세포의 특정한 역할을 규정하는 유전자 발현 과정에서 핵심 기능을 하는 단백질이 확인됐다.
연세대 의과대학은 김형표 환경의생물학교실 교수팀이 조원기 카이스트 생명과학과 교수팀과 세포 고유 기능을 결정하는 전사 상분리체 형성에서 CTCF 단백질의 역할을 규명했다고 23일 밝혔다.
신체를 구성하는 세포는 동일한 유전정보를 보유하는 동시에 고유 기능을 수행한다. 고유 기능을 가지려면 분화 과정에서 세포 정체성을 결정하는 유전자 발현이 필요하다. 이 때 ‘슈퍼-인핸서’(Super-enhancer)가 만드는 유전자는 세포 기능에 필수일 뿐 아니라 암, 발달장애 등 질병 발생에도 관여한다. 슈퍼-인핸서가 유전자 발생에 관여할 때는 RNA 중합효소 등 다양한 전사인자들이 참여하는데, 특히 슈퍼-인핸서에 붙어있는 단백질이 상분리를 통해 ‘전사 상분리체’를 형성하는 과정이 중요하다고 알려졌다. 상분리란 한 공간에서 농도가 다른 물질이 완전 분리되는 것을 말한다. 하지만 아직까지 전사 상분리체의 형성 과정에 영향을 미치는 요인에 관한 연구는 부족하다.
연구팀은 DNA 전사 복제를 조절하는 염색질 3차 구조가 슈퍼-인핸서의 기능을 제한한다는 사실에 착안, CTCF 단백질이 전사 상분리체에 미치는 영향을 검증했다. CTCF는 유전체의 나머지 부분과 이질 염색질을 분리하는 분자장벽의 중심부를 형성하는 CCCTC 결합인자로서 염색질의 3차 구조를 결정하는 데 핵심 역할을 한다. 연구팀은 DNA 내 염기서열을 교정하는 크리스퍼 가위를 이용해 세포에서 CTCF를 선택적으로 제거하고 상분리체를 만드는 개개의 단백질에 형광 물질을 부착해 초고해상도 현미경으로 관찰할 수 있는 세포주를 제작했다. 세포주는 생체 밖에서 배양해 실제와 동일한 세포집합을 의미한다.
염기서열분석 기술을 이용한 염색질 구조 분석과 초고해상도 형광이미징을 통해 실시간 상분리체를 관찰한 결과 CTCF 유무에 따라 유전자가 위치한 염색질 3차 구조가 변화하는 것을 확인했다. CTCF가 결정하는 염색질 3차 구조가 전사 상분리체 형성을 직접 조절한다는 것을 밝혀낸 것이다.
연구팀은 유전자 변이를 찾아내기 위한 1차원적 염기서열 분석, 전사 조절 부위 발굴을 위한 2차원적 후성유전학적 특성을 분석하는 수준에 머물던 유전자 연구의 패러다임이 빠르게 진화하고 있다고 평가했다. 이번 연구 결과는 옥스퍼드 대학에서 발간하는 핵산 연구(Nucleic Acids Research) 최신호에 게재됐다.
김형표 연세대 의대 교수는 “유전자가 존재하는 공간과 시간적 변화를 연구하는 4차원적 단계로 올라서고 있다”며 “이번 연구 결과는 개인의 유전적인 정보 등 생물학적 특성은 물론 유전자와 질병 간 연관성을 밝히는 열쇠가 될 것”이라고 말했다.
