Placental epigenetic regulation on early life stage exposure to persistent organic pollutants

Abstract

잔류성유기오염물질(persistent organic pollutants, POPs)은 독성·잔류성·생물농축성 및 장거리이동성 등의 특성을 지니고 있어 사람과 생태계를 위태롭게 하는 물질군이다. 유기염소계 농약류(organo-chlorine pesticides, OCPs), 폴리브롬화난연제 (polybrominated diphenyl ethers, PBDEs), 폴리염화비페닐(Polychlorinated biphenyls, PCBs)이 POPs의 대표적인 예이다. 대부분의 POPs 물질들은 전세계적으로 사용이 금지되거나 제한되었음에도 불구하고, 높은 잔류성 때문에 현재까지도 생체 시료나 환경 중에서 꾸준히 검출되고 있다. 기존 역학 연구들은 임신기 POPs 노출이 신생아의 체중 및 갑상선 호르몬 변화 등 출생 후 일으키는 건강 영향들에 대해 보고해왔다. <br/> 한편, 화학물질 노출을 비롯한 임신기 환경과 출생 후 건강 영향을 설명하기 위한 분자수준의 기전으로 최근 후성유전적 조절의 중요성이 대두되고 있다. 후성유전학(epigenetics)이란 DNA의 염기서열이 변화하지 않으면서 유전자 발현이 조절되는 기전에 대해 연구하는 학문이다. 후성유전적 조절에는 DNA 메틸화, 히스톤 수식, microRNA의 발현 등이 포함된다. 이 중에서 초기 생애단계 화학물질 노출과 DNA 메틸화 간의 연관성에 대한 동물 실험 및 역학 연구가 수행되고 있으나, 임신기POPs 노출에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. <br/> <br/> 이 연구는 인구 집단에서 임신기 POPs 노출에 따른 출생 후 건강 영향의 기전을 태반에서 발현하는 특정 유전자들의 DNA 메틸화 변화로 설명하기 위하여 수행되었다. 이를 위해 2011년부터 서울대학교 보건대학원을 중심으로 구축한 우리나라 산모-태아 코호트(Childrens Health and Environmental Chemicals of Korea or CHECK 코호트)의 데이터 및 생체 시료를 활용하였다. 기존에 확보한 생체 내 POPs 분석 결과와 설문조사 결과, 건강 영향 지표 등을 수집하고, 냉동 보관 중인 태반 시료에서 DNA를 추출하여 bisulfite 처리 한 뒤 파이러시퀀싱(pyrosequencing) 방법으로 여러 유전자들의 DNA 메틸화 수준을 각각 정량하였다. 임신기 POPs 노출과 DNA 메틸화 간의 연관성은 다중노출(multi-pollutant)을 고려한 다중선형회귀분석(multiple linear regression analysis)으로 확인하였다. <br/> <br/> 첫번째 연구에서는(Chapter 2) 산모 혈청 중 여러 POPs 농도와 글로벌 메틸화 지표인 long interspersed element 1 (LINE-1), 각인 유전자의 일종이면서 태반과 태아의 발달에 중요한 역할을 하는 insulin-like growth factor 2 (IGF2), H19 유전자의 메틸화 수준 간의 연관성을 분석하였다. 이들은 산모의 영양 수준이나 스트레스, 화학물질 노출 등의 환경에 의해 영향을 받는 것으로 잘 알려진 DNA 메틸화 지표이다. 이 연구에서는 여러 POPs 물질군 중 특히 일부 OCPs가 태반의 DNA 메틸화와 유의한 상관관계를 나타냈다. 단일 물질 노출과 건강 영향 간의 상관성을 분석하는 전통적인 모형(single-POP model)에서는 산모 혈청 중 β-hexachlorocyclohexane (β-HCH) 농도가 태반의 LINE-1 메틸화 감소와 유의한 상관관계를 보인 반면, p,p'-dichlorodiphenyltrichloroethane (p,p'-DDT) 농도는 IGF2 메틸화와 양의 상관관계를 보였다. 주요인분석(principal component analysis)을 이용한 다중 POPs 모형(multiple-POP model)에서는 p,p-DDT를 포함한 DDT류가 기존 모형(single-POP model)에서와 마찬가지로 IGF2 메틸화 증가와 유의한 상관관계를 나타냈다. 태반의 LINE-1 메틸화 증가는 신생아 키와 유의한 양의 상관관계를 보였다.<br/> <br/> 두번째 연구에서는(Chapter 3) 임신기 POPs 노출이 신생아 갑상선 호르몬 교란 을 일으키는 기전을 후성유전적 조절의 측면에서 이해하기 위하여, 태반에서 모체로부터 태아에게 갑상선 호르몬을 전달하는 데 역할을 한다고 알려진 유전자들의 DNA 메틸화 수준을 정량하였다. 분석 대상 유전자로는 갑상선 호르몬의 대사에 관여하는 deiodinase type 3 (DIO3), 갑상선 호르몬의 세포막 통과를 담당하는 monocarboxylate transporter 8 (MCT8), 갑상선 호르몬의 결합 단백질 유전자 transthyretin (TTR)을 선정하였다. 이 중에서도 산모 혈청의 POPs 농도와 태반의 DIO3, MCT8 유전자 메틸화간 유의한 상관관계가 발견되었으며 이 결과는 신생아 성별에 따라 다르게 나타났다. 즉, 산모 혈청의 POPs 농도가 증가할수록 여아의 태반에서는 DIO3 메틸화가 증가하였으며, 남아의 태반에서는 MCT8 메틸화가 유의하게 증가하였다. 이러한 DNA 메틸화 변화와의 상관성은 DDT류 노출에 의해 가장 뚜렷하게 나타났으며, 이 결과는 single-POP model 뿐 아니라 multiple-POP model에서도 일관되게 관찰되었다. 이 연구는 태반에서 갑상선 호르몬 관련 유전자의 메틸화 수준을 분석한 첫 연구이다. <br/> <br/> 산모가 노출된 POPs는 산모 혈청으로부터 태반을 통해 태아에게로 전달된다. 따라서 POPs는 산모 혈청뿐 아니라 태반, 제대혈 등 여러 매체에서 빈번히 검출되며, 매체 간 분포 및 농도는 대상 물질의 이화학적 특성 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 산모 혈청에서의 농도 만을 이용하여 임신기 POPs 노출 수준을 평가할 경우, 다른 매체로 전달된 POPs의 영향력을 간과할 가능성이 있다. 세번째 연구에서는(Chapter 4), 산모 혈청뿐 아니라 태반 및 제대혈에서 측정한 POPs 농도와 태반 DNA 메틸화 간의 상관성을 비교 분석하였다(single-POP model). 또한 PCA를 이용하여 단일 매체에서 여러 POPs 물질의 농도 뿐 아니라, 여러 매체에서 관찰된 POPs 농도를 동시에 고려하여 이들이 DNA 메틸화 변화에 미치는 종합적인 영향을 관찰하였다(multiple-POP model). LINE-1 메틸화의 경우, 산모 혈청과 태반에서의 POPs농도를 동시에 고려한 multiple-POP model에서만 PCB 노출과 유의한 양의 상관성이 발견되었다. 한편, 여아 태반의 DIO3 메틸화는 POPs의 종류와 관계없이 대부분의 물질이 산모 혈청에서의 농도보다 태반에서의 농도가 보다 강한 양의 상관관계를 보였으며, 특히 태반의 PBDE 농도는 single-POP model과 multiple-POP model에서 모두 DNA 메틸화와 뚜렷한 상관성을 나타냈다. 이 결과는 태반으로 이동한 POPs 물질이 DIO3의 메틸화에 직접 영향을 줄 가능성을 시사한다. 임신기 POPs 노출과 DNA 메틸화 간 상관성을 평가하는 향후 연구에서는 다중 매체에서의 다중 POPs 농도를 종합적으로 고려할 필요가 있다. <br/> <br/> 우리나라 산모-태아에서 임신기 POPs 노출과 태반의 DNA 메틸화 간의 상관성을 관찰한 세 단면 연구를 통해, POPs 노출이 태반의 후성유전적 조절에 미치는 영향을 확인하였다. 태반에서 DNA 메틸화와 같은 후성유전적 조절은, 임신기 POPs 노출이 신생아 발달 및 갑상선 호르몬 변화 등 건강에 영향을 미치는 생물학적 경로를 부분적으로 설명할 수 있을 것이다. <br/>