세포핵 속 DNA, '물과 기름처럼' 분리된다
세포핵 속 DNA, '물과 기름처럼' 분리된다
  • 함예솔
  • 승인 2018.08.20 12:20
  • 조회수 4558
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DNA가 물과 기름처럼 분리된다고? 출처: Fotolia
DNA가 물과 기름처럼 분리된다고? 출처: Fotolia

세포핵 속 DNA를 전부 연결하면 약 2미터(m)정도 된다고 합니다. 엄청나게 긴 DNA가 무수히 접히고 말려서 세포핵에 들어가 있는데, 이곳에 물리학의 전유물이라 여겼던 '상분리' 현상이 일어난다는 설명입니다.

 

UNIST 생명과학부 김하진 교수는 세포핵 속 DNA가 마치 물과 기름처럼 분리되는 구조를 만들 수 있다는 'DNA 상분리(Phase Seperation)' 개념을 제시했습니다. 이는 기존 생물학과 다른 물리적인 원리로 DNA의 작동을 설명하는 건데요. 

 

세포에서는 당장 활용할 DNA 정보는 열린 구조로 만들어 쉽게 접근하게 하는 반면, 그렇지 않은 부분은 뭉쳐서 압축파일처럼 보관한다고 합니다. 그리고 두 가지 혹은 그 이상의 DNA 영역들이 분리된 공간을 만들어 세포가 효율적으로 사용할 수 있도록 합니다. 물리학에서는 이런 현상을 '상분리'라는 개념으로 다루는데요. 온도나 압력, 구성 분자 등이 달라지면서 고체, 액체, 기체 뿐 아니라 같은 액체 내에서도 물과 기름처럼 섞이지 않는 상들이 생기는 것이죠. 

 

그런데 최근 물, 단백질, 지질 등의 다양한 분자가 뒤섞여 있는 생체시스템에서도 흥미로운 상분리 현상들이 보고되고 있다고 합니다. 대표적으로 타우(Tau) 단백질들이 상분리된 방울을 만들어 알츠하이머를 일으킨다거나, RNA의 반복되는 서열이 상분리된 집합체를 만들어 헌팅턴 병을 일으킨다는 가설이 있습니다. 참고로 헌팅턴 병은 손발이 춤추듯 무의식적으로 움직이는 유전병으로 근육간의 조정 능력이 상실되고 인지능력의 저하와 같은 정신적인 문제를 동반하는 신경계 퇴행성 질환입니다. 

 

김하진 교수는 "상분리 현상이 DNA에서도 발생 한다는 걸 처음 제시한 연구"라며 "DNA 상분리가 유전자 발현과 줄기세포 분화 등 세포 활동을 결정지을 가능성을 분자 수준에서 보였다"고 밝혔습니다. 

 

DNA 뭉침에 대한 설명화 시뮬레이션. DNA 염기서열에 따라 뭉치는 힘이 변하는 모습을 보이고 있다. 출처:UNIST
DNA 뭉침에 대한 설명화 시뮬레이션. DNA 염기서열에 따라 뭉치는 힘이 변해요~ 출처:UNIST

DNA 상분리에는 정전기적인 힘이 작용한다고 합니다. 기본적으로 DNA는 강한 음전하(-)를 갖기 때문에 서로 밀어내는 힘이 강합니다. 그런데 특정 종류의 다가양이온(+)이 들어가면 서로 끌어당기며 DNA의 서열에 따라 달라진다고 합니다. 김하진 교수팀은 이 내용을 시뮬레이션으로 예측하고 실험으로 확인해 2016년 <Nature Communications>에 발표했습니다. 그리고 이번 연구에서는 그 원리가 폴리아민과 핵산 분자의 메틸기 사이의 상호작용 때문이라는 것을 실험적으로 증명했습니다.

 

DNA는 네 가지 염기로 이뤄지는데 반드시 아데닌-티민(Adenine-Thymine, AT), 구아닌-시토신(Guanine-Cytosine, GC)으로 짝을 지어 이중나선의 양측에 배열됩니다. 이 중 AT 쌍이 풍부하거나 연속해 나올수록 DNA 사이의 인력이 강해졌다고 합니다. 

 

김하진 교수는 "티민은 'C5 메틸기'라는걸 가지는데, 흥미롭게도 이걸 시토신에 더해주면 GC쌍이 마치 AT쌍처럼 강한 인력을 나타냈다"며 "시토신에 붙는 C5 메틸기는 후성유전학에서 가장 중요한 DNA의 화학변이라 후성 유전적인 염색체 구조 조절과 줄기세포 분화와의 연관을 기대해볼 수 있다"고 전했습니다. 

 

한편 이번 연구처럼, 최근 학계에서는 물리적인 원리로 유전을 비롯한 생명현상을 설명하려는 시도가 많아지고 있다고 합니다. 이에 김하진 교수는 "DNA 염기서열의 유정정보 뿐 아니라 이 서열에서 DNA의 공간적 배치를 조절하는 물리법칙을 찾아내 새로운 시야를 제공하는게 목표"라고 말했습니다. 이번 연구는 생물학 저널 <뉴클레익에시드 리서치>에 게재됐습니다. 
 



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