세포 내 염색체 형성 원리의 난제 해결: DNA 루프 형성 방향성 규명

[연구필요성]

인간의 세포 하나에는 2미터나 된는 DNA가 마이크로미터의 아주 작은 크기의 염색체로 응축이 됩니다. 이 기작은 생명현상에 가장 기본적인 현상이고, 콘덴신 (condensin) 단백질은 세포 내에서 긴 DNA를 아주 작은 염색체 구조로 형성 시키는데 핵심적인 역할을 하는 단백질입니다. 이 기작이 잘못 되면, 코넬리아 데 랑제 신드롬 또는 각종 암이 생기게 됩니다. 콘덴신은 DNA의 루프를 형성하고, DNA를 ATP 가수분해 연료를 사용하여, 한쪽 방향토토사이트 러쉬 잡아당겨서, 루프를 쭉 길게 뽑아내는 것토토사이트 러쉬 알려져 있습니다. 이렇게 만들어진 루프들이 모여서 염색체의 구조를 생성합니다. 여기 루프가 길게 뽑힐 때, 가장 중요한 원리는 루프들이 항상 길어지는 방향토토사이트 러쉬 작용하며, 수축하는 방향토토사이트 러쉬 작용하지 않는다는 것입니다. 수축하는 방향토토사이트 러쉬 작용하게 되면, 루프가 제대로 만들어질 수 없어서 염색체를 형성할 수 없게 됩니다. 하지만, 이 어떻게 콘덴신이 DNA 루프가 길어지는 방향토토사이트 러쉬만 작용하는지를 설명할 수 있는 분자기작은 전혀 밝혀지지 않았습니다. 이 분자기작은 2미터의 긴 DNA가 마이크로미터 크기의 아주 작은 염색체로 형성되는지의 원리를 이해 하는데 아주 중요한 문제라고 할 수 있습니다.

우리 몸의 세포 하나에는 무려 2미터 길이의 DNA가 들어 있습니다. 이처럼 긴 DNA는 세포 속 단 몇 마이크로미터 크기의 염색체 안에 질서 정연하게 접혀 들어가 있어야 합니다. 이 정교한 정리 과정은 생명이 유지되기 위한 가장 기본적인 생명현상이며, 이 과정을 돕는 핵심 분자가 바로 ‘콘덴신(condensin)’ 단백질 복합체입니다.

콘덴신은 DNA를 고리(loop) 형태로 감고, 이를 한 방향으로 끌어당기며 루프를 점차 길게 만드는 방식으로 염색체를 조직화합니다. 이렇게 만들어진 루프들이 차곡차곡 쌓이며 고차원적인 염색체 구조가 형성되는 것입니다. 중요한 점은, 이 루프들이 반드시 '길어지는 방향'으로만 자라야 한다는 것입니다. 만약 반대로 작동해 루프가 줄어들거나 뒤섞이면 염색체는 제대로 만들어질 수 없고, 세포 내 유전체 정렬에 혼란이 생깁니다. 실제로, 콘덴신의 기능이 제대로 이루어지지 않으면 코넬리아 드 랑게 증후군과 같은 희귀 유전질환이나, 염색체 불안정성과 관련된 암이 발생할 수 있습니다.

지금까지는 왜 콘덴신이 루프를 항상 일정한 방향토토사이트 러쉬만 길게 뽑아낼 수 있는지, 그 분자 수준의 작동 원리는 알려지지 않았습니다. 이번 연구는 이 오래된 미스터리를 분자 단위에서 처음토토사이트 러쉬 풀어냈으며, 생명체가 어떻게 2미터가 넘는 DNA를 정확하게 접어 염색체로 응축하는지를 이해하는 데 있어 결정적인 단서를 제시합니다. 이는 동시에 유전체 이상토토사이트 러쉬 발생하는 다양한 질환을 이해하고 치료 전략을 세우는 데 중요한 기반이 될 것토토사이트 러쉬 기대됩니다.

[연구성과/기대효과]

토토사이트 류제경 교수 연구팀은 원자힘 현미경 (AFM) 실험과 영국 에딘버러 대학의 Davide Micheletto 박사팀의 분자 동역학 시뮬레이션 (MD simulation) 공동연구를 통하여 콘덴신에 의해서 DNA 루프가 길어지는 방향토토사이트 러쉬 뽑아지는 원리를 규명하였습니다. 본 연구단에서는 원자 힘 현미경 (AFM)을 사용하여 콘덴신 단백질이 DNA에 수직 방향토토사이트 러쉬 붙고, 또 수직을 중심토토사이트 러쉬 30도 각도 범위 내에서, 구조 변화를 하는 것을 발견하였고, 그 구조변화의 방향성의 분포가 DNA 루프를 단방향토토사이트 러쉬 뽑아내는데 결정적인 역할을 한다는 것을 발견하였습니다. 본 결과는 모든 생명체의 염색체 형성 원리를 이해하는데 크게 기여할 것토토사이트 러쉬 보이고, 이 현상과 관련된 암, 발달 장애 등와 같은 질병 연구 및 치료에도 크게 공헌할 것토토사이트 러쉬 여겨집니다. 본 결과는 핵산 연구의 최고 학술지인 Nucleic Acids Research 저널에 실리게 되었고, 이 저널에서 1-2 % 논문만 선정하는 올해의 breakthrough 논문의 영예를 얻게 되었습니다.

41네비게이션

콘덴신 단백질의 작동 원리:

이번 연구에서는 콘덴신 단백질 복합체가 DNA를 감아 염색체 구조를 형성하는 과정에서, ATP를 연료로 DNA 루프를 뽑아내는 작용(loop extrusion) 중 어떻게 특정 방향성을 유지하며 루프를 형성하는지를 분자 수준에서 규명하였습니다. 콘덴신은 세포 내 염색체 구조를 조직화하는 데 핵심적인 역할을 하는 단백질 복합체로, DNA를 고리 형태로 감싸며 루프를 형성하는 것토토사이트 러쉬 알려져 있습니다. 이번 실험에서는 원자힘 현미경(AFM)을 통해, 콘덴신의 힌지 부위가 DNA에 수직한 방향을 중심토토사이트 러쉬 약 ±30도 범위 내에서만 새로운 DNA 영역을 탐색한다는 사실을 확인하였습니다. 또한, 초고속 원자힘 현미경(HS-AFM)을 활용해 힌지 도메인의 실시간 움직임을 나노미터 해상도로 영상화하였고, 이 데이터를 기반토토사이트 러쉬 수행한 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 통해, 이러한 비대칭적인 탐색 범위가 루프를 자발적토토사이트 러쉬 한 방향토토사이트 러쉬만 자라게 만드는 핵심 요인임을 입증하였습니다. 이러한 구조적 제약은 콘덴신이 세포 분열 시 유전체를 정확히 응축하고 정렬하는 데 필수적인 작용 원리이며, 유전체를 물리적토토사이트 러쉬 조직화하는 생명 현상의 근본적인 메커니즘을 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다.

DNA의 루프가 길어지는 방향을 결정하는 콘덴신의 작동 원리

이번 연구에서는 실험 결과를 바탕토토사이트 러쉬, 콘덴신이 DNA 루프를 형성할 때 어떻게 방향성이 자발적토토사이트 러쉬 만들어지는지를 설명하는 새로운 작동 모델을 제안했습니다. 연구진이 제안한 모델에 따르면, 콘덴신의 특정부위는 DNA를 ‘안전벨트’ 방식토토사이트 러쉬 고정하고, 힌지 도메인은 결합된 DNA에 대해 수직 방향을 중심토토사이트 러쉬 좌우 약 30도(총 60도)의 좁은 각도 범위 내에서만 새로운 DNA를 탐색합니다. 이 상태에서 ATP가 결합하면 콘덴신의 구조가 변형되어 포착된 DNA가 헤드 쪽토토사이트 러쉬 당겨지고, 이후 ATP가 가수분해되며 새로운 루프가 형성됩니다. 이 과정을 분자 동역학(MD) 시뮬레이션토토사이트 러쉬 구현하기 위해, 힌지가 탐색할 수 있는 영역을 수직 방향의 3차원 구면 부채꼴(truncated spherical sector) 형태로 제한하였습니다. 그리고 이 영역 안에 존재하는 가까운 DNA 조각이 감지되면, 힌지가 해당 DNA를 포착해 루프를 연장하게 됩니다. 시뮬레이션 결과, 루프가 짧을수록 DNA가 포착될 확률이 높은 쪽은 루프 외부에 해당하는 방향이며, 그에 따라 루프가 길어지는 방향의 움직임이 더 자주 발생함을 확인할 수 있었습니다. 이러한 결과는 콘덴신이 자발적토토사이트 러쉬 방향성을 띠며 루프를 뽑아내는 기작을 분자 수준에서 설명해 줍니다.

4국제교육프로그램

Spontaneously directed loop extrusion in SMC complexes emerges from broken detailed balance and anisotropic DNA search

Andrea Bonato, Jae-Won Jang, Do-Gyun Kim, Kyoung-Wook Moon, Davide Michieletto, Je-Kyung Ryu
(Nucleic Acids Research, https://doi.org/10.1093/nar/gkaf725)

이번 연구에서는 콘덴신이 세포 에너지인 ATP를 이용해 DNA 루프를 형성할 뿐만 아니라, 그 루프가 특정한 방향토토사이트 러쉬 자라도록 만드는 원리가 단백질의 구조적 특성과 동역학에 의해 결정된다는 사실을 밝혀냈습니다. 특히, 콘덴신의 힌지 도메인이 기하학적토토사이트 러쉬 제한된 범위 내에서만 DNA를 탐색한다는 점을 실험과 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 규명하였고, 이러한 구조적 비대칭성과 운동의 제약이 루프 형성 과정에 방향성을 부여한다는 새로운 원리를 제시하였습니다. 이처럼 콘덴신의 작동 메커니즘을 분자 수준에서 정량적토토사이트 러쉬 이해함토토사이트 러쉬써, 염색체 구조 유지와 유전체 안정성을 지탱하는 핵심 물리 원리에 대해 중요한 통찰을 제공하였습니다.

콘덴신이 어떻게 방향성을 갖고 DNA 루프를 형성하는지는 오랫동안 밝혀지지 않은 이 분야의 핵심 난제 중 하나였습니다. 본 연구는 그 기작을 규명함토토사이트 러쉬써, 분야 최고 저널인 Nucleic Acids Research에 투고 되었고, 또 이 저널의 편집자 및 심사위원단토토사이트 러쉬부터 연간 전체 투고의 상위 약 1–2% 이내 논문에만 주어지는 Breakthrough Article로 선정되는 성과를 이루었습니다.

[그림설명]

콘덴신 단백질의 작동 과정 요약: 콘덴신은 DNA를 고리처럼 감아 루프 구조를 만들고, 이를 통해 염색체의 모양을 만들어냅니다. 연구에 따르면, 콘덴신은 DNA에 비대칭적으로 결합하고, 특정한 방향으로만 고리를 만들어 가는 것이 특징입니다. 먼저 콘덴신의 한쪽 부위가 DNA를 단단히 붙잡으면, '힌지'라고 불리는 것이 지게차의 포크처럼 특정 방향으로 뻗어 DNA를 끌어당깁니다. 이후, 세포 에너지인 ATP가 결합하면 구조가 변형되며 힌지가 잡은 DNA를 끌어당기게 되고, 이 과정에서 새로운 루프가 형성됩니다. 이렇게 콘덴신은 한 방향으로만 고리를 하나씩 늘려가며 염색체 구조를 형성하게 됩니다. 세포 안에서는 이 작용이 반복되면서 염색체가 정확하게 정돈되고, 세포가 제대로 분열할 수 있게 됩니다. 이번 발견은 우리 몸 속 분자 기계가 얼마나 정교하게 작동하는지를 보여주는 사례로, 향후 유전 질환이나 암과 관련된 연구에도 중요한 단서를 제공할 것으로 기대됩니다.

초고속 액상 원자힘 현미경토토사이트 러쉬 본 콘덴신 구조 전환 콘덴신은 힌지가 헤드 부분과 멀리 떨어졌다가 다시 가까워지는 두 개의 상태의 변화를 관찰했습니다.