Epigenetic Regulations of Macrophage Phenotype Changes in Chronic Inflammatory Diseases

Abstract

대식구는 내재면역체계에서 중추적 역할을 담당하는 골수계 유래 세포이다. 대식구는 분포하는 기관, 국소 환경, 또는 질환 상황에 따라 상당한 다양성을 나타낸다. 출생 전에 형성되는 조직 분포 대식구와, 단핵구에서 유래한 일부 대식구 계열 세포는 고도로 특수화된 표현형을 가지며, 여러 질환과 깊은 관련이 있다. 세포의 운명 결정과 분화는 여러 유전자 집단의 정교한 조절을 통해 이루어지는데, 후성유전학적 기전이 이러한 복잡한 발현의 조절에 크게 기여한다. 후성유전학적 조절 방법은 DNA의 메틸화를 통한 유전자 발현의 조절, 뉴클레오좀 구조를 이루는 히스톤 단백질의 메틸화 또는 아세틸화, 그리고 그에 따른 크로마틴 접근성의 변화를 포함한다. 나는 후성유전학적 기전이 세포의 분화 과정에서와 마찬가지로 단핵구가 대식세포로 분화하는 데에도 중요한 역할을 담당한다고 예상하였다. 그러나, 류머티스성 관절염 조건에서 조직 대식구의 일종인 파골세포를 과도하게 활성화시키거나, 동맥경화 병변에서 특징적으로 나타나는 포말성 대식구의 형성 과정에 관여하는 후성유전학적 기전은 아직 밝혀지지 못한 점이 많았다. 류머티스성 관절염에서, 파골세포는 골조직의 심각한 침식을 유발한다. 나는 먼저 파골세포의 형성 과정에 기여하는 후성유전학적 기전을 여러 시퀀싱 기법을 통해 밝히고, 그에 알맞은 치료 표적을 찾고자 하였다. 파골세포 분화 과정에서, 파골세포 형성의 핵심 전사인자인 NFATC1 유전자를 포함한 여러 유전자 가까이에 슈퍼인핸서가 형성되는 것을 보았다. 파골세포 형성 과정 중에 나타나는 슈퍼인핸서들 중 일부는 자신에게서 전사되어 나오는 슈퍼인핸서 RNA를 내어놓기도 하였으며, 특히 NFATC1 슈퍼인핸서 RNA는 파골세포 형성 과정에 필수적이었으며, 타게팅이 쉬워 잠재적인 치료 표적으로서의 가능성을 확인할 수 있었다. 다음으로는, 동맥경화 병변에 자리하는 포말성 대식구의 표현형을 결정하는 후성유전학적 기전을 규명하고자 하였다. 포말성 대식구는 다른 대식구에 비해 염증성 유전자를 적게 발현하기 때문에, 포말성 대식구에 대한 연구는 동맥경화의 병리에 대한 이해에 필수적이다. 이를 위해 단일 세포 단위의 ATAC 시퀀싱을 실시하고, 이를 이전에 발표된 여러 시퀀싱 데이터와 비교하였다. 분석 결과, DNA의 메틸화를 통해 세포 내 전반적인 유전자 발현을 조절할 가능성이 있는 Dnmt3a와, 그를 조절하는 long non-coding RNA (lncRNA)인 Dnmt3aos가 포말성 대식구에서 일관적으로 상향조절된 것을 확인하였다. 이를 통해 포말성 대식구의 형성 과정에 DNA 메틸화와 lncRNA 차원의 후성유전학적 조절이 중요할 수 있다는 것을 보았다. 이 연구를 통하여, 히스톤 아세틸화, 인핸서 형성, 인핸서 RNA, 그리고 DNA 메틸화를 포함한 여러 단계의 후성유전학적 기전이 대식구의 특화 과정에 참여하여 공통 전구세포인 단핵구가 각자에 맞는 후성유전학적 조절을 거쳐 차별화되는 표현형을 나타낼 수 있음을 확인하였고, 특히 슈퍼인핸서 RNA와 lncRNA의 치료 표적으로서의 가능성을 발견하였다. 따라서, 이 연구에서 밝힌 후성유전학적 기전은 여러 질환 조건의 대식구의 병리학적 의미에 대한 이해를 넓혀줄 것으로 기대된다.

중심어: 후성유전학적 조절, 슈퍼인핸서, 인핸서 RNA, DNA 메틸화, 대식구 |Macrophages are myeloid lineage cells that takes an essential role in innate immunity. Macrophages display substantial plasticity depending on the tissues, local microenvironments, and disease conditions they are in. Specifically, prenatally established tissue-resident macrophages, and some subtypes of monocyte-derived macrophages show highly specialized phenotypes, and are deeply associated with a variety of diseases. The mechanisms by which a common progenitor diverges to various macrophage subtypes under their specific conditions are recently being studied. Cell fate determination and differentiation are accomplished by a sophisticated control of signature gene sets, and epigenetic regulation mechanisms serve as major compartments to such control. The epigenetic regulation mechanisms include the regulation of gene expression by DNA methylation, modification of a nucleosome component histone, and subsequent changes in chromatin structures. I hypothesized that the epigenetic mechanisms will be important in the process of monocyte differentiation into condition-specific macrophages, as it is in cell fate determination. However, the epigenetic regulatory mechanisms beneath the excessive activation of osteoclasts, which is a kind of tissue resident macrophages, in rheumatoid arthritis, or those involve in the formation of foamy macrophages in atherosclerotic plaque are not fully understood. Osteoclast causes detrimental bone erosion in a rheumatoid arthritis condition. I first interrogated the epigenetic mechanisms which are responsible for osteoclast differentiation with multiple sequencing techniques, and ultimately aimed for a potential therapeutic target. During the osteoclast formation process was the formation of super-enhancers (SEs) in the vicinity of multiple genes, including NFATC1, an essential osteoclast-inducing transcription factor. Some of the SEs are associated with enhancer RNAs (eRNAs) transcribed from themselves. Specifically, I confirmed that a SE-eRNA from NFATC1 SE was critical in osteoclastogenesis, which was easily targetable, suggesting that it can be a promising therapeutic target for bone erosion in rheumatoid arthritis. Next, I reasoned the epigenetic mechanisms determining the phenotypes of foamy macrophages in atherosclerotic plaques. Foamy macrophages express less inflammatory profiles compared to their inflammatory counterpart, thus, investigation on foamy macrophages is essential for understanding the pathology of atherosclerosis. To this end, a single-cell ATAC-seq experiment was performed, then the resulting data were compared with the datasets from a bulk RNA-seq and a single-cell RNA-seq from a previous report. By the comparative analyses, I confirmed a consistent upregulation of Dnmt3a, which is capable of affecting the global expression profile of a cell by DNA methylation, and its related long non-coding RNA (lncRNA), Dnmt3aos, in foamy macrophages. My observations suggest a relevance of DNA methylation- and lncRNA-level epigenetic regulations in the formation of foamy macrophages. In summary, I have confirmed that epigenetic regulation takes a key part in macrophage polarization, through multi-level mechanisms including histone modification, enhancer landscapes, enhancer RNAs, and DNA methylation, thus driving tissue-specific epigenetic profiles to a common progenitor and making them polarized to their corresponding tissues. Moreover, I have discovered a therapeutic potential of lncRNAs. Thus, the epigenetic mechanisms described in this study may broaden our insights into the pathological importance of macrophages in diseased conditions.

Keywords: Epigenetic Regulation, Super-Enhancer, Enhancer RNA, DNA Methylation, Macrophage