생명의 기원을 따라가다 보면 태초의 첫 생명체는 무엇이며 어떻게 생겨났는지에 대한 궁금증이 가장 먼저 다가옵니다. 하지만 원시적인 초기 생명체가 현재 우리가 보고 있는 다양하고 복잡한 생명체들로 발전해 온 과정은 더 이해하기 어려운 현상인 것 같습니다. 생명체가 살아가고 진화해 나가는 기본 원리들을 밝히기 위한 많은 선구자들의 유전학적, 생화학적, 그리고 세포생물학적인 연구 덕분에 우리는 생명현상의 유전과 진화가 어떻게 일어나는지에 대하여 알게 되었습니다. 특히 최근 급격한 유전체 분석 기술의 발달은 생명체가 어떻게 설계되었는지를 밝히는 계기가 되었으며 유전체 설계도를 교정하여 질병에 대항하려는 시도까지 가능해지고 있습니다. 멘델의 유전법칙에서부터 현대 유전체 정보 분석에 이르기까지 유전정보는 많은 생명현상을 잘 설명해 주고 있습니다. 하지만 동일한 유전정보를 가지는 생명체 사이에서도 많은 형질차이들이 관찰되면서 유전정보만이 생명현상을 설명해 주지는 못한다는 사실들이 알려지게 되었습니다. 환경에 따라 암수가 바뀌는 물고기나 벌의 경우 유전정보의 변화 없이도 환경의 영향에 따라서 형질전환이 일어나는 좋은 예입니다. 또한 한 사람의 다양한 세포들은 동일한 유전정보를 가지고 있음에도 신경세포, 혈액세포, 뼈세포와 같이 전혀 다른 모양과 기능의 세포로 만들어지는 것도 유전정보만으로 설명할 수 없는 현상입니다. 이러한 현상들은 유전정보 자체를 변형하지 않고도 각 유전정보에 대한 활용 접근성을 제어함으로써 일어납니다. 유전정보에 대한 접근성 제어는 염색체를 구성하는 DNA와 히스톤 단백질에 대한 다양한 화학적 수식에 의해 일어나며 이러한 현상을 후성유전학적 현상이라 합니다.
본 교재를 통하여 후성유전학의 개념이 어떻게 시작되었으며 전통적인 생물학적 개념에서 어떻게 자리잡고 있는가를 살펴보고, 이 분야의 다양한 문제들을 고찰하고자 하였습니다. 우선 첫째로, 후성유전의 기본 구성 물질은 무엇인지, 둘째로 후성유전이 어떻게 유전자 발현을 조절하는지, 셋째로 후성유전학 연구는 어떻게 하는지, 넷째로 후성유전이 발생 및 질병에 미치는 영향은 무엇인지 등을 알아보기 위해 다양한 모델의 생명체 연구 결과를 정리하였습니다. 이를 통하여 후성유전학의 기본 개념을 이해하고 종합적인 관점에서 생명의 유전과 발생 진화 현상을 이해할 수 있기를 바랍니다.



저자(후성유전학 연구회)


집필진 대표
김영준 연세대학교
윤홍덕 서울대학교 의과대학


집필기획팀
김태수 이화여자대학교
노재석 연세대학교
이정신 강원대학교
이지민 한국과학기술원(KAIST)


집필위원
권소희 연세대학교
김경환 충북대학교
김락균 연세대학교 의과대학
김미랑 한국생명공학연구원(KRIBB)
김미영 한국과학기술원(KAIST)
김선영 한국생명공학연구원(KRIBB)
김애리 부산대학교
김영국 전남대학교
김재훈 한국과학기술원(KAIST)
김정애 한국생명공학연구원(KRIBB)
김태경 포항공과대학교(POSTECH)
김태수 이화여자대학교
노유선 서울대학교
노재석 연세대학교
노태영 포항공과대학교(POSTECH)
유경현 숙명여자대학교
유정수 건국대학교 의과대학
윤기준 한국과학기술원(KAIST)
윤홍덕 서울대학교 의과대학
이선민 캠브리지대학교(영국)
이정신 강원대학교
이지민 한국과학기술원(KAIST)
장현철 국립암센터
정인경 한국과학기술원(KAIST)
조원기 한국과학기술원(KAIST)
조은정 성균관대학교
최무림 서울대학교 의과대학
허진회 서울대학교

PART I
Beyond Genetics-Epigenetics 1

Chapter 1 후성유전학 소개 3
01 후성유전이란 무엇일까? 4


Chapter 2 후성유전학의 역사 7
01 후성유전학의 태동 8
02 DNA 메틸화(DNA methylation) 발전 8
03 히스톤 코드(Histone code): 후성유전 암호 9
04 염색체와 게놈: 후성유전체학의 발전 10


Chapter 3 후성유전학의 중요성 11
01 세포 분화 및 발생과 후성유전 12
02 생물다양성과 진화 13
03 기억, 노화, 본능 등 생물학적 난제와 후성유전학의 미래 14
04 환경 및 환경 유래 질병과 후성유전학 15


Chapter 4 후성유전학 연구 모델(model) 17
01 효모: 출아 효모(budding yeast)와 분열 효모(fission yeast) 18
02 초파리(Drosophila melanogaster) 25
03 애기장대(Arabidopsis thaliana) 27



PART II
Mechanisms of Epigenetics 31


Chapter 5 크로마틴의 구조 33
01 크로마틴 34
02 뉴클레오솜 35
03 뉴클레오솜 위치선정 37
04 비히스톤 단백질 38
05 크로마틴의 구조 체계 39
06 히스톤 변이체 41


Chapter 6 뉴클레오솜 조립 43
01 DNA 복제 과정에서 뉴클레오솜 조립 44
02 유전자 전사 과정에서 뉴클레오솜 조립 44
03 히스톤 샤페론 45


Chapter 7 DNA 메틸화 47
01 DNA 메틸화의 의의 및 역할 48
02 정상세포와 암세포에서의 DNA 메틸화 51
03 DNA methyltransferase DNMT (DNA 메틸화효소)의 종류 및 기능 52
04 미토콘드리아 DNA 메틸화 57


Chapter 8 DNA 탈메틸화 59
01 DNA demethylase (DNA 탈메틸화효소)의 종류 및 기능 60


Chapter 9 RNA 메틸화 67
01 개요 68
02 N6-Methyladenosine (N6-메틸아데노신; m6A) 변형 69


Chapter 10 히스톤 아세틸화 75
01 히스톤 아세틸화(acetylation)의 역할 76
02 히스톤 아세틸화효소(histone acetyltransferase, HAT)의 종류 및 역할 77
03 히스톤 탈아세틸화효소(histone deacetylase, HDAC)의 종류 및 역할 81
04 히스톤 아세틸화 리더 영역(reader domain) 인자의 역할 85


Chapter 11 히스톤 메틸화 89
01 히스톤 메틸화의 역할 90
02 히스톤 메틸화효소의 종류 및 역할 91
03 히스톤 탈메틸화효소의 종류 및 역할 94
04 히스톤 메틸화 리더 도메인의 종류 및 역할 96


Chapter12 기타 히스톤 수식 99
01 Histone phosphorylation(히스톤 인산화) 100
02 Histone ubiquitination(히스톤 유비퀴틴화) 103
03 그 밖의 히스톤 수식 105



Chapter13 히스톤 코드의 상호조절 109
01 히스톤 아세틸화-메틸화 crosstalk 110
02 히스톤 메틸화-유비퀴틴화 crosstalk 116
03 기타 히스톤 수식 간의 crosstalk 118



Chapter14 크로마틴 리모델링 121
01 Chromatin accessibility(크로마틴 접근도)의 후성유전학적 의의 122
02 크로마틴 리모델링 과정의 분류 123
03 ATP-independent (ATP-비의존적) 크로마틴 리모델링 125
04 ATP-dependent (ATP-의존적) 크로마틴 리모델링 126



Chapter15 고차원 크로마틴 구조 135
01 고차원 크로마틴 구조의 의의 및 기능 136
02 염색체 영역(chromosome territory) 및 구획화(compartmentalization) 141
03 크로마틴의 위상결합 도메인(topologically associating domain) 142
04 고차원 크로마틴 구조 조절 인자 144
05 상분리 현상(phase separation)의 의의 및 기능 146



Chapter16 Small non-coding RNA 149
01 작은 조절 비암호화 RNA의 분류 150
02 마이크로 RNA의 발견과 초기 연구 151
03 piRNA의 발견과 초기 연구 151
04 Endo-siRNA의 발견과 초기 연구 151
05 마이크로 RNA와 유전자 발현 조절 151
06 piRNA와 유전자 발현 조절 155
07 Endo-siRNA와 유전자 발현 조절 157



Chapter17 Long non-coding RNA 161
01 긴 비암호화 RNA의 유전체적 특징 162
02 긴 비암호화 RNA의 세포생리학적 기능 166
03 질병 연관성 167



PART III
Epigenetic Regulation of Biological Process 171


Chapter18 후성유전학 정보의 유지 173
01 DNA 메틸화에 의한 후성유전학 정보의 유지 174
02 DNA 복제 중 히스톤 단백질의 역동성 175
03 유사분열과 후성유전학 정보 보존 및 전달 179
04 감수분열과 후성유전학 정보 보존 및 전달 182



Chapter19 X 염색체 정보의 보존 기작 185
01 X chromosome inactivation (X 염색체 불활성화) 소개 187
02 XCI의 분자적인 기작 189
03 요약 192



Chapter20 후성유전학 정보의 각인 195
01 Imprinting(각인)의 발견 및 의의 196
02 각인의 기작 및 조절 198
03 발생 및 질병에서의 각인의 역할 203



Chapter21 대사조절에 의한 후성유전 제어 207
01 Methylation(메틸화) 조절에 관여하는 대사물질의 종류 및 기능 208
02 Acetylation(아세틸화) 조절에 관여하는 대사물질의 종류 및 기능 211
03 대사 변화에 의한 세포 발생 및 분화 조절 212



Chapter22 후성유전학적 세포 방어 기전 217
01 산화 스트레스(oxidative stress)의 후성유전학적 제어 218
02 DNA damage (DNA 손상)의 후성유전학적 제어 219
03 Autophagy(자가포식 작용)의 후성유전학적 제어 223



PART IV
Epigenetic Regulation of Cellular Identity 227


Chapter23 후성유전학과 세포 운명 및 분화 229
01 Epigenetic landscape(후성유전학적 지형) 230
02 세포 운명 및 세포 분화 230
03 배아줄기세포의 정의 및 특징 230
04 배아줄기세포 분화의 후성유전학적 조절 232
05 유도만능줄기세포 및 후성유전학적 조절 235



Chapter24 후성유전학과 근골격계 분화 239
01 근육분화와 후성유전학 240
02 뼈 분화와 후성유전학 244



PART V
Epigenetics and Human Disease 251


Chapter25 면역과 후성유전학 253
01 면역 반응 254
02 선천 면역 세포의 전사적, 후성유전학적 조절에 의한 염증 반응 개시 255
03 선천 면역 세포의 교육 면역 256
04 적응 면역 세포의 후성유전학적 조절 258



Chapter26 뇌 발달 질환과 후성유전학 263
01 후성유전학 조절 인자에 생기는 돌연변이에 의한 신경발달질환 264
02 크로마틴에 생성되는 후성유전학적 변형에 의해 생기는 신경발달질환 267



Chapter27 암 발생 및 암 전이 273
01 암 발생 및 전이 개요 274
02 종양 발생 및 전이과정의 후성유전학적 이해 275



Chapter28 암 후성유전체의 변이 281
01 DNA methylation 변이에 의한 암 발생 282
02 Histone methylation 변이에 의한 암 발생 284
03 Histone acetylation 변이에 의한 암 발생 287
04 BET bromodomain 단백질에 의한 암 발생 290
05 히스톤 돌연변이와 암 292
06 비번역 RNA에 의한 종양형성 조절 293



Chapter29 암의 후성유전학적 치료 297
01 DNA methylation (DNA 메틸화) 적중 치료 298
02 Histone acetylation(히스톤 아세틸화) 적중 치료 299
03 Histone methylation(히스톤 메틸화) 적중 치료 302
04 인핸서 리더(enhancer reader) 적중 치료 304
05 후성유전학적 치료의 차세대 전략 개발 304



PARTVI
Experimental Epigenetics 307


Chapter30 후성유전학 실험기법 309
01 후성유전학 연구를 위한 염기서열분석법(Sequencing techniques for Epigenetics) 310
02 NGS를 이용한 후성유전학 실험기법(Methodologies for Epigenetics using nextgeneration sequencing) 316



Chapter31 후성유전학 분석 기법 321
01 NGS (Next Generation Sequencing) 데이터 분석의 기초 원리 322
02 단일 세포를 이용한 NGS 실험 기법의 기초 원리 327

찾아보기 333