Histone H3K9 methylation and Heterochromatin Protein 1 do not limit DNA accessibility in living S. pombe cells

모든 살아있는 세포 내부에서, 유전 암호는 자유롭게 떠다니는 것이 아니라 단백질 실타래에 단단히 감겨 '크로마틴'이라는 복잡한 물질을 형성합니다. 이러한 포장은 두 가지 목적을 수행합니다. DNA의 긴 가닥을 보호하는 것과, 유전 지침서의 어느 부분을 특정 순간에 읽을 수 있는지 제어하는 것입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 감기는 과정이 일종의 문지기 역할을 한다고 가정해 왔으며, 특히 헤테로크로마틴(heterochromatin)이라 알려진 영역에서 그러하다고 보았습니다. 헤테로크로마틴은 게놈 내에서 매우 빽빽하게 밀집된 구역으로, 흔히 단백질 실타래에 붙은 화학적 표식과 특정 단백질들에 의해 결합되어 있습니다. 기존에는 이들이 DNA를 너무 단단히 잠가버려 세포 기구가 그곳에 도달할 수 없게 만든다고 생각되었습니다. 이러한 '봉쇄된 영역'이라는 개념은 세포가 어떻게 유전자를 조절하는지를 이해하는 데 핵심적이었으며, 이는 화학적 표식과 결착 단백질의 주요 역할이 DNA에 대한 접근을 물리적으로 차단하는 것이라고 시사했습니다.

연구자들은 인간과 출아 효모를 포함한 다양한 생물체를 대상으로 이 현상을 오랫동안 연구해 왔으며, 분리된 세포 핵으로부터 얻은 증거들은 헤테로크로마틴이 실제로 진입 장벽 역할을 한다는 견해를 뒷받침해 왔습니다. 그러나 한 과학자 팀은 이 빽빽하게 밀집된 영역을 연구하기 위한 강력한 모델인 단세포 생물인 분열 효모에 주목했습니다. 이 효모에서 헤테로마틴은 히스톤 단백질의 특정 화학적 변형과 HP1이라 불리는 결합 단백질의 존재로 정의됩니다. 기존 이론은 이러한 특징들이 함께 작용하여 DNA를 봉쇄하고 접근을 막는다고 주장했습니다. 연구진은 이 모델이 정적인 샘플이 아닌, 살아 움직이는 세포 내에서도 유효한지 테스트하기 위해 생체 내에서 DNA의 접근성을 직접 조사하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 특정 효소를 활성화하여 DNA를 변형할 수 있는 시스템을 도입함으로써, 이 효소가 실시간으로 게놈의 서로 다른 부분에 얼마나 쉽게 도달할 수 있는지를 측정할 수 있게 했습니다.

실험 결과는 화학적 표식과 결합 단백질이 물리적인 벽 역할을 한다는 오랜 믿음에 도전했습니다. 과학자들이 살아있는 분열 효모 세포 내의 DNA를 측정했을 때, 빽빽하게 밀집된 헤테로크로마틴이 게놈의 더 느슨하게 결합된 영역만큼이나 개방적이고 접근 가능함을 발견했습니다. 심지어 염색체가 세포의 내부 골격에 부착되는 특수 구역인 센트로미어(centromere)조차도 이 생물체 내에서는 완전히 접근 가능한 상태였습니다. 이는 센트로미어가 종종 접근 불가능한 것으로 나타나는 다른 종들의 결과와 대조됩니다. 이 연구는 살아있는 분열 효모에서 화학적 표식과 결합 단백질이 DNA로 가는 문을 막음으로써 기능하는 것이 아님을 시사합니다. 대신, 게놈은 전역적으로 역동적이며, 국소적인 포장 방식에 관계없이 기구가 거의 모든 부분의 DNA에 도달할 수 있는 것처럼 보입니다.

하지만 연구진이 동일한 세포를 파쇄하여 핵을 분리한 후 관찰했을 때 이야기는 달라졌습니다. 이렇게 분리된 샘플에서는 크로마틴이 매우 접근 불가능해졌으며, 전통적인 모델이 예측한 대로 행동했습니다. 연구진은 이러한 변화가 화학적 표식이나 결합 단백질의 상실 때문이 아니라, DNA의 물리적 구조 자체에 의해 발생했다는 것을 밝혀냈습니다. 분리된 핵 안에서는 단백질 실타래들이 너무 빽빽하게 모여 있어 효소가 들어올 수 있는 공간이 거의 없었습니다. 세포가 더 이상 온전한 상태가 아닐 때 발생하는 이 좁은 간격은 살아있는 세포 내에는 존재하지 않는 물리적 장벽을 만들어냅니다. 결과적으로, 이 연구는 이 효모의 화학적 표식 및 결합 단백질 체계가 DNA에 대한 접근을 막음으로써 유전자 활동을 억제하는 것이 아니라는 점을 보여줍니다. 이 단백질들이 DNA를 숨기기 위한 자물쇠 역할을 한다는 생각은 세포가 자연적인 살아있는 상태에서 제거되었을 때 일어나는 현상을 오해한 것으로 보입니다.