. The long-range interaction landscape of gene promoters. Nature. 489(7414):109-113.
8. Dick KJ, Nelson CP, Tsaprouni L, Sandling JK, Aissi D, Wahl S, Meduri E, Morange PE, Gagnon F, Grallert H et al. 2014. DNA methylation and body-mass index: a genome-wide analysis. Lancet. 383(9933):1990-1998.
9. Dong AW et al. 2012. The genetic and epigenetic basis of type 2 diabetes and obeisty. Clinical Pharmacology & Therapeutics. 92(6):707-15.
10. 배재범. 2014. 후성유전체와 국제협력연구컨소시엄, 주간건강과 질병. Vol.7(14)