물에 기름방울 을 떨어뜨리게되면, 물과 기름방울을 섞이지 않고 경계면을 이루며 분리되어 나타난다. 이와 같이 특성이 다른 두 물질이 경계면을 이루며 분리되는 현상을 '상분리'라고 한다. 우리 몸 속에 존재하는 세포는 이러한 '상분리' 현상을 이용해서 여러가지 방울을 만들고, 이를 통해 세포 내부 활동을 조절하는 방법에 이용한다. 정확히 어떤 원리를 통해서 게놈을 조절하는 것일까?
먼저 이러한 기술의 작동원리를 파악하기 위해서, 유전자 발현의 기본적인 원리와 후성유전학에 대한 이해가 필요하다. 유전자의 발현은 기본적으로 transcription 과 translation 2단계를 거쳐서 일어난다. Transcription 즉 전사과정의 시작점에는 특수한 염기서열로 이루어진 프로모터가 있다. 프로모터는 RNA 중합효소가 DNA의 어느 지점에서 전사를 시작하여 어느 방향으로 진행할 것인지를 지시한다. 이 전사 개시점에서 이중나선 사슬이 풀리면서 전사가 시작된다. RNA 중합효소는 전사지시 구간의 오퍼레이터에 결합되어 DNA 사슬을 풀고 두 사슬 가운데 하나의 뉴클레오타이드와 상보성을 이루는 염기서열을 복제하여 mRNA를 만든다. 그 다음으로 이러한 mRNA에 tRNA와 붙어있는 아미노산을 통해서 amino acid chain이 형성된다. 이렇게 상보적인 관계를 통해서 protein이 형성되는 과정을 통해 Translation이 진행된다. 하지만 모든 Gene이 이렇게 발현되는 것은 아니다. 바로 후성유전이라는 요인을 고려해야한다.
후성유전학(epigenetics)은 DNA의 염기서열이 변화하지 않는 상태에서 이루어지는 유전자 발현의 조절인 후생유전적 유전자 발현 조절을 연구하는 학문이다. 이를 매개하는 분자적 수준의 이해는 아직 완벽하지 않지만, 일반적으로 CpG 염기서열 가운데 사이토신 염기에 특이적으로 일어나는 DNA 메틸화와 히스톤 단백질의 변형에 의해 조절되는 크로마틴 구조의 변화에 두 가지의 메커니즘(기제)이 주요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 첫 번째 메커니즘은 히스톤 단백질을 구성하는 아미노산의 번역 후에 일어나는 변형이다. 히스톤 단백질은 아미노산의 긴 사슬로 구성된다. 아미노산 사슬이 변경되는 경우, 히스톤의 형상이 변형 될 수도 있다. 두 번째 메커니즘은 DNA에 메틸기의 첨가이다. 이 과정은 대부분, CpG 부위에 있는 사이토신을 5-메틸사이토신으로 변환하며 일어난다. 5-메틸사이토신은 이중 가닥 DNA의 구아닌과 결합하여 일반 사이토신과 같이 작동한다. 그러나, 게놈의 일부 영역이 다른 것보다 더 많이 메틸화되고, 메틸화가 많이 일어난 부분은 전사가 억제된다.
그렇다면 '상분리 현상'을 어떻게 이용해야 후성유전학과 유전자의 발현과정에 변화를 주고 이를 통해서 게놈을 조절할 수 있을까? 신용대 서울대 기계항공공학부 교수팀은 클리프 브랭윈 미국 프린스턴대 교수팀과 함께 세포 내 상분리를 제어해 액체 방울으르 형성하고, 이를 이용해 게놈의 구조를 조절하는 새로운 기술을 개발했다. 이 연구의 기본적인 원리는 세포 내 단백질 분자의 특징을 조절하는 광유전학 기술과, 원하는 유전자를 정확히 찾아 내 교정할 수 있는 크리스퍼 유전자 가위(CRISPR-Cas9) 기술을 동시에 이용했다. 사람의 게놈 안에는 수 많은 유전자가 존재하는데 이를 읽고 발현하는 것을 조절하는 것이 후성유전이다. 따라서 이 기술은 이러한 후성유전과정을 '상분리 현상'을 이용해 조절한다. 세포에서는 특정 유전자를 읽고 발현하기위해서 여러가지 조절물질등이 이 과정에 이용된다.
이번 연구에서는 이러한 조절자 중 하나에 해당하는 IDP라는 단백질을 이용하여 유전자 발현에 영향을 주었다. 신 교수팀은 IDP 단백질을 분리해 마치 주머니처럼 액체 방울로 감싸고, 이를 자유자재로 게놈의 가운데 원하는 곳에 보낼 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술에는 ‘캐스드롭(CasDrop)’이라는 이름을 붙였다. 즉 CasDrop 기술을 통해서 유전체의 역학적 구조를 변화시킨다. 자세히 살펴보면 앞의 광유전학 기술을 이용해 타깃단백질을 설정 후 그에 해당하는 유전자를 찾고, CasDrop을 이용해 해당부분에 선별적인 액상 응집체를 형성한다. 액상 응집체가 형성되면 이에 따른 유전체의 변형이 이루어지고, 동적 구조 변화를 통해서 유전체와 역학적 상호작용을 이루어진다.
이와 같은 아이디어를 실험으로 실현시킨 결과 텔로미어와 액상 응집체 사이의 역학적 상호작용이 잘 나타났음을 볼 수 있다.
신 교수팀이 만든 이 액체 방울은 크기가 100㎚(나노미터. 1㎚는 10억 분의 1m) 크기로 매우 작다. 하지만 다양한 다른 생체 분자들을 포함할 수 있어 다양한 세포 활동을 조절할 수 있다. 실제로 캐스드롭 이용해 게놈을 교정하는 실험을 해본 결과, 마치 필터처럼 게놈의 특정 부위를 골라서 수정한다는 사실을 확인했다.
이러한 기술을 어떠한 분야에 이용될 수 있을까? 먼저 게놈의 조절을 화학적인 과정을 통한 조절이 아닌, 액체 방울의 역학적 상호작용을 이용해서 조절하는 새로운 개념의 방법을 이용하고 있다. 게놈의 조절을 통해서 유전자 발현을 조절하고 이를 세분화하고 정밀화 시키는 기술이 더 개발된다면 이러한 기술을 통해서 근본적인 유전자를 조작하는 기술이 아니라, 후성유전을 조절하는 기술을 통해서 결과적으로 유전자 발현을 조절할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 액체방울 응집체와 유전체 사이의 상호작용을 더 깊이 연구함으로써 아직까지 메커니즘이 확실하게 밝혀지지 않은 후성유전과정의 새로운 메커니즘을 찾을 수 있지 않을까 기대해 본다.
작성자: 김범준(17-021)
출처:
이미지, 후성유전학 개념 Wikipedia https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%9B%84%EC%84%B1%EC%9C%A0%EC%A0%84%ED%95%99
신용대 교수팀 연구
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)30239-3?code=cell-site
ARTICLE| VOLUME 173, ISSUE 4, P934-945.E12, MAY 03, 2018