백트레킹(BACKTRACKING), 새로운 유전자 제어 방법

 

DNA를 읽는 효소가 유전자를 따라 거꾸로 움직일 때

유전자가 켜지는 시기를 조절하는 데 도움이 될 수 있다는 사실을 발견

 

 

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인체의 약 30조 개에 달하는 세포는 모든 유전자를 한꺼번에 켜지 않아도 됩니다. 대신 세포는 유전자의 활동을 엄격하게 제어하는데, 최근 과학자들은 이전에는 알려지지 않았던 새로운 방법을 발견했습니다.

 

인간의 DNA에는 약 20,000~25,000개의 유전자가 포함되어 있습니다. 세포가 제대로 기능하려면 해당 DNA의 유전 암호가 RNA 중합 효소라는 효소에 의해 복사 또는 전사되어 RNA라는 분자를 만들어야 합니다. 그런 다음 RNA는 종종 생명의 구성 요소인 단백질로 번역됩니다. 세포의 종류와 발달 단계 등 어떤 유전자를 켜야 하는지를 결정하는 요인은 무수히 많습니다.

 

2월에 분자 세포 저널에 발표된 최근 연구에서는 세포가 유전자를 제어하는 새로운 방법을 설명합니다. 백트래킹이라고 불리는 이 기능은 처음에는 DNA의 단절에 대한 반응으로 생각되었지만, 현재는 유전자 조절에서의 역할에 대해 연구되고 있습니다.

 

1997년에 발견된 백트래킹은 RNA 중합 효소가 유전자를 읽을 때 DNA를 따라 앞으로 이동하는 대신 뒤로 이동하여 일시 정지하는 과정입니다. 이 멈춤이 해결되면 효소는 다시 앞으로 이동하여 RNA를 생성할 수 있습니다.

 

"초창기 사람들은 RNA 중합효소가 전사를 시작하면 아무런 문제 없이 끝날 것이라고 생각했습니다."라고 NYU 랭곤 헬스의 생화학 교수인 에브게니 누들러는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 말했습니다. "그러나 수년에 걸쳐 그들은 그림이 훨씬 더 복잡하다는 것을 깨달았습니다." 누들러와 동료들은 1997년에 역추적에 관한 첫 번째 논문을 발표했습니다.

 

RNA 중합효소가 짧은 거리를 역추적하면 새로 형성된 RNA 한 가닥이 돌출되어 전사 과정이 일시 정지됩니다. 이렇게 돌출된 RNA는 일반적으로 효소에 의해 잘려서 RNA 중합 효소가 다시 앞으로 나아갈 수 있는 길을 열어줍니다.

 

그러나 때때로 중합 효소가 더 먼 거리로 이동하고 돌출된 RNA가 절단 효소가 일반적으로 자르는 부위를 차단합니다. 이 장애물이 있으면 중합 효소는 잠시 멈추는 대신 더 오랜 시간 동안 역추적 상태에 머물러 있게 됩니다.

 

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누들러 연구실의 박사 과정 학생인 케빈 양과 동료들은 지속적인 백트래킹으로 돌출된 RNA 가닥을 포착하는 새로운 기술을 개발했습니다. 장거리 절단 시퀀싱 또는 LORAX-seq이라고 하는 이 기술은 RNA의 코드를 판독하여 어떤 유전자가 전사 과정에서 이러한 명백한 딸꾹질을 일으키기 쉬운지 알아냅니다. 연구팀은 역추적 이벤트를 더 잘 감지하기 위해 이 방법을 개발했으며, 이전 방법으로는 놓칠 수 있었던 수천 개의 유전자를 찾아낼 수 있었습니다.

 

연구에 참여하지 않은 콜로라도 대학교의 데이비드 벤틀리 교수는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 "그들은 매우 정교한 방법을 통해 오랜 역추적이 있었던 사례를 매우 구체적으로 골라내고 식별합니다."라고 말했습니다. "따라서 매우 드문 경우라도 이를 찾아낼 수 있는 매우 강력한 방법이 있습니다."

 

"우리는 처음으로 역추적 이벤트를 체계적으로 매핑했습니다."라고 Nudler는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 말했습니다. "그리고 단순한 역추적 이벤트뿐만 아니라 중합효소가 장거리 역추적하여 오랫동안 멈춰 있는 광범위한 이벤트도 찾아냈습니다."

 

연구팀은 역추적 이벤트를 발견할 것으로 예상했지만, 얼마나 널리 퍼져 있을지는 예상하지 못했습니다. 연구팀은 RNA로부터 단백질을 만들고, 세포 분열을 조절하고, DNA를 복사하고 포장하는 데 관여하는 많은 유전자에서 역추적을 관찰했습니다.

 

지속적인 역추적의 핫스팟은 RNA 중합 효소가 전사를 시작하는 위치인 유전자 프로모터와 단백질 생성에 필요하지 않은 부분을 제거하기 위해 RNA를 잘라내는 스플라이스 부위 근처에서 나타났습니다.

 

 

그렇다면 백트래킹의 역할은 정확히 무엇일까?

연구진은 흥미로운 이론을 제안합니다: 백트래킹은 유전자 전사에 필요한 수백 개의 다른 단백질과 함께 RNA 중합 효소가 프로모터에서 "일시 정지"한 다음 필요성이 발생하면 즉시 RNA를 펌핑하기 시작할 수 있도록 도와줍니다. 세포 분열과 같이 대량의 단백질이 필요한 과정에서 백트래킹을 사용하면 한 순간에 유전자를 빠르게 활성화할 수 있습니다.

 

하지만 벤틀리는 "백트래킹과 스플라이싱의 관계는 아직 해결되지 않은 문제"라고 지적했습니다. 따라서 백트래킹이 스플라이스 부위에서 어떤 역할을 하는지 여부는 불분명합니다.

 

연구진은 또한 히스톤을 암호화하는 유전자(DNA가 스풀처럼 감기는 단백질)가 백트래킹에 매우 취약하다는 사실도 관찰했습니다. 이러한 유전자는 세포 분열 과정에서 DNA가 스스로를 복사한 후에 매우 활성화되어야 하므로 이러한 백트래킹을 통해 특정 시점에 활성화되는 시간을 맞추는 데 도움이 될 수 있습니다.

 

백트래킹을 감지하는 새로운 방법으로 확립된 LORAX-seq은 이제 암, 노화, 더 넓게는 세포가 스트레스를 받는 모든 과정에서 이러한 유형의 유전자 조절이 어떤 역할을 하는지 연구하는 데 사용될 수 있습니다.

 

 

 

 

출처.

Scientists just discovered a new way cells control their genes — it's called 'backtracking'