3차원 DNA 구조를 통한 중요 발암인자 발굴 및 인공지능을 통한 예측방법 개발

암의 원인이 되는 ‘driver mutation’을 찾는 것은 암 유전체학에서 가장 중요하며 어려운 문제 중 하나이다. 기존에는 아미노산이 변경되는 돌연변이의 recurrence 패턴을 통해 driver mutation을 찾았는데, 이는 세포 내 유전체의 2차원상의 범위에서만 주로 이루어지는 한계가 있었다. 우리학과 최정균 교수 연구팀은 최근 유전체상에서 일어나는 3차원의 복잡한 조절기작을 통하여 여러 암종에 대해 recurrence 패턴을 찾은 후, 이를 기계학습에 적용해 새로운 recurrence를 예측하는 연구를 진행하여 Nature genetics에 논문을 게재하였다.

암의 원인이 되는 돌연변이가 어떤 단백질에서 기원되었는지는 쉽게 확인할 수 있다. 기존에는 이를 유전체의 2차원상에서 확인하였지만, 최근 유전자의 멀리 떨어진 특정 지역에서 돌연변이가 일어나 발현조절에 변화가 일어난다는 연구결과가 보고되고 있다. 하지만, 이 부분에서 일어나는 돌연변이의 공통된 표적 유전자를 확인하는 데에는 어려움이 있다. 우리학과 최정균 교수 연구팀은 유전체의 3차원 상호작용을 고려하여 돌연변이의 표적 유전자를 확인하였을 때, 돌연변이가 일어난 지역들이 유전적, 후생유전적 특성을 공유함을 확인하였다. 즉, 3차원적으로 같은 위치에 존재하는 유전체 부위는 히스톤 변형, 전사조절인자 결합 등과 같은 공통된 특성을 공유하고 있다는 사실을 밝혀내었다. 그 후 이처럼 공유되는 특성을 기계학습을 통하여 예측하는 알고리즘을 개발하였고, 최종적으로 환자군에서 recurrent driver mutation을 예측하고 검증하였다. 이 새로운 방법은 유전체의 3차원 구조를 고려하기 때문에, 실제로 전사, 번역되는 1%의 유전체 지역뿐만 아니라 이를 조절하는 다른 특정 지역(noncoding sequence)이 모두 고려되어 돌연변이의 원인을 훨씬 넓은 범위에서 더 정확하게 확인할 수 있다는 장점이 있다.

논문 제 1저자 김권일, 장기원, 양우진 박사 인터뷰

관심이 있는 연구 분야와 앞으로의 연구 계획은?

최근까지 빅데이터 수준의 유전체 데이터로 모델링을 하고 분석하는 연구를 해왔는데, 이제 좀 더 임상에 가까운 연구를 하고 싶다. 암 면역치료와 관련하여, 유전체 기반으로 각 환자의 유전체 정보를 분석해서, 그 환자에게 면역항암치료가 잘 듣는지 또는 새로운 항암치료에 대한 표적물질을 확인하는 연구해보고 싶다. (김권일)

개인맞춤형 연구를 하고 싶은데, 이번 연구는 암에 대한 전반적 분석을 수행해서 그 패턴들을 생물학적으로 의미를 찾는 것이었다. 하지만 환자마다 그 양상이 달랐기 때문에, 임상적용을 위해서는 정형적인 치료보다는 환자가 특이적으로 가지고 있는 유전자를 확인하여 유추하고 실험을 통하여 치료효과가 있는지를 확인하는 연구가 하고 싶다. (장기원)

빅데이터에는 생물학적인 개념이 있어야 알 수 있는 데이터 특성들이 포함되어 있는데, 이를 처리하는 알고리즘을 이해하고 설계하여 가장 좋은 분석방법을 만드는 것이 관심 있는 분야이다. 이 중에서도 원인이 정확히 밝혀지지 않아 치료가 어려운 암을 비롯한 여러 질병에 대하여 개인맞춤형 연구를 하여 원인을 규명하는데 좀 더 도움을 줄 수 있는 연구를 하고 싶다. (양우진)

연구를 하면서 힘들었던 부분과 즐거웠던 부분

분석결과에 따라 일희일비했던 것 같다. 예상된 결과가 나오거나, 예상한 것과 전혀 다른 새로운 결과가 나오면 즐거웠지만, 정말 결론이 나지 않는 결과들이 나오면 그럴 때가 연구하면서 힘들었던 것 같다. (김권일)

가설을 세우고 실험 결과를 분석하고 나서 예상된 결과가 나오면 정말 좋은데, 양상이 반대이거나 결과가 잘 나오지 않으면, 놓치고 있는 부분이 있나 싶어서 고민을 많이 하며 힘들었었다. 하지만 다시 극복해 나갈 때 행복했다. (장기원)

이 연구에서 쓴 방법과 같은 방법을 사용하여 방법에 중점을 둔 다른 논문을 준비하면서 조금 힘들었는데, 같은 방법을 쓴 이 논문이 좋은 출간지에 실리게 되어 기분이 좋다. (양우진)

좋은 아이디어로 시작하여 좋은 결과를 얻을 수 있게끔 이끌어주시고, 많은 것을 알려주시고 지도해주신 최정균 교수님께 감사 드립니다. (김권일, 장기원, 양우진)

작성자: 정문경