CRISPR-based epigenome and genome editing reveal novel roles for PLEC in cartilage biology, mechanobiology, and response to inflammation

골관절염은 가장 흔한 형태의 관절염으로, 뼈의 끝을 완충하는 매끄럽고 보호적인 연골이 마모되어 통증과 뻣뻣함을 유발하는 질환입니다. 나이와 부상이 잘 알려진 유발 요인이지만, 과학자들은 유전자가 누가 이 질병을 앓게 될지, 그리고 얼마나 빨리 진행될지에 대해 거대한 역할을 한다고 오랫동안 의심해 왔습니다. 연구자들은 골관절염의 위험을 높이는 것과 연결된 단일 염기 다형성(single-nucleotide polymorphisms)이라 불리는 DNA의 특정 지점들을 식별했습니다. 그러나 이러한 위험한 지점들 대부분은 단백질을 만드는 실제 지침을 포함하고 있는 것이 아니라, 게놈의 비부호화 영역(non-coding regions)에 위치합니다. 이 영역들을 라디오의 볼륨 조절기나 디머 스위치라고 생각하십시오. 이들은 음악 자체를 연주하지는 않지만, 음악이 얼마나 크게 또는 작게 연주될지를 조절합니다. 골관절염의 경우, 이러한 유전적 스위치는 DNA 메틸화(DNA methylation)라고 불리는 과정을 통해 특정 유전자의 활동을 높이거나 낮춤으로써 작동할 가능성이 높으며, 이는 유전자를 침묵시킬 수 있는 화학적 태그 역할을 합니다. 이 침묵하는 스위치들이 어떻게 우리의 연골 건강을 조절하는지 정확히 이해하는 것은 질병을 치료하는 새로운 방법을 찾는 데 매우 중요합니다.

워싱턴 대학교 의과대학과 여러 국제 기관의 연구팀은 rs11780978로 알려진 특정 유전적 위험 요인에 집중함으로써 이 미스터리를 푸는 데 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 이 유전적 변이는 플렉틴(plectin)이라는 큰 단백질을 생성하는 PLEC라는 유전자 근처에 위치합니다. 플렉틴은 세포 내부에서 구조적 접착제 역할을 하여 세포의 내부 골격을 유지하고 세포가 물리적 힘을 감지하고 반응하도록 돕습니다. 연구진은 이 유전적 위험 요인이 연골 세포에서 플렉틴이 만들어지는 방식을 변화시키는지, 그리고 플렉틴이 부족해지는 것이 세포를 일상생활의 마모와 염증에 더 취약하게 만드는지를 알고 싶었습니다. 이를 확인하기 위해 그들은 인간 연골 세포의 유전 암호와 DNA의 화학적 태그를 편집할 수 있는 정교한 실험실 시스템을 구축하였으며, 이는 이러한 변화가 세포의 건강한 조직 구축 및 유지 능력에 어떤 영향을 미치는지 테스트할 수 있는 통제된 환경을 효과적으로 만들어 주었습니다.

과학자들은 먼저 연구 중인 유전적 위험 요인이 환자들에게서 채취한 인간 연골 샘플 내 DNA의 특정 화학적 태그와 실제로 연결되어 있는지 확인했습니다. 그들은 이 위험 요인이 어떻게 작동하는지에 대한 지도를 확장하며, 유전 암호가 이러한 태그에 영향을 미치는 몇몇 새로운 위치들을 식별했습니다. 분자 지우개처럼 작동하는 정밀한 도구를 사용하여, 그들은 실험실에서 배양된 연골 세포의 DNA 내 특정 지점들에서 화학적 태그를 제거했습니다. 그들은 이 태그들을 제거했을 때 플렉틴 유전자의 활성이 현저히 감소하는 것을 관찰했습니다. 이는 유전적 위험 요인이 DNA의 화학적 환경을 변화시키고, 결과적으로 세포가 생산하는 플렉틴의 양을 줄임으로써 작동한다는 강력한 증거를 제공했습니다. 이 연결 고리를 확립한 후, 팀은 다음 단계로 이동했습니다. 즉, 플렉킨이 자연적으로 결핍된 세포주를 만들어 플렉틴 없이 세포가 어떻게 성장하고 기능하는지 살펴본 것입니다.

플렉틴 결핍의 영향을 연구하기 위해, 연구진은 연골 세포로 유도될 수 있는 특수한 유형의 인간 줄기세포를 사용했습니다. 그들은 유전자 편집 기술을 사용하여 플렉틴 유전의 작은 조각을 삭제함으로써, 전체 단백질을 만들 수 없는 버전의 세포를 만들었습니다. 그들은 편집된 세포들이 DNA, RNA, 단백질 수준에서 유의미하게 낮은 수준의 플렉틴을 보유하고 있음을 확인했으며, 이러한 결핍이 세포가 성장하고 성숙한 연골 구조로 발달하는 동안에도 지속된다는 것을 확인했습니다. 이 플렉틴 결핍 세포들이 배양 접시에서 연골을 형성하도록 했을 때, 그들은 미묘하지만 중요한 행동 변화를 보였습니다. 세포들은 여전히 연골을 구축할 수는 있었지만, 조직의 강도와 충격 흡수 능력에 필수적인 제2형 콜라겐(type II collagen) 및 아그레칸(aggrecan)과 같은 핵심 구성 요소를 적게 생산했습니다. 흥미롭게도, 세포들은 흉터 조직이 되거나 조기에 노화되는 징후를 보이지 않았는데, 이는 플렉틴의 부재가 세포의 분해 속도를 높이기보다는 연골이 스스로를 구축하는 능력을 구체적으로 약화시킨다는 것을 시사합니다.

그 후 연구진은 세포들이 인체 내부에서 직면하게 될 종류의 스트레스에 세포를 노출시켰습니다. 그들은 관절염의 발작 시 발생하는 것과 유사한 염증 신호와, 걷거나 달릴 때의 힘을 모방한 기계적 압력에 연골을 노출시켰습니다. 염증이 발생했을 때, 세포들은 건강한 연골 구성 요소의 생산을 줄이는 반응을 보였는데, 이는 정상 세포와 플렉틴 결핍 세포 모두에서 나타난 반응이었습니다. 그러나 플렉틴 결핍 세포는 염증에 대한 유전적 반응 패턴에서 약간 다른 모습을 보였으며, IL-6라고 불리는 특정 염증 신호를 더 적게 생성했습니다. 이는 세포들이 여전히 염증으로 인해 고통받고 있음에도 불구하고, 그 스트레스를 나머지 신체에 전달하는 방식이 변화했음을 시사합니다.

아마도 연구에서 가장 드러내는 바가 컸던 부분은 연구진이 기계적 압력과 염증을 결합하여, 관절염이 있는 관절 내부의 조건을 밀접하게 모방한 "기계적-염증적(mechano-inflammatory)" 환경을 조성했을 때였습니다. 그들은 이러한 조건 하에서 세포의 유전적 활동을 분석했고, 플렉틴의 부재가 세포가 물리적 부하에 반응하는 방식을 변화시킨다는 것을 발견했습니다. 플렉틴 결핍 세포는 정상 세포와 비교하여 다른 유전자 세트를 활성화했습니다. 일부 유전자는 세포의 내부 골격이 어떻게 조직되는지와 관련이 있었고, 다른 유전자들은 다른 유전자의 작동을 조절하는 긴 유전 물질 가닥들과 관련이 있었습니다. 가장 주목할 만한 발견 중 중 하나는, 플렉틴 결핍 세포가 연골의 자가 회복을 돕는 것으로 알려진 H19라는 유전자를 제대로 활성화하지 못했다는 점이었습니다. 이 유전자가 올바르게 켜지지 않으면, 세포들은 일상적인 움직임, 특히 염증이 동반된 움직임에 의한 손상을 복구하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.

연구는 또한 플렉틴의 결핍이 세포의 물리적 강성이나 힘을 감지하는 능력에 변화를 주는지도 살펴보았습니다. 매우 민감한 현미경 프로브를 사용하여, 연구진은 개별 세포를 눌러 세포가 얼마나 변형되는지, 그리고 칼슘 신호에 어떻게 반응하는지 관찰했습니다. 놀랍게도, 플렉틴이 없는 세포들은 정상 세포만큼이나 단단했고 물리적인 압박에 똑같이 반응했습니다. 이는 플렉틴이 없는 세포의 문제가 힘을 느끼지 못하거나 물리적으로 단순히 더 약하다는 것이 아님을 나타냅니다. 대신, 문제는 세포가 그 물리적인 느낌을 유전적 반응으로 어떻게 번역하느냐에 있습니다. 플렉틴이 함께 붙잡아주는 내부 골격은, 압력을 받을 때 세포에게 더 많은 연골을 만들라고 명령하는 메시지를 핵으로 보내는 데 결정적인 역할을 하는 것으로 보입니다.

특정 유전적 위험 요인을 DNA의 화학적 변화와 연결하고, 다시 이 화학적 변화를 구조적 단백질의 결핍과 연결함으로써, 연구진은 우리의 유전적 변이로부터 관절 건강에 이르는 명확한 선을 그려냈습니다. 그들은 골관절염에 대한 유전적 위험 요인을 갖는 것이 어떻게 낮은 수준의 플렉틴으로 이어질 수 있는지, 그리고 이것이 결과적으로 연골 세포가 스트레스를 받을 때 스스로를 구축하고 수리하는 능력을 어떻게 떨어뜨리는지를 보여주었습니다. 이 연구가 즉각적인 치료법을 제시하는 것은 아니지만, 유전적 취약성이 어떻게 질병으로 이어질 수 있는지에 대한 상세한 지도를 제공합니다. 이는 플렉틴을 우리의 유전자, 환경, 그리고 관절 사이의 복잡한 대화 속에서 핵심적인 역할을 하는 존재로 부각시키며, 향하여 미래의 치료법은 세포가 일상의 요구를 더 잘 견딜 수 있도록 그들의 구조적 약점을 극복하도록 돕는 데 집중해야 함을 시사합니다.