암·노화 이끄는 3차원 유전자 구조 밝혔다

카이스트 연구팀, 행렬 분해기법 신규 개발
염색체 간 상호작용 원리 최초 규명 등 성과

국내 연구진이 암, 노화에 관련된 세포핵 내 3차원 게놈 구조를 밝혀냈다.

한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 정인경 생명공학과 교수 연구팀이 신용대 서울대 기계공학부 교수 연구팀, 최정모 부산대 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 세포핵 내 3차원 게놈 구조 신규 생성 원리와 이를 조절하는 매개 인자를 발견했다고 10일 밝혔다.

그림출처=KAIST

3차원 게놈 구조 연구를 통해 세포핵 내 게놈이 계층적인 구조로 이루어져 있으며 각 구조가 다양한 유전자 발현 조절에 관여한다는 것이 알려져 있다. 3차원 게놈 구조는 암, 노화 등 다양한 복합질환에서 질환 특이적 유전자 발현과 밀접한 연관이 있음이 최근 밝혀지고 있다. 하지만 비교적 관찰이 쉬운 염색체 내 상호작용에 대부분 국한되어 있었다. 더 큰 범위에서의 염색체 간 상호작용에 대해서는 관찰 실험기법의 한계로 인해 연구가 거의 진행되지 않았다.

연구팀은 행렬 분해기법이란 분석기법을 활용해 게놈 3차 구조 데이터로부터 염색체 간 상호작용 정보를 효과적으로 추출할 수 있는 신규 기계학습 알고리즘을 개발해 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. 또 단백질 인식 염기서열(DNA motif) 분석을 통해 스페클 주위 염색체 간 상호작용이 MAZ 단백질에 의해 매개됨을 최초로 발견했다. 단일세포 수준에서 염색체 간 상호작용이 세포마다 다르게 발생한다는 사실도 발견했다. 연구팀은 염색체 간 상호작용이 기존에 알려져 있던 것과 달리 고정되어 있지 않으며, 핵체와 게놈 지역 사이의 개별 상호작용을 통해 확률적으로 결정된다는 내용을 제시해 염색체 간 상호작용의 원리를 최초로 규명했다.

이번 연구 결과는 지난 5일 국제 학술지 '핵산 연구(Nucleic acids research, IF=19.16)'에 출판됐다.(논문제목: Probabilistic establishment of speckle-associated inter-chromosomal interactions)

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.

이번 연구를 주도한 주재건 카이스트 석박사통합과정생은 "그동안 실험기법의 한계로 인해 가려져 있었던 염색체 간 상호작용 형성 원리를 밝혀낸 연구"라고 설명했다. 정 교수도 "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.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr