초록 ▼

연구의 목적 및 내용
히스톤 메틸화/탈메틸화는 개체유전이 아닌 세포수준에서의 다양한 신호에 의한 히스톤 변형이 딸세포로 전달되는 후성유전학의 중요한 정보이다. 새롭게 발굴된 쥬몬지-히스톤 탈메틸화 효소는 다양한 후성유전학적 조절에 관여할 것이 예상된다. 산소가 쥬몬지-히스톤 탈메틸화 효소의 기질로 사용된다는 사실은 산소농도에 따라 히스톤메틸화가 바뀔 수 있으며, 유전자의 발현이 변화하면서 유발된 형질변형은 딸세포에서 그대로 유지된다는 점을 시사한다. 본 연구는 저산소에 의한 지방분화과정의 조절과, 저산소에 의한 히스톤 탈메틸화

연구의 목적 및 내용
히스톤 메틸화/탈메틸화는 개체유전이 아닌 세포수준에서의 다양한 신호에 의한 히스톤 변형이 딸세포로 전달되는 후성유전학의 중요한 정보이다. 새롭게 발굴된 쥬몬지-히스톤 탈메틸화 효소는 다양한 후성유전학적 조절에 관여할 것이 예상된다. 산소가 쥬몬지-히스톤 탈메틸화 효소의 기질로 사용된다는 사실은 산소농도에 따라 히스톤메틸화가 바뀔 수 있으며, 유전자의 발현이 변화하면서 유발된 형질변형은 딸세포에서 그대로 유지된다는 점을 시사한다. 본 연구는 저산소에 의한 지방분화과정의 조절과, 저산소에 의한 히스톤 탈메틸화 효소의 활성 변화라는 두 관점을 연구하고 그 상관성을 밝히고자 하였다. 우선 쥬몬지-히스톤 탈메틸화 효소가 산소의존적인지 조사하였으나, 해당 쥬몬지-히스톤 탈메틸화 효소 (JMJD1, 2) 에 대한 정보는 지방분화에 조사되지 않은 상태에서 전립선암 모델에서 우선 연구하게 되었다. 저산소 상태가 지방분화를 억제함을 밝히고, 이와 연관된 히스톤 메틸화 양상을 조사한 후에 히스톤 탈메틸화효소와 지방분화와의 상관성을 연구하고자 한다.
연구결과
히스톤 탈메틸화 효소들이 산소를 기질로 사용한다는 점에 착안하여, 저산소 조건에서 히스톤 탈메틸화 효소들의 활성 변화를 탐색하고 그의 타겟 유전자의 발현을 관찰하였다. 0.1% 저산소에서 JMJD2A와 JMJD2C의 활성은 억제 되었으며, H3K9me2 탈메틸화 효소인 JMJD1A만 그 활성이 유지하였다. 또한 이들의 타겟유전자인 PSA의 발현은 저산소에서 증가하였다. 또한 저산소에서 PSA 유전자의 H3K9me2의 탈메틸화가 증가하여 PSA의 발현이 증가함을 관찰할 수 있었다. 또한 히스톤 탈메틸화효소와 같이 산소와, 옥소글루타르산 (oxoglutarate) 를 기질로 사용하는 쥬만지 수산화효소인 FIH-1 (Factor Inhibiting HIF-1a)의 억제제로 밝혀진 CQ화합물 역시 히스톤 탈메틸화 효소 (JMJD1A, 2A, 2C)의 활성을 억제함을 알았다. CQ 화합물은 JMJD1A, 2A, 2C를 모두 억제하기 때문에, PSA유전자의 H3K9me3, me2 의 탈메틸화가 모두 저해되어 PSA의 mRNA 양이 현저히 줄어듦을 관찰 하였다. 이러한 발견은 저산소상태가 전립선암의 진행을 촉진한다는 사실을 설명해주며, 아울러 CQ는 새로운 전립선암 치료제로써 평가 할 수 있었다. 저산소에 의한 지질합성효소 발현억제기전대한 연구는 논문으로 발표하였다 (NAR 개제 2008). 다만, 초기계획한 “저산소에 의한 histone methyltransferase G9a의 양적증가 기전”에 대한 연구는 최근 Oncogene (2008)에 우리가 계획한 부분이 이미 발표되어서 계획 수정이 불가피해졌다. 대신, 지방세포분화과정 동안 특정 유전자의 히스톤이 메틸화 혹은 아세틸화를 수반하는 후성유전학적 변형에 의해, 그 발현이 억제되거나, 유도되는 과정을 확인함으로써 (1) 저산소에서 지방세포 분화를 억제하는 것과 (2) 저산소에서 지방전구세포의 유지가 되는 것을 확인하였다. 이를 통해 세포 분화에 있어 후성유전학적 변형이 산소농도라는 환경적 요인에 의해 어떻게 조절을 받을지에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구결과는 저산소 상태에서 지방세포 분화 억제인자이며 세포외로 분비되는 Pref-1의 발현이 저산소에 의해 유지 증가된다는 사실을 밝혔다. 이러한 사실로, 저산소에 노출된 지방전구세포들은 pref-1같은 분비되는 인자를 통하여 주변의 세포의 분화를 억제할 수 있음을 확인하였다. Pref-1의 발현 조절이 어떤 클로마틴 구조의 변화를 수반하며 분화과정동안 산소농도 의존적으로 변화가 일어난다는 사실을 밝혔다.
연구결과의 활용계획
- 히스톤 메틸화에 의한 에피유전학적 유전자 발현의 새로운 파라다임을 제공
- 히스톤 메틸화 효소를 약물 타겟으로써의 검증 및 억제제 (클리오퀴놀) 발굴
- 전립선 암치료를 위한 기초지식 제공
- 전립선 암치료제로써 히스톤 탈메틸화 효소의 억제제의 개발 가능성 조사
- 지방합성과 산소농도와의 상관성 이해
- 지방합성억제제로써 HIF-1a 활성제(클리오퀴놀)의 개발 가능성 조사

Abstract ▼

Purpose&contents
The purpose of this study is to elucidate how the lineage-dependent differentiation from mesenchymal stem cells is determined in response to the oxygen concentration. The specific direction of stem cell differentiation is lead by epigenetic regulation of specific subsets of genes

Purpose&contents
The purpose of this study is to elucidate how the lineage-dependent differentiation from mesenchymal stem cells is determined in response to the oxygen concentration. The specific direction of stem cell differentiation is lead by epigenetic regulation of specific subsets of genes such as histone methylation and acetylation. The recent findings that Jumonji domain containing histone demethylases use oxygen molecules as substrate for hydroxylation-dependent demethylation suggest that histone demethylation can be regulated by oxygen concentration. The other finding, we showed, that adipogenesis is block by hypoxia lead us to investigate whether the oxygen dependent jumonji histone demethylase are involved in the oxygen dependent inhibition of adipogenesis.
Result
We investigate whether hypoxia regulates histone demethylase activity and it's target gene, because histone demethylase hydroxylates the histone methyl group by using molecular oxygen as a substrate. Hypoxia (0.1% oxygen) inhibits JMJD2A and JMJD2C activity but not for JMJD1A. We found that hypoxia additionally increases the androgen-induced expression of PSA and decreases H3K9me2 level on PSA enhancer region. Our previous finding that compound CQ inhibits the other Jumonji-domain containing HIF-1a-specific asparagine hydroxylase, named FIH-1 lead us to find that CQ also inhibits the hydroxylation-dependent demethylation reaction of histone demethylases (JMJD1A, 2A, 2C). CQ compound inhibits both JMJD1A, 2A, and 2C thus represses the androgen-induced expression of PSA by blocking the demethylation of both H3K9me2 and me3. Our preliminary data suggest (i) molecular mechanism that hypoxic region facilitates the progress of prostate cancer and (ii) a novel target of the drug-development for prostate cancer treatments. Hypoxic repression of genes that are involved lipid synthesis. We found that Stra13/DEC1 and DEC2 inhibit sterol regulatory element binding protein-1c in a hypoxia-inducible factor-dependent mechanism (published 2008 Nucleic Acids Research). In 2008, our preliminary data regarding to hypoxic induction of G9a was published by other group in Oncogene. We have to change our original plan regarding to G9a and hypoxic repression of gene expression. So, we focus on the functional involvement of histone acetylation and methylation of adipogenic related genes. Our data suggest that (i) hypoxa represses adipogenic differentiation and (ii) hypoxia maintains undifferentaion status of preadipocytes. We found that hypoxic preadipocytes maintain or upregulate expression of a anti-adipogenic cytokine, Pref-1 during adipogenesis. The fact that pref-1 is secreting protein suggest that hypoxia-exposed preadipocytes make the neighboring cells never been exposed to hypoxia fail to differentiate into adipocyte by secreting Pref-1. We study that any epigenetic changes of pref-1 gene which rely on the oxygen-dependent processes.
Expected Contribution
- New paradigm in hypoxia dependent histone demethyaltion and epigenetic regulation
- Understanding the relation between adipogenesis and oxygen concentration in tissues
- Molecular mechanism for drug development for prostate cancer treatments
- A novel lead compound for prostate cancer treatments
- Evaluation of histone demthylase as a drug target
- Evaluation of a inhibitor of histone demthylase as an anti-prostatic cancer drug
- Evaluation of HIF-1a activator as an inhibitor of lipid synthesis

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목차 ... 2
• I. 연구계획 요약문 ... 3
• 1. 국문요약문 ... 3
• II. 연구결과 요약문 ... 4
• 1. 국문요약문 ... 4
• 2. 영문요약문 ... 5
• III. 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 12
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 39
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 41
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 41
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 43
• 8. 참고문헌 ... 43
• 9. 연구성과 ... 46
• 10. 기타사항 ... 50