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우리가 섭취하는 음식들이 어떻게 암발생에 영향을 미치는가? 

최근 우리가 섭취하는 음식들이 암에 영향을 미친다는 자료들이 많이 발표되고 있다. 십자화과 식물 (콜리플라워, 양배추, 브로콜리)의 Isothiocyanates, diallyl sulfide(마늘의 유기황 성분) isoflavone, phytosterole, folate, selenium, vitamin E, flavonoids 그리고 식이 섬유 등이 암 발생 위험을 줄인다.

최근의 연구 결과들은 이러한 항암 효과가 후생유전학적인 효과를 통해 나타난다는 증거들을 보여주고 있다. 후생유전학적인 변화는 DNA의 염기 서열 변화 없이 유전자 발현의 변화를 일으킬 수 있으며 후대로의 유전이 가능하다. 후생유전학의 가장 핵심적인 기전은 DNA 메틸화, 히스톤 변화 (histone modifications), 그리고 RNA 간섭이다. 

암에서의 DNA Methylation 변화

DNA Methylation은 유전자의 발현을 억제하기 위한 기전으로 그 대표적인 예가 유전자 imprinting이다. 유전자 imprinting은 부모로부터 물려받은 2개의 유전자 중 어느 하나만 발현해야 할 경우 나머지 유전자의 발현을 억제하는 것이다.

DNA는 인산기에 의해 음전하를 띠고 DNA와 결합하는, 실타래 같은 역할을 하는, 히스톤은 양전하를 띠고 있다. 히스톤이 아세틸화 되면 DNA와 히스톤 사이의 결합이 느슨해져 전사나 복제를 일으키는 분자들이 결합하기 쉬워진다. DNA Methylation이 일어난 경우에는 이 결합이 더 강력해져 전사나 복제를 일으키는 분자들이 결합하지 못하게 한다.

 

CpG는 C와 G이 인산이에스테르(phosphodiester)로 연결되어 있기 때문에 이름 붙어진 것으로 시토신(C)이 구아닌(G) 옆에 자리 잡은 곳(..TTCGACTGTCA..)을 말한다. CpG가 반복되어 나타나는 구간을 CpG island라고 하며 이는 흔히 유전자를 발현하기 위한 전사시작 부위와 연관되어 있다.

DNA Methylation은 주로 이 CpG의 cytosine의 5번 탄소 위치에 일어나며 다양한 암에서 암억제 유전자에 이러한 메틸화가 일어나서, 항암유전자의 발현이 억제되어 암이 발생하게 된다. DNA Methylation은 DNA methyltransferases(DNMTs)라는 효소에 의해 일어나며 S-adenosyl-methionine (SAM)이 일반적인 메틸기의 공여자로 사용된다.

 

음식물과 DNA 메틸화 그리고 후생유전학적 변화의 세대간 유전

많은 역학조사들은 태아 발달과 사춘기에 잘못된 환경과 영향적 요인 대한 노출이 성인기에 질병을 일으킬 수 있음을 보여주고 있다. 

가장 흥미로운 예는 1944-1945 사이의 기근기 겨울 독일에서 태어난 출생아에 대한 연구이다. 어린 시절과 사춘기에 지독한 굶주림에 노출된 사람들은 대장암 발생위험이 낮았으며 이는 대장암과 관련된 CpG island methyllator phenotype의 변화를 동반하였다.

즉 생장과 발달에 결정적인 기간 동안 에너지를 제한당한 환경에 대한 노출은 후생유전학적인 변화를 통해 암 발생 위험을 낮출 수 있다. 또한 기근기 겨울 동안 태아 발달기를 거친 자들은 기근기를 겪지 않은 동성의 형제 자매와 60년 후에 비교하여도 각인된 insulin-like growth factor 2 Methylation이 적게 나타났다.

이러한 영향은 실험 상황에서도 재현되었다. 임신 중 어미 쥐 에게 methyl donor가 포함된 먹이를 줄 경우 agouti 유전자의 Methylation에 영향을 미쳐 새끼 쥐의 털 색깔을 변화시켰다.

이러한 변화는 그 다음 세대에서도 유지되어 생식세포 변화의 가능성을 제시하였다. 하지만 실제로 유전이 되는 지 확인하기 위해서는 4대에 걸쳐 확인이 되어야 한다.현재, 최고의 한가지 예는 내분비 교란 물질인 vinclozolin에 노출된 쥐의 경우로 유방암을 포함한 몇몇 병태가 4대에 걸쳐 유지됨을 보이는 것이다.

식이 성분 그리고 암에 있어 DNA 메틸화의 변화

엽산, 차의 폴리페놀, 콩의 이소플라빈, 카테콜 구조를 포함한 폴리페놀 등을 포함하는, 식물에서 유래한 식이 성분들이 DNA 메틸화를 변화시켜 암을 예방한다는 증거들이 축적되고 있다.

엽산의 항암효과

엽산은 수용성 비타민 B로서 녹색 식물의 잎 채소에 존재하며 1-carbon 대사, DNA 합성, DNA 메틸화에 관여한다. 많은 증거들이 엽산의 결핍이 다양한 암 발생에 있어서 중요한 역할을 하고 있음을 보여준다.

엽산 결핍은 DNA 손상 (uracil misincorporation), 비정상적인 메틸화 그리고 DNMT1 inhibition을 통해 암을 일으킬 수 있다. folic acid 또는 천연의 folate를 통한 엽산 공급은 대장암의 발생을 미세하게 감소시킨다는 발표도 있었다. 반대로 엽산이 암 발생 위험을 높인다는 발표들도 있다.

용종이 발생하도록 조작한 Apc +/- 쥐에게 엽산을 삼 개월간 주었을 때 고용량의 엽산(20 mg folate/kg)을 준 그룹에서 적게 주는 그룹에 비해 회장의 용종이 상당히 감소하지만 이러한 효과 가 6개월째에서는 반대로 나타났다는 연구도 있었다. 

대장 선종 발생의 경험이 있는 환자에게 하루 5 mg folic acid와 1.25 mg vitamin B-12를 투여한 경우 DNA 손상 (uracil misincorporation)이 증가하였으며 항암유전자 promoter의 메틸화를 증가시켜 이롭지 않다는 논문도 발표되었다. 또한, 비록 의문이 제기 되기는 하였지만, 한 연구에서는 임산부에게 하루 5mg의 엽산을 투여한 경우 산모의 암으로 인한 사망률이 증가했다는 논문이 발표되기도 했다.

엽산의 효과는 조직 특이적으로 다르다

부가적으로 엽산의 부족이 모든 조직에 동일한 영향을 주는 것은 아니다. 최근 연구에서 산모의 낮은 엽산 농도는 조직 특이적으로 신경관에서 비정상적인 메틸화를 일으킨다. 또한 모체의 낮은 혈중 농도는 control 대비 태아의 뇌에서는 신경관의 결핍을 동반하면서 DNA의 저메틸화를 나타내는 반면 피부와 심장에서는 고메틸화를 일으킨다.

쥐의 multistage hepatocarcinogenesis Methyl deficient 모델에서 DNA의 저메틸화와 내생적 DNMT의 활성은 단지 carcinogenesis를 거치는 조직에서만 점차적으로 증가하였다.

Methylenetetrahydrofolate reductase (MTHFR)에 결핍이 있는 쥐는 조직 특이적인 엽산의 분포를 보인다. 많은 비율의 5-methyl tetrahydrofolate가 간과 비교하여 뇌에 많이 존재한다. 이러한 사실은 in vivo에서 조직 특이적인 DNA 메틸화의 잠재성에서 기인할 수 있다.

전반적인 5-methyl cytosine과 DNA 메틸화 상태는 methyl기를 공여할 수 있는 영양물질의 가용 상태와 연관되어 있다. 고농도의 엽산은(20 μmol/l) 대장암세포인 Caco-2 세포주에서 암세포의 성장을 유도한다. 그리고 동시에 에스트로겐 수용체1의 p16, p15 프로모터의 메틸화를 증가시킨다.

p16에 메틸화를 지닌 대장암 환자들은 대조군에 비해 유의하게 적은 양의 엽산, 비타민 A, 비타민 B1, 칼륨 그리고 철을 소비한다. 반면에 p14 또는 hMLH1 메틸화는 유의하게 적은 양의 비타민 A를 소비한다.

에스트로겐 수용체 알파의 메틸화는 혈장의 총 homocystein의 양과 연관되어 있으며 혈장의 엽산, 비타민 B12의 농도와 1차 유방암종의 비타민 B12 농도와는 반비례적인 관계를 보인다. 이러한 사실은 다른 메틸 공여자가 유전적 혹은 후생유전학적인 변화를 일으켜 암을 유발하는데 있어 다른 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.

몇몇 연구들은 암에 대한 감수성과 엽산 대사와 RNA 합성에 필수적인 역할을 하는 MTHFR을 포함한 메틸 그룹 대사 유전자들간의 상관관계를 확립하였다.

MTHFR C677T 유전형은 방광암과 구강암에서 RASSF1A 프로모터의 과메틸화와 연관되어 있다. 대장암, 유방암 또는 폐암을 지닌 MTHFR 유전자의 677T 대립유전자의 보인자는 종양에서 낮은 수준의 5-methylcytosine과 전체적인 저메틸화를 보인다. 같은 연구에서 2756GG 유전형을 갖는 methionine synthase를 지닌 환자들로부터 얻어진 종양은 p16, p14, hMLH1, MGMT, APC, DAPK, STP1, BRCA1, RAR-β 2, CDH1, 그리고 RASSF1을 포함하는 많은 발암 억제 유전자들의 프로모터가 과메틸화 되어 있는 것을 보여 주었다.

 

이러한 결과들은 엽산 대사에 관련된 효소의 유전 정보를 포함하고 있는 유전자들의 SNP가 환경적 요인의 후생유전학적 변화를 조절할 수 있다는 것을 의미한다..

1-carbon metabolism과 연관된 유전자의 polymorphsim과 환경적인 요인들의 상호작용이 비정상적인 DNA 메틸화를 이끌어 낼 수 있을 것이다.

이러한 사실은 Netherlands Cohort study를 통해 알코올에서 가장 광범위하게 보여졌다. 낮은 엽산(<215 μg/day) 농도와 많은 알코올(≥5 g/day)을 섭취한 그룹에서 높은 엽산(≥215μg/day) 과 적은 알코올(0-4 g/day) 소비를 한 그룹에 비해 대장암과 관계가 있는 특정 유전자(APC, p14, p16, hMLH1, O6-MGMT, RASSF1A)의 프로모터에 메틸화가 고빈도로 나타났다. 알려진 위험 요소에 대한 노출과 개인의 유전적 감수성에 따른 methyl-donors 섭취에 대한 권고안을 제공하기 위하여 보다 많은 연구가 필요하다.

녹차의 Epigallocatechin-3-gallate(EGCG)의 항암효과

항산화작용을 갖는 녹차의 주요 폴리페놀 성분인 Epigallocatechin-3-gallate(EGCG)는 암의 전이와 혈관 신생을 억제하는 것으로 보여졌다. 몇몇의 in vitro, in vivo 실험과 역학적인 연구를 통해 녹차의 섭취가 암 위험을 감소시킬 수 있음이 보고되었다. 게다가 30년 이상 장기간의 그리고 다량의(≥250 g/mo) 녹차 섭취가 간암 위험을 감소시켰다.

하지만 다른 연구들에서는 이러한 결과의 한계성을 보여주었다. 최근 몇 년간, 녹차와 위암, 식도암, 유방암, 난소암, 췌장암, 피부암 그리고 대장암과 녹차 섭취간의 연관성이 관찰된 하나의 논문만이 발표되었다.

EGCG는 직접 그리고 간접적으로 DNMT를 억제할 수 있다. 식도암 세포인 KYSE 510 cell, 대장암 세포인 HT-29 그리고 전립선암 세포인 PC3 세포주에 20과 50uM의 EGCG를 48 시간 동안 처리하였을 때 시간, 그리고 농도 의존적으로 p16, RARβ, MGMT 그리고 hMLH 등의 암 발생 억제 유전자의 과메틸화가 회복되었다.

Caco-2 세포주에 EGCG 100 μmol/l 처리는 암세포의 증식을 억제하였고 p16과 p15 발암 억제 유전자의 메틸화를 억제하였다.

MCF-7 유방암 세포와 HL60 전골수성 백혈병 세포에 각각100 μM와 50 μM의 EGCG를 처리 하였을 때 두 세포주 모두에서 증식을 억제하고 apoptosis를 유도하였다. 하지만 인간 텔로머라제 역전사효소 (hTERT)의 mRNA의 발현은 프로모터의 메틸화의 감소로 인해 MCF-7 유방암 세포주에서만 감소되었다.

이러한 결과들은 EGCG가 항산화 효과와 후생유전학적인 조절의, 서로 다른 기전을 통해 다양한 암세포에 효과적일 수 있음을 보여준다.경구암세포에서 50μM EGCG의 6일간 처리는 RECK gene의 메틸화와 암세포의 전이를 감소시킨다. 460와 A549 폐암 cell lines에서 20 μM EGCG의 73시간 처리는 암세포의 세포 증식과 Wnt 억제인자-1(WIF-1) 프로모터의 메틸화를 억제하였으며 Wnt 억제인자-1의 발현을 회복시켰다.

사람 흑색종 세포인 A431에 EGCG 20 μM을 6일간 처리했을 때 전체적인 메틸화의 수준이 용량 의존적으로 증가하였다. 게다가 EGCG는 DNMT1, DNMT3A 그리고 DNMT3B의 mRNA와 단백질 그리고 활성도를 감소시켰고 억제되었던 발암 억제 유전자인 p16, p21의 mRNA와 단백질의 재발현을 유도하였다. 보편적인 녹차 섭취에 의한 부작용의 증가는 없었다. 많은 양의 폴리페놀은 이론적으로 DNA의 저메틸화를 일으킬 수 있고 발암 유전자를 재활성화 시키고 유전적인 불안정성을 높일 수 있다.

Genistein의 항암효과

콩의 이소플라본인 Genistein은 후생유전학적인 기전을 통하여 화학적 암 예방효과가 있음이 확인됐다. KYSE 510 세포에서 Genistein 2?20 μmol/L 농도 처리 시 비 정상적인 DNA의 메틸화를 정상화 시켰으며 RARβ, p16, 그리고 MGMT 유전자를 재활성화 시켰다. 보다 높은 농도인 20-50 μmol/L 처리 시 Genistein은 식도암 세포인 KYSE 150 cells과 전립선암 세포인 LNCaP, PC3 cell에서 용량 의존적으로 DNA methyltransferase의 활성을 억제하였다.

Caco-2 cell에 200 μmol/L의 Genistein 처리는 ESR1 프로모터의 메틸화를 증가시켰다. 전립선암 세포주에서 Genistein 처리는 glutathione S-transferase P1 (GSTP1)와 ephrin B2 (EPHB2) 암 억제 프로모터의 탈메틸화를 증가시켰다. 이러한 결과는 그들의 단백질 발현 증가를 가져왔다.

이러한 결과들은 Genistein이 메틸화에 의해 억제된 암 억제 유전자를 재활성화시킴을 의미한다. 이는 부분적으로 DNA methyltransferase의 억제를 통해서이다.

Resveratrol의 항암효과

식물에 의해 생성되는 자연 항균물질인 phytoalexin의 한 종류인 Resveratrol은 포도 류, 오디, 적포도주 등에 포함되어있는데 세포 증식 억제작용이 있다. Caco-2 cells을 10 μmol/ld의 Resveratrol 처리한 경우 p16의 메틸화가 증가되지만 p15 methylation은 감소되었다. 30 μM의 MCF7, MDA-MB 231 그리고 HBL 10 유방암 세포를 Resveratrol에 48시간 노출시킬 경우 BRCA1와 BRCA2의 mRNA 증가를 확인하였다. 하지만 단백질 수준에서의 변화는 없었다.

최근 10과 20μmol/L 농도의 Resveratrol이 MCF-7 유방암 세포에서 BRCA-1 promoter로의 DNMT1의 접근을 억제하고 silencing을 유도함이 확인되었다.

Curcumin의 항암효과

Curcumin 커큐민은 울금의 뿌리줄기에 있는 플라보노이드로서 항암 효과를 지니고 있다. 최근의 연구는 자궁경부암 세포주인 SiHa와 HeLa 세포에서 20μM의 Curcumin과 Genistein이 RARβ2 유전자의 과메틸화를 회복시킴을 보여 주었다. 72시간부터 6일 후까지 시간이 지남에 따라 점진적인 탈메틸화가 이루어 졌다.

Quercetin의 항암효과

Quercetin 항산화 효과를 지니는 식이성 플라보노이드로서 천연의 catechol-O-methyltransferase 억제제이다. Quercetin은 햄스터의 볼주머니 암에서 세포 복제주기 억제와 apoptosis를 유도하며 그것은 DNMT1의 억제와 연관되어 있었다.

Quercetin은 또한 A549와 786-O 세포주를 이용한 in vitro 실험 그리고 면역결핍 생쥐에 0.4% quercetin을 2주간 투여한 in vivo 실험에서 녹차 폴리페놀의 생물학적 이용도를 높였다. 게다가 Quercetin은 전립선 암세포에서 세포 내 EGCG 농도를 높이고 EGCG의 메틸화를 낮추어서 EGCG의 암세포 성장 억제 효과를 증가시켰다.

Butyrate의 항암효과

Butyrate는 식이 섬유의 발효에 의해 대장에서 생성되는 지방산으로 잠재적인 항암 효과를 지니고 있다. Butyrate는 대장암 세포인 HT-29와 HCT 116 cells 세포주에서 처리 후 24시간째에서 RARβ2 유전자의 프로모터 부위의 탈메틸화를 유도하였다. 흥미롭게도 Butyrate는 또한 전반적인 DNA의 탈메틸화를 유도 하진 않았다. Butyrate의 탈메틸화 효과는 DNA 합성과 독립적이었다. 그리고 Butyrate는 RARβ2 promoter의 탈메틸화와 같은, 특정 유전자의 산발적인 탈메틸화를 유도하였다.

Selenium의 항암효과

Selenium은 항산화 효과와 pro-apoptotic 효과로 인한 암 예방효과를 지닌 필수 미량 원소이다. Caco-2 cells을 이용한 한 in vitro 실험에서 1 또는 2 μM의 셀레늄염을 7일간 처리 시 전반적인 저메틸화와 P53 유전자의 프로모터의 메틸화를 유도하였다.

추가적으로 Selenium 결핍 사료를 준 Fisher-344 Rat에서 0.1 또는 2.0 μg의 selenium/g을 준 쥐와 비교 시 6주 후에 유의하게 간과 대장의 DNA가 저메틸화 되어 있었다. 비슷한 결과로 HT-29 세포를 셀레늄이 결여된 배지에서 배양 시 1 또는 2 μmol/L의 selenium이 포함된 배지에 기른 세포에 비해 DNA 메틸화가 유의하게 적었지만 DNMT1 단백질 발현은 증가되었다. 사람의 대장암 세포에서 selenium은 DNMT를 억제하고 따라서 DNA 메틸화를 억제함으로써 암 예방 효과를 나타낸다.

Selenium은 쥐를 이용한 모델에서 간접적으로 혈장의 homocysteine농도와 SAM:SAH 비율에 영향을 미친다. 하지만 Selenium and Vitamin E Cancer Prevention Trial(SELECT)에서 Selenium이 전립선암, 폐암, 또는 대장암을 예방한다는 증거를 제시하지 못했다.

게다가 최근의 연구 결과들은 셀레늄과 다른 영양학적 요소들이 종에 따라 다른 영향을 줄 수 있음을 보여준다. 반면에 혈장과 조직의 homocysteine의 농도는 Selenium deprivation에 의해 CD-1mice와 Fischer-344 rats에서 감소하였다. 이러한 결과는 이러한 모델로부터 결과를 해석하기 위해서는 종 간의 차이가 고려되어야 할 필요성을 제시해 준다.

히스톤의 단백질 번역 후 변형

히스톤은 염색체의 구조와 유전자 발현을 조절하는데 있어 적극적인 기능을 지니고 있다. 히스톤의 꼬리 부분은 아세틸화, 메틸화, 인산화, poly-ADP rybosilation, sumoylation 또는 ubiquitination 등에 의해 변형된다.

히스톤 암호는 이러한 히스톤 변형의 조합에 의해 특징지어지며 그에 의해 염색체와 염색체 결합 단백질들 간의 상호작용이 결정된다. DNA methylation과 히스톤의 변형은 독립적인 것이 아니다. CpG 내의 cytosine기의 메틸화는 methyl-cytosine binding proteins (MBPs)의 결합과 연관이 있으며 이는 히스톤의 변형을 촉매하는 효소들의 결합을 결정 짖는다.

히스톤 acetyltransferases(HAT)에 의한 히스톤의 lysine 아미노산 잔기의 아세틸화는 lysine 잔기의 양전하를 중화시켜서 음전하를 띤 DNA로부터 히스톤 꼬리를 분리시킨다. 이러한 변화는 염색체의 구조를 느슨하게 하여 DNA 전사와/발현을 위한 전사 인자들이 보다 결합하기 쉽게 해준다.

따라서 히스톤의 아세틸화는 전사적으로 활성화된 염색체와 연관되어 있다.  

Histone deacetylases(HDACs)에 의한 히스톤의 탈인산화는 염색체의 응축을 이끌어 DNA의 전사를 억제한다. 탈아세틸화된 상태에서 lysine amino groups은 양전하를 띄어, 히스톤 꼬리가 음정하를 띤 DNA와 강력하게 결합하게 해준다. 비 정상적인 히스톤의 아세틸화는 암의 병리와 연관이 있다.

 

histones H3와 H4의 lysine (K)과 arginine (R) 잔기의 히스톤 메틸화는, modification에 의존적으로, 아미노산의 종류와 히스톤 꼬리에서 그 위치에 따라 전사에 대해 활성화와 억제 효과를 나타낼 수 있다.

histone 3의 4번째 lysine 잔기(H3K4)의 메틸화는 전사적 활성화를, 반면에 histone 3의 9번째 lysine (H3K9)의 메틸화는 전사적 억제로 이어진다.

히스톤의 메틸화는 히스톤 꼬리의 전하를 바꾸지 않는다 하지만 히스톤의 화학적 특성과 전사인자와 다른 조절 단백질들의 친화도에 영향을 미친다. 히스톤의 메틸화는 histone methyltransferases에 의해 촉매 된다. 반면에 메틸 그룹의 제거는 histone demethylases에 의해 촉매 된다.

 

히스톤의 인산화는 유사분열과 유전적 안정성 그리고 세포 분열에 있어 중요한 역할을 한다. 핵심 히스톤과 히스톤 H1은 특정한 serine와 threonin 잔기에, H1과 H3 kinase에 의해 인산화를 거친다.히스톤 H1의 인산화는 H1의 RNA에 대한 결합을 약화시킨다. 전사 인자의 자유로운 접속을 촉진하고 따라서 유전자의 발현을 활성화 시킨다. 비정상적인 히스톤의 인산화는 유방암, 전립선암, 대장암과 같은 많은 암에서 관찰되었다.

식이성분과 암에서의 히스톤 메틸화의 변화

식물 유래의 유기 화합물이 히스톤의 변형에 영향을 미칠 수 있다는 증거들이 증가하고 있다. 암에서 후생유전학적으로 침묵된 유전자를 재활성화 시킬 수 있는 식이 화합물의 잠재적 능력은 암의 예방과 치료에 필수적일 것이다.

엽산과 EGCG

엽산은 암에서 히스톤의 메틸화에 영향을 줄 수 있다. 간세포의 암 발생 동안에 관찰되듯이 methyl 공여자가 적은 식이는 H4-K20 trimethylation과 H3-K9 acetylation에 영향을 준다.

EGCG는 인간 흑생종 세포인 A431에 20 μM로 6일간 처리 시 많은 히스톤의 변화를 유도한다.  

EGCG는 처리는 histone deacetylase의 활성을 감소시키고 histone H4의 5번, 12번, 그리고 16번의 lysine 잔기의 아세틸화를 촉진 시키며 히스톤 H3의 9번과 14번 lysine 잔기의 아세틸화를 촉진 시킨다 그리고 히스톤 H3의 9번 lysine 잔기의 메틸화를 감소시킨다. 따라서 EGCG는 DNA 메틸화와 히스톤 변화의 두 가지 기전을 통해 암 발생 위험에 영향을 미칠 잠재력이 있다. 이는 차례로 암 억제 유전자의 전사적 활성화를 유도할 수 있다.

Genistein

Genistein은 DNA 메틸화에 대한 영향에 더하여 히스톤 변화에도 연관되어 있다. MCF-7 유방암 세포주에 장기간 Genistein을 처리할 경우 H3의 아세틸화를 감소시키고 mitogen과 HDAC inhibitor에 대한 생장 반응을 변화시킨다.

전립선암 세포주 LNCaP과 PC-3에 Genistein 25μM과 50μM을 72 시간 동안 처리 시 Genistein은 H3-K9 메틸화와 유전자의 탈아세틸화를 조절함으로써 암억제 유전자인 PTEN과 CYLD를 재활성화 시킨다. 추가로 genistein은 DNA 프로모터의 메틸화 상태로부터 독립적인, 내생적인 SIRT에 의한 탈아세틸화의 downregulation을 통해 P53과 FOXO3a의 H3-K9의 아세틸화를 증가시킨다.

나아가서 10과 25 μmol/L의 genistein으로 처리한 전립선암 세포주 LNCaP, DuPro 그리고 RWPE에서 p21과 p16 전사 시작 부위의 H3/K4의 아세틸화와 HTA의 발현을 증가시켰다.

유방암 세포주인 MDA-MB-231 그리고 BT20을 15와 30 μM의 genistein으로 4일간 처리하였을 때 각각 H1 인산화의 유도와 전사적 활성 그리고 G2/M arrest를 보였다.

Resveratrol

Resveratrol은 유방암 세포인 MCF-7 세포주에서 디곡신에 의해 유도된 BRCA-1 gene의 히스톤 변화를 억제하였다. - BRCA-1 단백질 발현의 억제 그리고 디곡신에 의해 유도된 DNA 사슬의 절단을 감소 시켰다.

tetrachlorobenzo dioxin으로 처리한 유방암 세포주인 MCF-7에서 Resveratrol 전처리는 H4와 H3K9의 아세틸화를 증가시켰으며 H3K9의 메틸화를 감소시켰다. 그리고 BRCA-1에 대한 MBD2의 이동을 조절하였다. 이러한 결과들은 후생유전학적인 BRCA-1 gene 유전자의 억제가 resveratrol로써 억제가 가능함을 나타내며 암 예방과 치료 전략에 개발에 있어 분자적인 근거를 제시한다.

Curcumin

뇌종양 세포에 Curcumin의 처리는 H3과 H4 histones의 저아세틸화를 유도한다. 전립선 암세포에서는 반대의 결과가 나타난다. 여기서 Curcumin은 H3와 H4의 아세틸화와 Bcl-2 family 유전자와 p53에 의한 apoptosis를 유도한다. 이러한 불일치는 암의 종류와 암 모델로부터 기인하였을 것이다 하지만 또한 시간, 세포의 종류 그리고 Curcumin의 용량 의존적인 효과 때문이기도 하다.

Quercetin

Quercetin은 7,12-dimethylbenz anthracene에 의해 유도된 햄스터의 볼주머니 암에서 유의한 생장 억제 효과를 보인다. 이러한 효과는 cell cycle arrest와 HDAC-1의 저해와 연관된 poptosis의 결과로 보여진다.

Butyrate

Butyrate는 HDAC inhibitor로서 몇몇 암 모델에서 histones의 아세틸화를 유도하여 세포의 분화와 apoptosis에 연관된 유전자의 발현을 이끌어낸다. 게다가 Butyrate는 HT29 대장암 세포 주에서 ERK histone의 인산화를 증가시킨다.

Dimethyl hydrazine에 유도된 mouse 대장암 모델에서 sodium butyrate 단독 또는 folic acid 와 상승적으로 유의하게 암의 발생을 감소시킨다 그리고 histone H3의 acetylation과 P21 유전자의 발현을 감소시킨다.

Sulforaphane

십자화과 식물과 브로콜리에 있는 Isothiocyanate의 하나인 Sulforaphane은 대장암, 전립선암, 그리고 유방암 세포에서 HDAC의 활성을 저해한다. In vitro에서 BPH-1, LnCaP 그리고 PC-3 전립선암 세포주에 sulforaphane 15 μM을 48시간 동안 처리하였더니 HDAC activity가 억제되었다. 이러한 결과는 p21과 Bax 단백질의 증가, cell cycle arrest 그리고 apoptosis의 활성화를 동반하였다.

Sulforaphane은 MCF-7과 MDA-MB-231 유방암 세포주에서 용량과 시간 의존적으로 암세포의 증식을 억제하고 apoptosis를 유도하였다. 게다가 15 μM과 20 μM의 sulforaphane 투여는 6시간 후 DNMT를 억제하고 hTERT 프로모터를 탈메틸화시키며 acetyl-H3, acetyl-H3K9 그리고 acetyl-H4 등의 활성 chromatin marks는 증가시키고 반면에 trimethyl-H3K9과 trimethyl-H3K27 등의 비활성chromatin marks는 감소시킴으로 완벽하게 암세포의 성장을 억제하였다.

In in vivo model에서 10 μmol sulforaphane의 경구 투여는 Apc-minus mice의 대장점막세포, 전립선, 그리고 말초 단핵구에서 HDAC 활성도를 유의하게 감소시켰다.

브로콜리의 예방 효과는 블로콜리를 먹기로 된 시험군의 흡연자와 비흡연자에서 관찰되었으며 이러한 효과는 DNA 사슬의 절단과 유의하게 관계가 있었다. 건강한 사람 대상자에서는 브로콜리 68g(한컵)의 섭취는 3-6시간 후에 말초 단핵구에서 HDAC의 활성도를 감소시켰다. 하지만 HDAC의 활성도는 24시간째에 정상 수준으로 되돌아 왔으며 히스톤의 과아세틸화는 48시간 까지 지속되었다. 이러한 결과는 브로콜리로에 포함된 천연 식이 화합물이 인간의 HDAC에 상당한 효과를 나타냄을 보여주는 첫 번째 연구였다.

S-ally-mercapto cysteine

S-ally-mercapto cysteine, 마늘의 있는 유기 황화합물로서 HDAC 저해제로 작용한다. 그리고 사람의 암세포에서 급속하고 지속적인 histone H3와 H4의 과아세틸화를 유도한다. Allyl mercaptan은 마늘의 있는 유기 황화합물로서 2, 20, 그리고 200 μM 처리 시 용량 의존적으로 histone deacetylase 억제 효과를 보였으며 P21WAF1p 프로모터에 Sp3의 결합을 증가시켰다. 이에 다음으로 p53의 결합이 뒤따른다.

Diallyl disulfide(DADS)

Diallyl disulfide(DADS)는 천연의 HDAC 저해제로 마늘과 다른 파속 식물에 존재한다. 200 μM DADS로 6시간 처리 시 인간 대장암 세포 HT-29와 Caco-2의 성장을 억제하였다. DADS는 HDAC 저해, 히스톤 과아세틸화 그리고 p21의 발현 증가를 통해 이러한 효과를 나타낸다. 흥미롭게도 DADS의 단회 투여는 히스톤 H3K14 아세틸화에 일시적인 효과를 나타내지만 반복적으로 투여할 경우 히스톤 H3에 지속적인 과아세틸화 효과를 나타냈다. 이러한 결과는 용량뿐만 아니라 처리방법 또한 식이 화합물의 생물학적 이용도에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다

암에서의 마이크로 RNA에 의한 유전자의 침묵현상

Micro RNA(miRNAs)는 작은 18-16 뉴클레오티드 길이의 non-coding RNA(단백질로 번역되지 않는 RNA)이다. non-coding RNA는 목표로 하는, 단백질의 정보를 담은, 메신저 RNA(mRNA)의 3’ untranslated region (3’UTR)에 결합하여 전사 후의 단백질 발현의 조절에 관여한다.

 

miRNA는 완벽하게 상보적인 염기서열 짝을 이루는 경우 목적 mRNA를 분해하나 부분적으로 mRNA와 상보적인 염기결합을 이루는 경우는 목표 mRNA의 번역(mRNA의 유전정보로 단백질을 만드는 과정)을 억제한다. miRNA의 활성은 전사적 조절에 의해 조절된다.

 

최근에는 miRNA가 유전자의 상보적인 위치에도 결합하며 유전자 억제 단백질의 결합을 유도하고 비활성화 chromatin marks를 유도함으로써 유전자의 발현을 억제함이 밝혀졌다.

miRNA들은 세포의 증식, 분화, 그리고 apoptosis를 조절한다. miRNA 발현의 변화는 암의 일반적인 과정이다. 암에서의 일부 집단의 miRNA의 발현 감소는 그들 중 몇몇은 암 억제유전자로써 작용함을 추정할 수 있게 해준다. 반면 발현이 증가는 miRNA가, 그들의 target에 따라, 발암유전자로 작용할 수 있음을 의미한다.

식이성분과 암에서의 miRNA의 변화

최근의 증거들은 식이 습관, 생활 습관 유전적 요인들이 miRNA의 조절을 통해 암 발생 위험에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다. 예로, 쥐에서 수태 전 어미의 고지방식이는 새끼에게 임신 기간 동안 그리고 수유기간 동안 장기간 지속되는 IGF2 발현과 몇몇 핵심 miRNA의 변화를 유도한다.

엽산은 단독으로 DNA 메틸화에 중요한 기능을 하며 miRNA의 발현에도 영향을 미칠 수 있다. 엽산의 결핍은 확연한 전반적인 miRNA 발현의 변화를 유발한다. in vitro와 in vivo에서, 사람의 림프아세포 에서 miRNA 222가 유의하게 과발현되었다.

Methyl-결핍 식이의 쥐들은 54 주령에 발암물질의 투여 없이 간세포암이 발생하였으며 암 특이적인 miRNA-122의 감소를 동반했다. 반대로 Methyl이 충분한 식이는 이러한 효과를 돌려놓았으며 암 특이적인 miRNA의 변화와 암발생을 예방하였다. Methyl-결핍 쥐에서 유도된 간암발생은 각각 apoptosis와 세포의 증식을 조절하는 miRNA-34a와 miRNA-127를 포함하는 확연한 miRNAs의 발현 감소를 유발하였다.

EGCG와 miRNA

EGCG 처리는 사람 간암세포에서 anti-apoptotic protein으로 알려진 Bcl-2을 표적으로 하는 miRNA-16를 포함하는 많은 miRNA 발현을 변화시킨다. anti-miRNA-16 inhibitor의 투여는 간암세포에서 Bcl-2를 감소시키는 EGCG의 효과에 대해 반대 효과를 나타낸다.

200 μM의 Genistein 36시간 처리는 인간 포도막 흑생종 세포주인 C918의 증식을 유의하게 60%까지 감소시켰고 용량의 의존적으로 miRNA-27a의 발현을 유도하였다.

Genistein과 miRNA

In vivo, BALB/C nu/nu mice 에서 25, 50 그리고 100mg/kg/day로 한달 동안 genistein을 투여하여 그 효과를 평가하였다. 이 실험을 통해 genistein이 in vivo에서 포도막 흑생종 이식의 성장을 유의하게 억제함을 밝혀냈다. 다른 연구에서는 설치류의 만성 림프구 백혈병 모델을 통해 genistein의 miRNA-16 발현에 대한 효과와 악성 B-1 세포주에서 poptosis의 유도에 상승적인 효과가 발표되었다. 이러한 사실들은 genistein이 어쩌면 miRNA의 생물학적 효과를 조절할 수 있음을 보여준다. Genistein 처리 후 난소암 세포주인 UL-3A와 UL-3B에서 많은 수의 miRNA가 다르게 발현되었으며 이는 ER-α과 ER-β의 발현과 연관이 있었으며 유의하게 침윤과 전이를 감소시켰다.

최근 한 연구에서 genistein의 처리는 전립선암 세포주에서 miRNA-221과 miRNA-222의 발현 감소에 의해 암 발생 억제 유전자인 ARHI의 발현 증가를 유도함을 보여주었다. 

Resveratrol과 miRNA

Resveratrol은 사람 대장암 세포인 SW480에서 PDCD4 또는 PTEN을 타깃으로 하는 몇몇 발암miRNA의 발현을 억제하였다. 이와 동시에 TGFβ1을 타깃으로 하는 것으로 알려진, 암 억제 mi RNA, miR-663을 증가시켰다.

Curcumin과 miRNA

사람 췌장암 세포주 BxPC-3에서 10 μmol/L의 Curcumin 처리는 miRNA 발현 패턴의 변화를 일으켰다. Curcumin은 miRNA-22는 증가 시켰으며 miRNA-199a는 감소 시켰다. 추가적으로 Curcumin 은 MCF-7 유방암 세포주에서 miRNA-15a와 miRNA-16의 발현을 증가시킴으로써 Bcl-2 의 발현을 감소시켰고 이로 인해 apoptosis를 유발하였다.

Quercetin, Selenium과 miRNA

Quercetin은 사람 대장암 세포주 HT-29에 처리 시 염증유발물질인 NF-κB 활성의 억제 조절자인 miR-146a을 유도하였다. 

Selenium의 천연 형태인 selenite 2.5 μM 투여는 전립선 암세포주 LNCaP에서 시간에 비례하여 P53 매개의 apoptosis를 유도하였다. 그리고 p53의 전사적 타깃인 miR-34의 발현을 유도하였다.

이러한 생리활성을 지닌 음식 성분의 화학적 암 예방 효과를 위한 최적의 용량과 지속 기간을 확립하기 위하여 추가적인 연구가 필요하다. 추가로 세포주로부터, 쥐모델, 사람 대상에 이르기 까지 다양한 모델들로부터 얻어진 결과를 해석하기 위하여 조직 특이성과 종간의 차이점 또한 고려되어야 할 것이다.

식이성분들이 암의 후생유전학적 변화에 영향을 줌

최근의 연구들은 식이 성분들이 후생유전학적인 기전을 통하여 암 예방에 있어 중요한 역할을 한다는데 상당한 증거들을 제시하고 있다. 하지만 정확한 기전과 그로 인해 생리활성을 지닌 식이 성분들이 후생유전학적 변화를 유발하는 그들의 타깃이 무엇인지는 많은 부분 밝혀지지 않았다. 최근의 문헌들은 과일, 채소, 그리고 다양한 다른 식물로부터 얻어진 식이 성분들이 암에서 DNA의 메틸화, 히스톤 변형 그리고 miRNA의 변화를 유발한다는 강력한 근거들을 보여주고 있다.

하지만 그러한 예방 효과는 단순히 한 성분으로부터 유래하는 것 같지는 않다. 그래서 관계된 성분들과 대사체의 동정이 필요하다. 또 다른 핵심은 생리활성물질이 바람직한 후생유전학적 변화를 일으키기 충분한 농도로 목표 조직까지 도달하는 것이다.

그것과 관련하여 대사는 후생유전학적 변화를 일으키는데 필요한 생리활성 물질의 농도와 대사체를 만드는 두 가지에 있어서 결정적인 역할을 할 수 있다. 게다가 식이 성분과 대사 그리고 환경적인 요인들의 복잡한 상호작용은 암 발생을 예방할 수 있는 성분을 밝혀내기 위한 상당히 복잡한 연구가 될 것이다.

덧붙여서 식이 습관은 특정 음식의 성분 또는 영양소의 섭취보다 암 위험을 조절하는데 있어서 훨씬 중요한 역할을 할 것이며 이는 암 예방을 위한 핵심적 접근방법이 될 것이다.

후생유전학적인 변화는 조직 특이적 이고 세포의 분화에 중요한 역할을 한다. 그러므로 생리활성 음식 성분들은 다른 조직에서 다른 후생 유전학적인 변화를 유도할 것이다. 추가적으로 생리활성 식이성분에 의해 유도되는 후생유전학적인 변화는 일시적 연합을 행사한다. 따라서 생리활성 식이 성분과 그의 동역학이 갖는 조직, 세포 특이적인 효과를 특징 짖는 것은 결정적이다.

치료적 적용을 위해서는 안전성과 용량, 용법에 대한 추가연구 필요 

최근에 생겨난 한가지 의문은 천연의 DNMT와 HDAC 저해제 들이 단순히 이로운 효과를 나타낼지 또는 혹시 해로운 상황이 없을지 하는 것이다.

천연의 DNMT 저해제는 비선택적인 변화를 유발하고 전체적인 DNA의 저메틸화를 유발할 수 있다. 이는 유전자의 반복요소(repetitive elements)를 활성화시켜 유전자의 안정성에 영향을 미칠 수 있으며 또는 잠복기의 바이러스의 전사를 활성화시키거나, oncogene의 전사를 활성화시켜 암 발생을 일으킬 수 있다.

마찬가지로 histone modification에 영향을 미치는 식이성분 역시 세포주기 조절, 분열, 대사, 그리고 신호전달체계와 연관된 표적 DNA에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 효과적인 용량과 암 예방 혹은 치료를 위한 생리활성 음식 성분의 농도를 결정하기 위해 보다 많은 연구가 필요하다. 생리활성 성분은 in vitro와 in vivo에서 낮은 마이크로몰 단위에서 효과적이다. 하지만 치료를 위해서 사용되고 있는 DNMT와 HDAC 저해제들은 높은 농도에서 효과가 있다. 따라서 상당한 독성과 약물 저항성을 동반한다. 건강한 사람뿐만 아니라 다양한 암 단계에 있는 사람들에 있어 이익 대 해로운 효과를 결정짓기 위한 추가적인 연구가 필요하다.

또 다른 의문은 태아기 동안, 일생을 거쳐, 그리고 노화기의 결정적인 노출 시간이다. 모체의 식이와 엽산의 섭취는 장기간의 DNA 메틸화에 영향을 미치며 그것은 자손의 생애 후반에도 나타난다.

후생 유전학적 변화에 영향을 미치는 식이와 환경적 영향에 대한, 연관된 동물과 조직배양 모델의 개발은 그들의 관계와 잠재적 상호작용을 측정하는데 필수적이다. 추가로 암세포와 동물모델 그리고 인간을 대상으로 한 연구 결과를 이해하는데 있어 종간의 차이가 고려되어야 한다.

미래의 연구에 있어 중요한 분야는 DNA 메틸화, 히스톤 변화, 그리고 miRNA간의 복잡한 상호작용을 보다 잘 설명하기 위한 유전자 기반의 분석 방법과 high-throughput assays를 개발하는 것이다.

아직 밝혀야 할 것들이 많지만 암 치료 접근방법으로 희망적

암 발생 동안 환경, 유전, 그리고 후생유전학적인 요인들의 복잡한 상호작용들이 아직 명확하게 밝혀진 것은 아니다. 이러한 변화들을 기저로 하는 후생유전학적인 기전의 설명은 개인의 암에 대한 유전적인 감수성을 예견하기 위한 도구로서 제공될 것이며 식이적인 권고사항을 제공하고, 또는 암에 대항하는 자연성분의 치료적인 적용을 제공하게 될 것이다.

정리하면, 증가하는 많은 수의 연구들이 식이의 암 예방과 치료에 대한 역할을 지지하고 있다. 그럼에도 불구하고 안전한 식이 권고안을 제공하기 위하여 생리활성 성분을 확인하고 암 예방 효과를 위한 적절한 용량을 확립하는 것이 필요하다. 그리므로 후생유전학적인 기전과 그의 세포 종류에 따른 특이성 그리고 일시적인 패턴을 설명하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.

더욱이, 생리활성 성분에 의한, 보호 효과를 지니는 후생유전학적 변화에 대한 유전, 환경적인 요인의 영향이 확립될 필요가 있다. 많은 풀리지 않은 질문들에도 불구하고 미래의 암 치료에 있어 천연 식이성분의 암의 치료적인 적용, 암의 예방에 있어 식이적인 권고안은 희망적이다.

관련 근거 

Supic G, Jagodic M, Magic Z. Epigenetics: a new link between nutrition and cancer. Nutr Cancer. 2013;65(6):781-92.

http://www.hanall.co.kr/main/main.asp