암·노화에 영향 미치는 '염색체 3차 구조' 원리 발견

KAIST-서울대-부산대 공동연구팀

염색체 3차 구조의 신규 원리를 발견한 과정을 설명한 모식도. KAIST 제공

KAIST는 정인경 생명과학과 교수 연구팀이 신용대 서울대 기계공학부 교수 연구팀, 최정모 부산대 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 세포핵 내 염색체 3차 구조의 신규 생성 원리와 이를 조절하는 매개 인자를 발견했다고 10일 밝혔다.

핵 내 염색체가 형성하는 여러 단위의 구조들을 의미하는 염색체 3차 구조는 암과 노화 등 다양한 복합 질환을 유발하는 특이 유전자 발현과 밀접한 연관이 있다. 연구 결과는 국제학술지 ‘핵산 연구’에 5일 게재됐다.

최근 연구에 따르면 염색체 3차 구조는 핵 내 염색체가 핵 안에 무작위로 존재하는 것이 아닌 특정한 구조를 이루며 존재한다. 이러한 구조들은 정확한 유전자 발현 조절에 중요한 역할을 한다. 

기존 염색체 3차 구조는 비교적 관찰이 쉬운 염색체 내 상호작용에 대부분 국한돼 있었다. 더 큰 범위에서의 염색체 간 상호작용에 대해서는 관찰 실험기법의 한계로 인해 연구가 거의 진행되지 않았다.

이번 연구에서 연구팀은 행렬 분해기법이란 분석기법을 활용해 염색체 3차 구조 데이터로부터 염색체 간 상호작용 정보를 효과적으로 추출할 수 있는 신규 기계학습 알고리즘을 개발했다. 이를 DNA 이미징 기법을 통해 검증했다. 

나아가 연구팀은 해당 분석 알고리즘을 이용해 여러 세포주의 염색체 간 상호작용 정보를 추출, 분석했다. 이를 통해 핵 내 존재하는 막이 없는 구조체 ‘핵 스페클’의 주위에 위치한 염색체 간 상호작용이 여러 세포에서 공통적으로 보존됨을 관찰했다. 연구팀은 또 단백질 인식 염기서열 분석을 통해 스페클 주위 염색체 간 상호작용이 ‘MAZ 단백질’에 의해 매개됨을 최초로 발견했다.

연구팀은 단일세포 수준에서 염색체 간 상호작용이 세포마다 다르게 발생한다는 사실을 발견했다. 염색체 간 상호작용이 기존에 알려져 있던 것과 달리 고정돼 있지 않으며 핵체와 염색체 지역 사이의 개별 상호작용을 통해 확률적으로 결정된다는 내용을 제시했다. 이를 통해 염색체 간 상호작용의 원리를 최초로 규명했다는 설명이다.

연구팀은 “이번 연구는 기존에 알려지지 않았던 염색체 간 상호작용의 형성원리와 매개 인자인 MAZ 단백질의 역할을 밝혀 더 큰 범위에서의 염색체 3차 구조에 대한 근본적인 원리 규명 단서를 제공했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 말했다. 

이번 연구를 주도한 주재건 KAIST 석박사통합과정생은 "그동안 실험기법의 한계로 가려져 있던 염색체 간 상호작용 형성원리를 밝혀낸 연구”라고 설명했다. 정인경 KAIST 교수는 “향후 염색체 3차 구조에 따른 유전자 발현 조절 분야와 암 질환 등에서 빈번하게 보고되고 있는 염색체 변이 원인 규명 등에서 핵체와 염색체 간 상호작용의 중요성을 이해할 수 있을 것으로 기대되는 성과ˮ라고 연구 결과를 소개했다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]