It has been reported that the epigenetic status of imprinted genes are predominantly sta-ble in undifferentiated human embryonic stem cells (hESCs) and embryoid bodies (EBs) derived from hESCs. However, much less is known about the gene expression patterns and the epigenetic status of imprinted genes during differentiation of hESCs into a specified cell type. In this study, the temporal expression and epigenetic status of imprinted genes were examined in hESCs undergoing neuronal differentiation, and in doing so, to help understand tissue-specific imprinting. Out of 30 imprinted genes examined, many imprinted genes exhibited dynamic expression profiles during differentiation. Thus, transcription of imprinted genes during differentiation of hESCs seemed to be regulated in a gene-dependent manner rather than in a cluster-dependent manner. In addition, the allele-specific expression of 12 imprinted genes was examined. Only three genes were demonstrably mo-noallelic. We also found that seven genes showed either biallelic or partial-allelic expression in hESCs during differentiation. Interestingly, two imprinted genes PON1 and SLC22A3 shifted from biallelic expression in hESCs to partial-allelic expression in neural precursors (NP) cells and dopaminergic (DA) neurons, providing evidence of tissue-specific imprinting. Differential methylation at each of the imprinting control loci analyzed was re-tained throughout differentiation of hESCs to the neuronal lineage, including regions that contained biallelically expressed genes. This suggests that DNA methylation is not respon-sible for temporal and allele-specific expression of imprinted genes. This study will provide an in vitro model for understanding epigenetic behaviors of imprinted genes during human post-implantation development.
유전자각인은 부모에서 온 두 종류 대립유전자 중 한 쪽만 발현되는 현상을 말한다. 유전자각인은DNA methylation과 히스톤 변형 등의 후성유전적 조절을 받는다. 포유류의 초기 발생 과정에서 유전체 전반적인 DNA 메틸화 재프로그래밍이 진행되는 동안 각인유전자들은 그 고유의 후성유전적 양상을 유지하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 각인유전자의 후성유전적 상태는 초기 배에서 유래된 배아줄기세포의 후성유전적 상태를 확인하는 지표로 사용되어 왔다. 생쥐, 원숭이 유래의 배아줄기세포는 각인유전자의 후성유전적 상태가 매우 불안정한 데 반해서, 인간 유래의 배아줄기세포는 그 상태가 상대적으로 안정한 것으로 나타났다. 이는 유전자각인이 인간배아줄기세포에서 후성유전적 안정성 지표로 사용되기에는 너무 안정적임을 지시한다.
인간배아줄기세포에서 유전자각인 양상을 연구한 기존의 연구들은 몇 가지 점에서 한계를 보이고 있다. 첫째, 기존 연구는 미분화 상태의 인간배아줄기세포와 여기서 유래된 배상체(EBs)에 대해서만 각인 양상을 분석하였다. 하지만, 각인유전자 중 상당수는 발생 특이적으로 각인이 확립되기도 하며, 조직 특이적으로 다른 각인 양상을 보이기도 한다. 따라서, 이러한 복잡한 양상을 보이는 각인유전자의 양상을 분석하기 위해서는 여러 분화 세포가 혼재되어 있는 배상체보다는 특정 타입의 세포로 분화되는 과정의 인간배아줄기세포를 연구하는 것이 보다 유용하다. 둘째, 각인유전자가 한 쪽 대립유전자만 발현되고 다른 쪽 대립유전자는 완벽하게 발현이 억제되어 있다는 기존의 학설과 대비해서, 각인유전자로 알려진 유전자들의 상당수는 대립유전자에 따른 발현 수준의 차이를 보이는 것으로 알려지고 있다. 또한, 최근 들어 대립유전자 특이적 발현은 각인유전자뿐만 아니라 비각인유전자에서도 광범위하게 존재하는 것으로 밝혀지고 있으며 그 생물학적 의미에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 부분적인 대립유전자 특이적 발현 (partial-allelic expression)을 확인하기 위해서는 기존 방법보다 좀 더 정교한 방법이 도입되어야 한다.
본 연구에서는 인간배아줄기세포가 도파민신경세포로 분화하는 과정에서 각인유전자의 발현 양상과 DNA 메틸화 양상을 분석하였다. 또한 Pyrosequenc-ing 기반의 방법을 이용해서 대립유전자특이적 발현 양상을 보다 정교하게 확인하였다. 배상체보다 좀 더 순수한 세포 타입을 이용함에 따라, 분화/조직 특이적인 유전자 각인 양상이 존재하는지를 확인하고자 하였다. 이를 통해 KCNK9, RTL1, RASGRF1이 일관되게 partial-allelic expression을 유지함을 확인하였으며, SLC22A3와 PON1이 미분화 상태 인간배아줄기세포에서는 각인이 되어 있지 않다가, 도파민신경세포로 분화함에 따라 부분적인 유전자각인을 획득함을 확인하였다. 특정 세포로 분화하는 과정의 인간배아줄기세포는 분화 특이적인 유전자 각인 양상을 분석하는데 좋은 in vi-tro 모델로 활용될 수 있을 것이다.
