후성유전체학

후성유전체학(Epigenomics) 분석 가이드: DNA 서열 너머의 정보

DNA 메틸화, 히스톤 변형, 크로마틴 접근성까지. 후성유전체학의 주요 기술과 분석 도구를 정리했다.

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같은 유전체를 가진 세포가 왜 서로 다른 기능을 수행할까? 간세포와 뉴런의 DNA 서열은 동일하지만, 활성화되는 유전자는 완전히 다르다. 이 차이를 만드는 것이 **후성유전체(epigenome)**다. DNA 메틸화, 히스톤 변형, 크로마틴 접근성 등 DNA 서열 변화 없이 유전자 발현을 조절하는 메커니즘을 포괄적으로 분석하는 것이 후성유전체학이다.

DNA 메틸화

Multi-omics data integration and analysis workflow

Genomics and proteomics research in modern laboratory

가장 많이 연구된 후성유전 마크다. CpG 사이트의 시토신에 메틸기가 붙으면 보통 해당 유전자의 전사가 억제된다. 분석 기술은 크게 두 가지:

  • Bisulfite sequencing(BS-seq): 바이설파이트 처리로 비메틸화 시토신을 우라실로 변환시킨 뒤 시퀀싱한다. WGBS(전장)와 RRBS(축소 표현) 두 가지 변형이 있다. 염기 수준의 해상도를 제공하지만 비용이 높다.

  • 메틸화 어레이: Illumina의 EPIC 어레이(현재 EPICv2)가 표준이다. 85만 개 이상의 CpG 사이트를 커버하며, 비용 효율이 좋아서 대규모 코호트 연구에 적합하다.

히스톤 변형과 ChIP-seq

히스톤 단백질의 특정 잔기에 붙는 화학적 변형(메틸화, 아세틸화 등)은 크로마틴 구조와 유전자 발현에 직접적인 영향을 미친다. 이를 측정하는 표준 기술이 ChIP-seq이다.

주요 히스톤 마크:

  • H3K4me3: 활성 프로모터

  • H3K27ac: 활성 인핸서와 프로모터

  • H3K27me3: 억제된 유전자 (Polycomb 표적)

  • H3K36me3: 전사된 유전자 본체

최근에는 ChIP-seq의 한계(많은 세포 수 필요, 항체 의존)를 극복하기 위해 CUT&Tag이나 CUT&RUN 같은 대안 기술이 빠르게 확산되고 있다. 적은 세포로도 고품질 데이터를 얻을 수 있고, 실험도 훨씬 간편하다.

크로마틴 접근성: ATAC-seq

ATAC-seq는 크로마틴이 열려 있는(open chromatin) 영역을 매핑하는 기술이다. 트랜스포사제 Tn5가 열린 크로마틴에 선택적으로 삽입되는 원리를 이용한다. 실험이 간단하고 적은 세포로도 가능해서 후성유전체 분석의 입문 기술로도 적합하다.

단일세포 수준으로 확장된 scATAC-seq는 세포별 크로마틴 접근성 차이를 보여줘서, 세포 타입별 조절 요소(regulatory element)를 식별하는 데 강력하다.

데이터 분석 도구

후성유전체 데이터 분석에 필수적인 도구들:

  • Bismark: BS-seq 데이터 매핑과 메틸화 호출

  • MACS2/MACS3: ChIP-seq, ATAC-seq 피크 콜링

  • DiffBind: 조건 간 차등 결합(differential binding) 분석

  • chromVAR: scATAC-seq에서 전사인자 활성 추정

  • ArchR/Signac: scATAC-seq 통합 분석 프레임워크

후성유전체학은 암, 노화, 발달 생물학 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 하고 있다. 특히 단일세포 기술과 결합되면서, 세포의 정체성을 결정하는 조절 코드를 해독하는 데 한 걸음씩 다가가고 있다.

📚 참고 데이터베이스: Nature

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