Targeted editing of pericentromeric satellite DNA alters sensitivity to meiotic drive

당신의 DNA를 거대한 도서관이라고 상상해 보세요. 이 도서관의 책 대부분은 생명체를 만들고 운영하는 데 필요한 중요한 지침이 담긴 독특한 이야기들입니다. 하지만 도서관 구석진 곳에는 똑같은 내용이 반복되는 거대하고 먼지 쌓인 페이지들이 숨겨져 있습니다. 마치 수천 장의 똑같은 빈 종이를 겹겹이 쌓아 놓은 것과 같습니다. 과학자들은 이 반복되는 더미를 "위성 DNA(satellite DNA)"라고 부릅니다. 오랫동안 우리는 이 더미들을 그저 쓸모없는 '정크(junk)'라고 생각했지만, 이들이 염색체의 '척추'와 같은 부분(동원체, centromere)이나 그 바로 옆에 위치한다는 점은 알고 있었습니다.

중요한 미스터리는 이것이었습니다. 이 반복되는 더미들이 실제로 어떤 역할이라도 하는 걸까요? 만약 그렇다면, 그것이 페이지에 적힌 특정한 단어 때문일까요, 아니면 페이지가 얼마나 많이 쌓여 있는지 때문일까요, 아니면 더미가 구축된 방식 때문일까요?

문제는 이 더미들이 너무나 반복적이고 무질서해서 과학자들이 자신들의 이론을 테스트하기 위해 쉽게 편집할 수 없었다는 점입니다. 이는 마치 백만 장의 똑같은 페이지가 쌓인 더미에서 주변의 전체 구조를 망가뜨리지 않고 특정 페이지 하나만을 정교하게 제거하려고 노력하는 것과 같았습니다.

새로운 도구: 정밀한 가위
이 연구에서 연구원들은 고도의 기술이 적용된 새로운 버전의 "분자 가위"(CRISPR/Cas9)와 영리한 단계별 전략을 사용했습니다. 이것은 마치 특정 반복 더미를 찾아낼 수 있을 뿐만 아니라, 주변의 독특한 책들을 실수로 자르지 않으면서도 그 더미의 일부를 정밀하게 잘라내거나 더 많은 복사본을 붙여 넣을 수 있는 로봇 사서와 같습니다.

실험: "리스폰더(Responder)" 더미
그들은 이 도구를 초파리의 "리스폰더(Rsp)"라고 불리는 특정 반복 DNA 더미에 테스트했습니다. 이 더미는 "감수 분열 구동(meiotic drive)"이라는 생물학적 드라마에 관여합니다.

여기 한 가지 드라마가 있습니다. 파리의 DNA에는 "세그리게이션 디스토터(Segregation Distorter, SD)"라는 "치터(cheater, 부정행위자)" 요소가 있습니다. SD는 카드 게임의 불량배처럼 행동합니다. 수컷 파리가 정자를 생성할 때, SD는 자신의 덱을 가지고 있지 않은 모든 정자를 파괴하려고 시합니다. 그러나 "리스폰더(Rsp)" 더미는 방패 역할을 합니다. 만약 정자가 크고 무거운 Rsp 페이지 더미를 가지고 있다면, 불량배(SD)는 그 정자를 표적으로 삼아 죽입니다. 반대로 더미가 작으면 정자는 살아남습니다.

기본적으로, Rsp 더미가 클수록 그 정자가 불량배에게 "죽임을" 당할 가능성이 높아집니다.

그들이 한 일
연구원들은 이 새로운 로봇 가위를 사용하여 단순히 페이지 수를 추측하는 것에 그치지 않고, 물리적으로 그들을 잘라내어 더 작은 더미를 만들고, 더 많은 양을 추가하여 더 큰 더미를 만들었습니다. 그들은 Rsp 더-미의 크기가 각기 다른 일련의 파리들을 만들어냈습니다.

결과
실험은 완벽하게 작동했습니다. 새로운 도구는 게놈의 다른 부분에 거의 실수를 범하지 않고 반복적인 DNA를 정밀하게 편집했습니다.

연구원들이 파리들을 확인했을 때, 그들은 정확히 예상했던 것을 발견했습니다. 즉, 더미의 크기가 중요했습니다.

• 더 큰 Rsp 더미를 가진 파리들은 불량배(SD)에 더 민감하게 반응하여 더 많은 정자를 잃었습니다.
• 더 작은 Rsp 더미를 가진 파리들은 불량배에 덜 민감하게 반응하여 더 많은 정자를 유지했습니다.

핵심 요점
이 논문은 이제 우리가 이러한 반복적인 "정크" DNA 더미를 정교하게 편집하여 그것이 어떤 역할을 하는지 알아낼 수 있다는 것을 증명합니다. 이는 Rsp 더미에 있는 반복 횟수가 정자가 치터 요소에 어떻게 반응하는지를 직접적으로 제어한다는 사실을 확인시켜 줍니다. 이는 과학자들에게 이 신비로운 반복적 유전 요소들이 어떻게 기능하는지, 그리고 생명이 조직되는 방식을 형성하기 위해 어떻게 진화했는지 이해할 수 있는 새로운 방법을 제시합니다.