뉴스 | Penn 생물학자들, 반복 DNA와 결합 단백질 사이의 양방향 유전적 군비 경쟁을 처음으로 밝혀
유전 암호 깊은 곳에서 대부분 간과되어 온 분자 수준의 갈등이 진행되고 있다. University of Pennsylvania 연구팀은 Current Biology에 위성 DNA라는 반복적 게놈 서열과 이에 결합하는 단백질이 지속적인 양방향 진화적 군비 경쟁을 벌인다는 최초의 실험적 증거를 보고했다. 이 발견은 이른바 정크 DNA에 대한 전통적인 관점에 이의를 제기하며, 암과 난임을 비롯한 건강 문제에 대한 새로운 설명을 제시할 수 있다.
이번 연구는 Penn School of Arts & Sciences 생물학과 조교수 Mia Levine이 이끌었으며, 박사후연구원 Cara Brand가 첫 저자로 참여했다.
정크 DNA가 아니라 잠재적인 위험의 원천일까?
위성 DNA는 단백질을 암호화하지 않아 오랫동안 게놈의 잡음이나 진화의 잔재로 여겨졌다. 그러나 Levine은 축적되는 증거를 보면 이러한 반복 서열이 염색체 구조, 세포 분열 및 기타 필수 과정에서 중요한 역할을 한다고 지적했다. 조절 기능이 상실되면 게놈 불안정성, 암, 생식 장애를 비롯한 심각한 결과가 발생할 수 있다.
Levine은 “우리는 보통 게놈을 모든 부분이 생명을 유지하기 위해 협력하는 체계로 본다. 하지만 일부 요소는 이기적이다. 이들은 협력하지 않으며 전체 체계를 방해할 수도 있다”고 말했다.
종간 실험에서 불일치로 인한 생식 손상이 드러나
위성 DNA와 결합 단백질이 진화 과정에서 서로 균형을 이루는지 확인하기 위해 연구팀은 가까운 종 관계에 있는 초파리 두 종, Drosophila melanogaster와 Drosophila simulans를 연구했다. 첫 번째 종에는 11백만 염기쌍에 걸친 거대한 위성 서열이 있지만, 두 번째 종에는 이 서열이 완전히 없다.
CRISPR/Cas9를 이용해 연구진은 Drosophila simulans의 위성 DNA 결합 단백질 MH(Maternal Haploid) 유전자를 Drosophila melanogaster에 도입했다. 변형된 초파리는 일부 배아를 여전히 만들 수 있었지만, 난소가 제대로 발달하지 않았고 난자 생산이 급격히 감소했으며 생식력이 크게 떨어졌다. MH 유전자가 완전히 없을 때는 초파리가 번식하지 못했고 배아가 사망했다.
중요한 점은 위성 DNA 서열이 결여된 Drosophila melanogaster 돌연변이체에서 유전자 도입을 시행했을 때 모든 부작용이 사라지고 난소 발달이 정상으로 돌아왔다는 것이다. 이는 핵심 문제가 MH와 낯선 위성 DNA 사이의 불일치임을 보여준다.
분자 기전 확인: DNA 복구 경로가 잘못 방해받아
연구팀은 MH 단백질의 인간 상동 단백질인 Spartan을 조사했다. Spartan은 DNA 포장을 방해하는 단백질을 분해하며, MH도 유사한 역할을 한다. MH가 Drosophila melanogaster의 위성 DNA와 맞지 않을 때 필수 복구 효소인 Topoisomerase II(Top2)를 잘못 분해해 DNA 손상과 생식 기능 장애를 일으켰을 수 있다.
Top2 발현을 유전적으로 증가시키자 생식력이 회복되었고, Top2을 낮추자 손상이 악화되었다. 이는 MH와 위성 DNA의 상호작용이 DNA 복구 경로와 관련되어 있음을 확인했다.
Brand는 “이 복구 기전은 효모부터 인간까지 존재하며 진화를 거치면서 고도로 보존되어 왔다. 하지만 그 단백질들은 여전히 빠르게 진화하고 있다. 이는 핵심적인 분자 기전조차 기본 기능을 유지하기 위해 계속 변화한다는 의미다”라고 말했다.
초파리를 넘어선 의미: 인간 게놈도 유사한 내부 갈등에 직면할 수 있어
Levine은 “이러한 진화적 경쟁은 결코 초파리에게만 국한되지 않는다. 인간과 영장류에서도 유사한 빠른 진화가 일어난다. 우리는 이러한 유전적 갈등이 인간 건강에 매우 중요하다고 본다”고 말했다.
Spartan 돌연변이는 암과 관련이 있으며, 조절이 잘못된 위성 DNA는 염색체 분리 오류와 배아 이수성을 일으켜 유산과 난임으로 이어질 수 있다. Levine은 많은 유산의 원인이 여전히 밝혀지지 않았으며 위성 DNA가 게놈 불안정성의 원인으로 충분히 연구되지 않았다고 지적했다.
연구팀은 다음 단계로 다른 게놈 영역도 이러한 숨은 갈등에 관여하는지 조사하고, 포유류에서 유사한 기전을 재현하려고 시도할 예정이다.
뉴스 | 펜실베이니아대학교 생물학자들, 반복 DNA와 결합 단백질 사이의 양방향 유전적 군비 경쟁을 최초로 밝혀내다
뉴스 | Penn 생물학자들, 반복 DNA와 결합 단백질 사이의 양방향 유전적 군비 경쟁을 처음으로 밝혀
유전 암호 깊은 곳에서 대부분 간과되어 온 분자 수준의 갈등이 진행되고 있다. University of Pennsylvania 연구팀은 Current Biology에 위성 DNA라는 반복적 게놈 서열과 이에 결합하는 단백질이 지속적인 양방향 진화적 군비 경쟁을 벌인다는 최초의 실험적 증거를 보고했다. 이 발견은 이른바 정크 DNA에 대한 전통적인 관점에 이의를 제기하며, 암과 난임을 비롯한 건강 문제에 대한 새로운 설명을 제시할 수 있다.
이번 연구는 Penn School of Arts & Sciences 생물학과 조교수 Mia Levine이 이끌었으며, 박사후연구원 Cara Brand가 첫 저자로 참여했다.
정크 DNA가 아니라 잠재적인 위험의 원천일까?
위성 DNA는 단백질을 암호화하지 않아 오랫동안 게놈의 잡음이나 진화의 잔재로 여겨졌다. 그러나 Levine은 축적되는 증거를 보면 이러한 반복 서열이 염색체 구조, 세포 분열 및 기타 필수 과정에서 중요한 역할을 한다고 지적했다. 조절 기능이 상실되면 게놈 불안정성, 암, 생식 장애를 비롯한 심각한 결과가 발생할 수 있다.
Levine은 “우리는 보통 게놈을 모든 부분이 생명을 유지하기 위해 협력하는 체계로 본다. 하지만 일부 요소는 이기적이다. 이들은 협력하지 않으며 전체 체계를 방해할 수도 있다”고 말했다.
종간 실험에서 불일치로 인한 생식 손상이 드러나
위성 DNA와 결합 단백질이 진화 과정에서 서로 균형을 이루는지 확인하기 위해 연구팀은 가까운 종 관계에 있는 초파리 두 종, Drosophila melanogaster와 Drosophila simulans를 연구했다. 첫 번째 종에는 11백만 염기쌍에 걸친 거대한 위성 서열이 있지만, 두 번째 종에는 이 서열이 완전히 없다.
CRISPR/Cas9를 이용해 연구진은 Drosophila simulans의 위성 DNA 결합 단백질 MH(Maternal Haploid) 유전자를 Drosophila melanogaster에 도입했다. 변형된 초파리는 일부 배아를 여전히 만들 수 있었지만, 난소가 제대로 발달하지 않았고 난자 생산이 급격히 감소했으며 생식력이 크게 떨어졌다. MH 유전자가 완전히 없을 때는 초파리가 번식하지 못했고 배아가 사망했다.
중요한 점은 위성 DNA 서열이 결여된 Drosophila melanogaster 돌연변이체에서 유전자 도입을 시행했을 때 모든 부작용이 사라지고 난소 발달이 정상으로 돌아왔다는 것이다. 이는 핵심 문제가 MH와 낯선 위성 DNA 사이의 불일치임을 보여준다.
분자 기전 확인: DNA 복구 경로가 잘못 방해받아
연구팀은 MH 단백질의 인간 상동 단백질인 Spartan을 조사했다. Spartan은 DNA 포장을 방해하는 단백질을 분해하며, MH도 유사한 역할을 한다. MH가 Drosophila melanogaster의 위성 DNA와 맞지 않을 때 필수 복구 효소인 Topoisomerase II(Top2)를 잘못 분해해 DNA 손상과 생식 기능 장애를 일으켰을 수 있다.
Top2 발현을 유전적으로 증가시키자 생식력이 회복되었고, Top2을 낮추자 손상이 악화되었다. 이는 MH와 위성 DNA의 상호작용이 DNA 복구 경로와 관련되어 있음을 확인했다.
Brand는 “이 복구 기전은 효모부터 인간까지 존재하며 진화를 거치면서 고도로 보존되어 왔다. 하지만 그 단백질들은 여전히 빠르게 진화하고 있다. 이는 핵심적인 분자 기전조차 기본 기능을 유지하기 위해 계속 변화한다는 의미다”라고 말했다.
초파리를 넘어선 의미: 인간 게놈도 유사한 내부 갈등에 직면할 수 있어
Levine은 “이러한 진화적 경쟁은 결코 초파리에게만 국한되지 않는다. 인간과 영장류에서도 유사한 빠른 진화가 일어난다. 우리는 이러한 유전적 갈등이 인간 건강에 매우 중요하다고 본다”고 말했다.
Spartan 돌연변이는 암과 관련이 있으며, 조절이 잘못된 위성 DNA는 염색체 분리 오류와 배아 이수성을 일으켜 유산과 난임으로 이어질 수 있다. Levine은 많은 유산의 원인이 여전히 밝혀지지 않았으며 위성 DNA가 게놈 불안정성의 원인으로 충분히 연구되지 않았다고 지적했다.
연구팀은 다음 단계로 다른 게놈 영역도 이러한 숨은 갈등에 관여하는지 조사하고, 포유류에서 유사한 기전을 재현하려고 시도할 예정이다.
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