암‧노화 등에 미치는 ‘게놈 3차 구조’의 신규 원리 발견

국내 공동연구팀이 세포핵 내 3차원 게놈 구조 신규 생성 원리와 이를 조절하는 매개 인자를 발견했다.

지금까지 3차원 게놈 구조 연구로 세포핵 내 게놈이 계층적인 구조로 이루어져 있으며 각 구조가 다양한 유전자 발현 조절에 관여한다는 것을 밝혔다. 게놈 3차 구조는 암, 노화 등 다양한 복합질환에서 질환 특이적 유전자 발현과 밀접한 연관이 있다는 연구도 발표되고 있다.

하지만 기존 게놈 3차 구조는 비교적 관찰이 쉬운 염색체 내 상호작용에 대부분 국한되어 있었다. 더 큰 범위에서의 염색체 간 상호작용에 대해서는 연구가 거의 진행되지 않았다.

KAIST는 생명과학과 정인경 교수 연구팀이 서울대학교 기계공학과 신용대 교수 연구팀, 부산대학교 최정모 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 세포핵 내 3차원 게놈 구조 신규 생성 원리와 이를 조절하는 매개 인자를 개발했다고 10일 밝혔다.

생명과학과 주재건 석박사통합과정과 서울대 조성현 연구원이 주도한 이번 연구에서 연구팀은 행렬 분해기법이란 분석기법을 활용해 게놈 3차 구조 데이터로부터 염색체 간 상호작용 정보를 효과적으로 추출할 수 있는 신규 기계학습 알고리즘을 개발했으며 이를 DNA 이미징 기법을 통해 검증했다.

연구팀은 해당 분석 알고리즘을 이용해 여러 세포주의 염색체 간 상호작용 정보를 추출 및 분석했고 핵 스페클(핵 내 존재하는 막이 없는 구조체) 주위에 위치한 염색체 간 상호작용이 여러 세포에서 공통적으로 보존됨을 관찰했다.

또한 연구팀은 단백질 인식 염기서열(DNA motif) 분석을 통해 스펠클 주위 염색체 간 상호작용이 MAZ 단백질에 의해 매개됨을 최초로 발견했으며 단일세포 수준에서 염색체 간 상호작용이 세포마다 다르게 발생한다는 사실도 발견했다.

연구팀은 염색체 간 상호작용이 고정되어 있지 않으며 핵체와 게놈 지역 사이에 개별 상호작용을 통해 확률적으로 결정된다는 내용을 제시해 염색체 간 상호작용의 원리를 최초로 규명했다.

이번 연구는 기존에 알려지지 않았던 염색체 간 상호작용의 형성원리와 매개 인자인 MAZ 단백질의 역할을 밝힘으로써 더 큰 범위에서의 게놈 3차 구조에 대한 근본적인 원리 규명 단서를 제공했다는 점에서 큰 의의가 있다.

주재건 석박사통합과정은 “그동안 실험기법의 한계로 인해 가려져 있었던 염색체 간 상호작용 형성 원리를 밝혀낸 연구”라고 설명했다. 정 교수는 “향후 게놈 3차 구조에 따른 유전자 발현 조절 분야와 암 질환 등에서 빈번하게 보고되고 있는 염색체 변이 원인 규명 등에서 핵체(nuclear body)와 게놈 간 상호작용의 중요성을 이해할 수 있을 것으로 기대되는 성과”라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘핵산 연구(Nucleic acids research)’에 지난 5일 출판됐다.