DNA 꾸러미의 고리 구조 어떻게 만들어지나? -동영상

수학적 모형 개발, 시뮬레이션 동영상 눈길

DNA 염기정보 3차원 존재양식에 관한 연구  


00dnafold1.jpg » 최근에 '디엔에이의 3차원 구조'와 관련해 발표된 연구논문에 의하면, 고리매듭 구실을 하는 단백질(노란색)이 디엔에이를 밀어내어 고리 구조를 만든다. 출처/ Aiden Lab. https://youtu.be/Tn5qgEqWgW8


엔에이(DNA) 염기서열 정보를 손쉽게 해독할 수 있는 시대에, 이제는 그 디엔에이가 세포핵 안 3차원 공간에서 어떻게 존재하는지에 관해서도 관심이 쏠리고 있다. 유전자가 염기서열 거리로는 매우 멀리 떨어져 있더라도 실가닥의 먼 두 지점도 가깝게 끌어당길 수 있듯이, 3차원 공간에서 디엔에이의 존재 양식은 단순한 염기의 서열정보와는 또 다른 의미를 지닐 수 있기 때문이다.


요즘 들어 이 분야의 연구가 진전하면서 디엔에이(정확히는 디엔에이와 히스톤 단백질 등이 결합한 크로마틴[염색질, chromatin])가 염색체 안에서 ‘고리(루프) 모양 구조’를 이루며 특정 단백질이 고리를 만드는 매듭과 같은 구실을 한다는 것이 알려졌다. 지난해 말에는 인간 유전체(게놈)의 디엔에이 고리매듭 구조 1만 여개가 어떻게 분포하는지를 보여주는 일종의 지도가 발표돼 눈길을 끌기도 했다.[관련 보도 http://scienceon.hani.co.kr/222541]

00dnafold3.jpg » 인간 유전체의 디엔에이 고리매듭 지도. 위 그림의 그 일부로서, 20번 염색체의 210만 염기(2.1 Mb) 규모에 나타난 고리매듭 구조를 보여주는 그림. 연구팀은 인간 유전체에서 이런 고리 지점을 1만 개 가량 찾아냈다. 출처/ Cell

00dnafold2.jpg » 출처 / 미국 라이스대학교 보도자료 그런데, 디엔에이 고리 구조는 어떻게 만들어질까? 최근에 이런 물음에 답하는 가설이 제시됐다. 지난해 ‘디엔에이 고리매듭 지도’를 발표했던 연구진의 일부는 이런 물음과 관련해 디엔에이 고리 매듭의 생성 과정을 설명할 수 있는 수학적 모형(시뮬레이션)을 개발했으며, 13차례 실험을 통해서 예측과 일치하는 결과를 얻어내어 이 모형이 유효함을 입증했다고 발표했다 (미국 라이스대학교 보도자료). (보도자료는 논문이 <미국립과학아카데미 회보(PNAS)>에 실렸다고 밝혔으며 <사이언스> 등 매체도 그렇게 보도했으나, 10월22일 현재 논문을 해당 사이트에서 찾지 못했다.)

미국 베일러대학과 라이스대학 등 소속 연구진(Erez Lieberman Aiden 등)이 유투브에 공개한 동영상은 디엔에이가 어떻게 접혀 꾸러미를 이루면서 고리 모양 구조를 만드는지 보여준다. 시뮬레이션 동영상과 <더 사이언티스트> 등 과학매체 보도를 보면, 등가방의 끈 조절 고리에 비유되어 묘사되는 특정 단백질(CTCF)이 고리 구조를 만드는 데 핵심 구실을 하며, 특히 이 단백질은 디엔에이 끌어당기기와 밀어내기(extrustion)의 방식으로 고리 구조를 만들어내는 것으로 나타났다. 즉, 고리를 생성하는 데엔 고리매듭 단백질의 ‘밀어내기 메커니즘’이 작동한다는 것이다(오른쪽 그림 참조). 연구진은 수학적 모형의 시뮬레이션에서 특정 염기서열에 따라 달라지는 고리 모양 구조를 예측하고서 실제 실험에서 예측대로 현상이 일어나는지를 확인하는 방식으로 모형의 유효성을 입증했다고 라이스대학교 보도자료는 전했다.


디엔에이가 염섹체 안 3차원 공간에 존재하는 양식을 보여주는 동영상을 잠시 감상해보자. 아래는 현재 널리 받아들여지는 과학적 설명에 바탕을 두어 염색체 안에서 디엔에이가 꾸러미를 이루며 존재하는 방식을 보여주는 애니메이션이다. 실패 구실을 하는 히스톤 단백질에 실처럼 둘둘 말린 디엔에이 구조가 다시 둘둘 말리는 과정이 되풀이되면서 디엔에이는 촘촘하게 저장된다.


[ 동영상 유투브 https://youtu.be/gbSIBhFwQ4s ]


아래는 요즘에 새로운 설명으로 제기되는 ‘밀어내기 메커니즘’ 방식의 디엔에이 고리 생성 과정을 보여주는 애니메이션이다. 이 동영상에서는 히스톤 단백질과 디엔에이가 결합하는 초기 단계는 생략돼 있으며, 고리매듭 단백질의 밀어내기 기능이 강조되어 묘사되었다.


[ https://youtu.be/Tn5qgEqWgW8 ]


과학저널 <사이언스> 보도를 보면, 이번에 발표된 ‘밀어내기 메커니즘’에 의해 디엔에이 고리 구조가 생성되는 과정은 다른 연구진에 의해서도 연구된 바 있다. 지난 8월에 공개학술 데이터베이스(http://biorxiv.org)에 발표된 논문도 비슷하게 특정 단백질이 수행하는 ‘밀어내기 메커니즘’을 설명하고 있어, 이런 메커니즘이 이 분야 연구자들의 주요한 관심사임을 보여주었다.


연관된 기능을 하는 유전자들은 많은 경우에 3차원 공간에서 서로 가까운 거리에 놓여 그 기능을 수행하는 것으로 알려져 있다. 이 때문에 수십억 쌍의 염기서열 정보가 1차원 선으로 나열되는 구조가 아니라 실제 3차원의 입체 공간에서, 디엔에이가 어떤 구조로 어떤 존재 양식을 지니는지는 유전자 기능과 관련해서도 중요한 의미를 지니는 것이다. (<사이언스>).
 

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr   

@한겨레 과학웹진 사이언스온   

      



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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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