앞 장에서 자폐 위험 유전자들이 시냅스, 크로마틴, 전사 조절이라는 세 경로로 수렴한다는 것을 보았다. 이 장에서는 수렴의 한 가지 구체적인 기전을 살펴본다. 서로 다른 전사 조절 인자(transcription factor)들이 유전체의 같은 위치에 결합하여 같은 유전자들을 조절한다는 발견이다.
전사 조절 인자란, DNA의 특정 서열에 달라붙어서 인접한 유전자의 발현을 켜거나 끄는 단백질이다. 세포가 어떤 유전자를 읽을지 말지를 결정하는 현장 감독관에 비유할 수 있다. 유전체에는 수천 개의 유전자가 있지만 하나의 세포에서 모든 유전자가 동시에 켜져 있는 것이 아니라, 그 세포의 유형과 발달 시점에 맞는 유전자만 선택적으로 켜진다. 이 선택을 수행하는 것이 전사 조절 인자다. 하나의 전사 조절 인자가 수천 개의 유전체 위치에 결합할 수 있고, 하나의 유전자는 여러 전사 조절 인자의 조절을 동시에 받는다.
자폐 위험 유전자 중에 전사 조절 인자를 만드는 유전자가 여럿 있다. ARID1B, BCL11A, FOXP1, TBR1, TCF7L2가 대표적이다. 이 다섯 유전자 각각에 기능 상실 변이가 생기면 자폐스펙트럼장애의 위험이 높아진다. 하지만 이 다섯 유전자는 서로 다른 단백질을 만들고, 서로 다른 분자적 기전으로 작동한다. 그런데 Darbandi et al. (2024) 연구는 이 다섯 전사 조절 인자가 유전체에서 결합하는 위치가 놀라울 정도로 겹친다는 것을 발견했다.
이 연구는 인간 태아 뇌(임신 23주)와 마우스 배아 뇌에서 ChIP-seq(chromatin immunoprecipitation sequencing)라는 기술을 사용하여, 다섯 전사 조절 인자 각각이 유전체의 어느 위치에 결합하는지를 지도화했다. ChIP-seq는 특정 단백질이 DNA에 결합하는 모든 위치를 유전체 수준에서 포착하는 기술이다. 항체를 사용하여 관심 있는 단백질과 결합된 DNA 조각을 낚아채고, 그 DNA 조각을 시퀀싱하여 유전체 위의 위치를 확인하는 방식이다.
결과를 보면, 다섯 전사 조절 인자 각각은 유전체의 수만 개 위치에 결합했다. 그런데 이 결합 위치들을 겹쳐보니, 다섯 전사 조절 인자가 모두 결합하는 공유 위치가 12,347개에 달했다. 이 공유 결합 부위는 대부분 유전자의 프로모터 근처, 즉 유전자의 시작 스위치 부근에 위치해 있었고, 발달 중인 뇌에서 열려 있는 크로마틴 영역(ATAC-seq로 확인)과 99% 겹쳤다. 가장 인상적인 발견은, Satterstrom et al. (2020) 연구에서 확인된 102개의 자폐 위험 유전자 중 96개가 이 공유 결합 부위를 가지고 있다는 것이었다.
이것이 의미하는 바를 풀어보자. ARID1B에 변이가 있는 환자와, FOXP1에 변이가 있는 환자와, TBR1에 변이가 있는 환자는 서로 다른 유전자에 문제가 있다. 하지만 이 세 유전자의 단백질 산물은 유전체의 같은 위치에서 같은 하류 유전자들을 조절하고 있다. 어떤 전사 조절 인자가 망가지든, 영향을 받는 하류 유전자 세트가 상당 부분 동일한 것이다. 비유하자면, 다섯 명의 다른 관리자가 같은 건물의 같은 시스템을 관리하고 있는 상황에서, 어떤 관리자가 빠져도 같은 시스템에 문제가 생기는 것과 같다.
이 연구는 또한 다섯 전사 조절 인자 중 두 개(ARID1B와 TBR1)에 대해 CRISPRi라는 기술로 기능을 억제하는 실험을 수행했다. CRISPRi(CRISPR interference)는 유전자를 파괴하지 않고 발현만 낮추는 기술이다. 그 결과, ARID1B의 발현을 억제했을 때와 TBR1의 발현을 억제했을 때 나타나는 하류 유전자 발현 변화가 유사했으며, 이 변화 패턴이 실제 자폐 환자의 사후 뇌에서 관찰되는 유전자 발현 변화와 상관이 있었다. 유전자 수준의 증거와 기능적 증거가 수렴을 독립적으로 지지한 것이다.
전사 조절 인자의 수렴은 자폐 유전학에서 왜 그토록 많은 유전자가 유사한 표현형으로 이어지는지에 대한 하나의 기전적 설명을 제공한다. 수백 개의 서로 다른 위험 유전자가 있지만, 그중 상당수가 같은 조절 네트워크에 속해 있어서 어떤 것이 교란되든 같은 하류 프로그램이 영향을 받는다. 이것은 낙관적인 함의를 가진다. 유전적 원인이 1,000가지라 하더라도, 수렴 지점이 존재한다면 그 수렴 지점을 표적으로 하는 치료가 여러 유전적 원인에 걸쳐 효과를 보일 가능성이 있다. 물론 이것은 아직 가능성의 영역이며, 수렴 지점을 표적으로 한 치료가 실제로 효과를 보이는지는 Part 7에서 다시 논의하게 된다.
다음 장에서는 이 유전자들이 뇌 발달의 어느 시점에, 어떤 세포에서 작동하는지를 살펴본다. 경로의 수렴이 “무엇”의 수렴이라면, 다음 장은 “언제”와 “어디서”의 수렴이다.
References
Darbandi, S. F., An, J.-Y., Lim, K., Page, N. F., Liang, L., Young, D. M., … & Rubenstein, J. L. R. (2024). Five autism-associated transcriptional regulators target shared loci proximal to brain-expressed genes. Cell Reports, 43(3), 113891. doi:10.1016/j.celrep.2024.114329
Satterstrom, F. K., Kosmicki, J. A., Wang, J., Breen, M. S., De Rubeis, S., An, J.-Y., … & Buxbaum, J. D. (2020). Large-scale exome sequencing study implicates both developmental and functional changes in the neurobiology of autism. Cell, 180(3), 568-584. doi:10.1016/j.cell.2019.12.036