통합분석을 이용한 휘발성 유기화합물 노출에 대한 환경 위해성 평가 방법

Abstract

Rapid industrial progress has made environmental pollution globally conspicuous. This has necessitated the development of various systems to study environmental problems for early risk assessment worldwide. In recent decades, several studies have evaluated the environmental risk of toxicants such as volatile organic compounds(VOCs) using various techniques like microarrays; however, studies evaluating the effects of such toxicants using in vivo human sample analysis have been scarce. In this study, three toxicants—toluene (TOL), ethylbenzene (EBZ), and xylene (XYL)—were selected from among the VOCs. Methylation expression levels along with mRNA expression levels of the samples exposed to these toxicants compared with those of the control samples were analyzed for epigenetic effects. Additionally, mRNA and miRNA expression levels were also analyzed to ensure reliability and to validate the genetic effects. First, the mRNA expression levels were analyzed in 275, 485, and 141 samples exposed to TOL, EBZ, and XYL, respectively. Based on the mRNA expression analysis, the candidate DNA biomarkers—98, 101, and 15 methylated regions in samples exposed to TOL, EBZ, and XYL, respectively—were determined using methylation analysis. Additionally, based on the miRNA expression analysis, 47, 24, and 4 candidate RNA biomarkers were selected in samples exposed to TOL, EBZ, and XYL, respectively. These candidate RNA biomarkers are associated with the mRNA and miRNA expressions. Next, we analyzed the expression and methylation of the selected genes in the 99 newly exposed samples to confirm the reliability of the sorted candidate biomarkers. Based on the results of the analyses, 18, 58, and 9 genes were selected as DNA biomarkers in the samples exposed to TOL, EBZ, and XYL, respectively. Furthermore, 33, 17, and 3 genes were selected as RNA biomarkers in the samples exposed to TOL, EBZ, and XYL, respectively. Using these biomarkers, we confirmed whether the sample groups were appropriately divided into the exposed group and control group. Classification analysis for epigenetic DNA biomarkers resulted in accuracies of 86.87% for TOL, 98.99% for EBZ, and 91.92% for XYL. Additionally, with genetic RNA biomarkers, accuracies of 91.92%, 90.91%, and 88.89% were obtained for TOL, EBZ, and XYL, respectively. Thus, this combined approach using integrated data analysis and the selected biomarkers represents a promising method to study and assess the environmental health risk associated with exposure to VOCs.|산업이 발전해 감에 따라, 환경 오염은 세계적으로 주목받는 이슈가 되었다. 이러한 시점에서, 다양한 방식의 조기 위해성 평가 방법과 이러한 시스템을 만들기 위한 환경 문제에 대한 연구의 필요성이 전세계적으로 대두되고 있다. 지난 수년 간, 휘발성유기화합물 같은 독성 물질에 대한 환경 위해성을 평가하는 많은 연구가 진행되어 왔으며, 이러한 연구들은 마이크로어레이 같은 다양한 방법들을 이용하여 연구를 진행했다. 그러나, 현재까지 in vivo인체 시료 분석을 이용한 독성 물질의 영향력을 확인하는 연구가 현저히 부족한 실정이다. 본 연구에서는, 휘발성 유기화합물 중에서도 세가지 물질인 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌을 선정하여 연구를 진행했다. 먼저, 노출군 그룹과 노출이 되지 않은 그룹 간의 유전자 발현 변이와 메틸레이션의 비교 분석을 통해 후성유전학적인 영향력을 확인하였다. 그리고, 신뢰도 확보와 유전적인 영향력을 확인하기 위해 유전자 발현 변이와 마이크로알엔에이의 비교 분석을 진행하였다. 먼저, 우리는 메신저 알엔에이의 발현 변화량을 분석하여 톨루엔 노출군에서는 275개, 에틸벤젠 노출군에서는 485개, 자일렌 노출군에서는 141개의 메신저 알엔에이를 선정하는 결과를 얻었다. 이 유전자 군을 이용한 메틸레이션 분석결과에서는, 톨루엔 노출군에서는 98개의 메틸레이션 지역을, 에틸벤젠 노출군에서는 101개의 지역을, 그리고 자일렌 노출군에서는 15개의 지역을 선별하여 디엔에이 바이오마커 후보군을 정하였다. 또한, 마이크로알엔에이와의 연계분석에서는, 톨루엔 노출군에서는 47개의 마커를, 에틸벤젠 노출군에서는 24개의 마커를, 그리고 마지막으로 자일렌 노출군에서는 4개의 알엔에이 바이오마커를 선정하였다. 다음으로, 우리는 선정한 유전자 후보군들의 신뢰도 확보를 위해, 본 연구 분석에서 사용한 견본이 아닌 새로운 99개의 노출군 견본을 이용하여 본 연구 결과로 선정된 유전자 후보군에 대한 메틸레이션 패턴변이와 유전자 발현변이를 분석하여 후성유전학적, 유전학적 바이오마커를 각각 최종적으로 선별하였다. 최종적으로 디엔에이 바이오마커로서 톨루엔 노출군에서 18개의 유전자를, 에틸벤젠 노출군에서 58개의 유전자를, 그리고 마지막으로 자일렌 노출군에서97개의 유전자 후보군을 최종 선정하였다. 알엔에이 바이오마커 선별과정에서는, 33개, 17개, 그리고 3개의 유전자를 톨루엔, 에틸벤젠, 그리고 자일렌 노출군에서 각각 최종 선별하였다. 이 바이오마커들을 이용하여, 우리는 대조군과 노출군과의 구별이 잘 되는지 확인하였다. 그 결과 후성유전학적 디엔에이 바이오마커의 정확도는 톨루엔 노출분석에서86.87%, 에틸벤젠 노출분석에서 98.99%, 그리고 자일렌 노출분석에서 91.92%로 분류가 잘 되는 것으로 확인하였다. 또한, 유전학적 알엔에이 바이오마커를 이용한 결과에서는, 톨루엔, 에틸벤젠, 그리고 자일렌 노출에서 91.92%, 90.91%, 그리고 88.89%의 정확도를 나타냈다. 이 통합적인 분석방법과 본 연구에서 선정된 바이오마커는 앞으로 휘발성유기화합물에 대한 환경 위해성 평가를 연구하는 데 유망한 방법이 될 수 있을 것이다.; however, studies evaluating the effects of such toxicants using in vivo human sample analysis have been scarce. In this study, three toxicants—toluene (TOL), ethylbenzene (EBZ), and xylene (XYL)—were selected from among the VOCs. Methylation expression levels along with mRNA expression levels of the samples exposed to these toxicants compared with those of the control samples were analyzed for epigenetic effects. Additionally, mRNA and miRNA expression levels were also analyzed to ensure reliability and to validate the genetic effects. First, the mRNA expression levels were analyzed in 275, 485, and 141 samples exposed to TOL, EBZ, and XYL, respectively. Based on the mRNA expression analysis, the candidate DNA biomarkers—98, 101, and 15 methylated regions in samples exposed to TOL, EBZ, and XYL, respectively—were determined using methylation analysis. Additionally, based on the miRNA expression analysis, 47, 24, and 4 candidate RNA biomarkers were selected in samples exposed to TOL, EBZ, and XYL, respectively. These candidate RNA biomarkers are associated with the mRNA and miRNA expressions. Next, we analyzed the expression and methylation of the selected genes in the 99 newly exposed samples to confirm the reliability of the sorted candidate biomarkers. Based on the results of the analyses, 18, 58, and 9 genes were selected as DNA biomarkers in the samples exposed to TOL, EBZ, and XYL, respectively. Furthermore, 33, 17, and 3 genes were selected as RNA biomarkers in the samples exposed to TOL, EBZ, and XYL, respectively. Using these biomarkers, we confirmed whether the sample groups were appropriately divided into the exposed group and control group. Classification analysis for epigenetic DNA biomarkers resulted in accuracies of 86.87% for TOL, 98.99% for EBZ, and 91.92% for XYL. Additionally, with genetic RNA biomarkers, accuracies of 91.92%, 90.91%, and 88.89% were obtained for TOL, EBZ, and XYL, respectively. Thus, this combined approach using integrated data analysis and the selected biomarkers represents a promising method to study and assess the environmental health risk associated with exposure to VOCs.