식물 유전체 3차원 구조 더 자세히 살핀다

서울대

식물 모델을 사용해 식물 모델에서 새로운 3차원 유전체 기본 구조를 확인한 서필준 서울대 교수. 서울대 제공

국내 연구진이 식물 모델을 사용해 3차원 유전체 기본 구조가 개별 유전자 단위에서 형성되고 있음을 밝혀냈다. 기존에 알려진 것보다 더 작고 보편적인 유전체 단위에서 구조를 확인한 것이다.

서울대는 서필준 화학부 교수 연구팀이 애기장대에서 획득한 초고해상도 데이터를 활용해 자세한 3차원 유전체 구조를 확인했다고 5일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘핵산연구’에 지난달 16일 게재됐다. 

유전자 발현 조절의 핵심 요소인 3차원 유전체 구조의 기본 단위(TAD)를 밝히는 것은 학계의 과제였다. 앞서 동물 모델에선 3차원 TAD가 CTCF 단백질과 코헤신 단백질 복합체에 의해서 형성된다는 사실이 밝혀진 바 있다. 식물을 비롯한 일부 생물종에서는 TAD가 존재하지 않아 3차원 유전체 구조의 기본 단위 및 형성 원리에 대한 연구가 부족했다.
 

연구팀은 모델식물인 애기장대에서 유전자 지도작성 기술인 'Hi-C'를 통해 초고해상도 데이터를 획득했다. 이를 통해 지금까지 불가능했던 최고 해상도 분석인 단일 제한효소 절편 수준을 달성했다. 그 결과 기존에 관찰할 수 없었던 아주 작은 단위의 DNA 3차 폴딩구조를 발견했다.

새롭게 발견된 3차원 폴딩구조는 유전자를 경계로 형성되고 있었다. 이러한 구조는 전 식물 종에 걸쳐 광범위하게 보존돼 있었다. 연구팀은 발견한 유전자 단위의 3차원 폴딩구조를 ‘유전자 도메인’이라고 명명했다.
 
유전자 도메인의 형성은 다양한 후성유전학적 요인들 가운데 염색질 접근성과 밀접하게 연관돼 있는 것으로 나타났다. 연구팀은 염색질 리모델러에 의해 유전자 경계 지역의 염색질 접근성이 증가하는 것이 유전자 도메인 형성의 주요 요인임을 확인했다. 염색질 접근성이 높은 지역에 결합한 전사인자의 결합 빈도가 유전자 도메인 형성에 중요하다는 사실도 함께 규명했다.

유전자 도메인은 기본적으로는 개별 유전자 단위로 형성되지만 인접한 2-4개 유전자에 걸쳐서 형성되기도 했다. 연구팀은 개별 유전자를 경계로 계층적 구조를 형성하며 더 큰 단위의 3차원 구조를 만들어 낼 수 있음을 확인했다. 염색질 접근성 데이터를 기반으로 유전체 3차원 구조 시뮬레이션을 수행하였을 때, 염색질 접근성이 높은 유전자 경계를 기반으로 애기장대 3차원 유전체 구조가 형성되고 있다는 사실 또한 증명했다.

연구팀은 “유전자 도메인 형성은 다양한 식물 종에서 광범위하게 관찰됐다”며 “유전자 단위의 3차원 구조가 생물에 넓게 보존되어 있는 것으로 나타났다”고 말했다.

서울대 제공

[박정연 기자 hesse@donga.com]