Multi-omic long-read sequencing reveals nucleosome control of transcriptional fidelity at the isoform level

모든 살아있는 세포 안에는 생명체를 만들고 운영하기 위한 지침이 DNA라고 불리는 길고 가는 분자 안에 기록되어 있습니다. 이 거대한 분자를 미세한 공간에 맞추기 위해, DNA는 뉴클레오솜이라는 실타래 모양의 단백질에 단단히 감겨 있습니다. 이 실타래를 실에 꿰어진 구슬이라고 생각해 보십시오. 이 감기는 과정은 단순히 공간을 절약하는 것 이상의 역할을 합니다. 이는 문지기 역할을 합니다. DNA가 단단히 감겨 있을 때, 세포의 기계 장치는 지침을 읽을 수 없습니다. 실타래가 옆으로 치워지거나 제거되면, 지침을 읽을 수 있게 되어 세포가 작업을 시작할 수 있습니다. 세포는 리모델러(remodeler)라고 알려진 특수한 단백질을 사용하여 이 실타래를 DNA 줄기를 따라 이동시켜, 특정 구역을 열어 유전자를 읽기 시작하거나 작업이 끝나면 다시 닫습니다. 이 과정은 매우 중요한데, 하나의 유전자가 서로 다른 방식으로 읽혀서 서로 다른 버전의 단백질을 만들어낼 수 있기 때문이며, 이 실타래의 정밀한 배치가 어떤 버전이 만들어질지를 결정하는 데 도움을 줍니다.

오랫동안 과학자들은 특정 DNA 조각 위의 이러한 실타래 배열이 어떻게 동일한 DNA 조각으로부터 만들어지는 정확한 단백질 버전에 영향을 미치는지 파악하는 데 어려움을 겪었습니다. 이전의 방법들은 마치 군중을 찍은 흐릿한 사진과 같았습니다. 그들은 방 안에 있는 사람들의 평균적인 숫자는 알 수 있었지만, 어떤 특정 사람이 어떤 특정 물체 옆에 서 있는지는 알 수 없었습니다. 그들은 동일한 DNA 가닥 위에서 실타래가 유전자의 시작 부분에서는 열려 있고 중간 부분에서는 닫혀 있는지 여부를 볼 수 없었습니다. 이러한 명확한 시야 없이는, DNA의 물리적 상태가 어떻게 최종적인 유전적 메시지를 직접적으로 형성하는지 이해하는 것이 불가능했습니다.

캘리포니아 대학교 산타크루즈 연구팀은 평균값이 아닌 개별 DNA 가닥을 관찰함으로써 이 문제를 해결하기로 했습니다. 그들은 기초 세포 생물학 연구에 자주 사용되는 단순한 생물체인 효모를 연구 대상으로 삼았습니다. 과학자들은 세포의 실타래 이동자 역할을 하는 두 가지 특정 단백질인 ISW1과 CHD1을 제거했습니다. 이 단백질들이 없으면 DNA 줄기 위의 실타래는 질서 정연한 배열을 잃게 됩니다. 연구진은 한 번에 매우 긴 DNA 가닥과 RNA를 읽을 수 있는 강력한 새로운 시퀀싱 기술을 사용했습니다. 이를 통해 연구진은 단일 DNA 섬유를 보고 실타래가 정확히 어디에 위치해 있는지 확인한 다음, 바로 그 동일한 섬유로부터 생성된 RNA 메시지를 살펴봄으로써 세포가 실제로 무엇을 만들어냈는지 확인할 수 있었습니다.

그들은 실타래가 유전자의 시작 부분에서 열려 있는지와 중간 부분에서 닫혀 있는지에 따라 개별 DNA 가닥을 그룹별로 분류하는 새로운 컴퓨터 방법을 개발했습니다. 연구진은 실타래를 움직이는 단백질이 사라졌을 때, 세포가 단순히 무작위로 DNA를 망가뜨리는 것이 아님을 발견했습니다. 대신, 실타래는 조화로운 방식으로 이동했습니다. 많은 DNA 가닥에서, 보통 유전자의 시작 부분에 놓여 있던 실타래가 유전자의 중간 부분으로 이동했고, 그 결과 유전자의 중간 부분이 열리게 되었습니다. 이러한 변화는 세포가 따르는 지침을 바꾸어 놓았습니다. 평소 조용했던 유전자들은 활성화되었고, 평소 활발했던 유전자들은 더 조용해졌습니다. 더 중요한 것은, 세포가 잘못된 시작 지점부터 유전자를 읽기 시작하여 평소와는 다른 버전의 유전적 메시지를 만들어냈다는 점입니다.

이 연구는 이러한 실타래 배열의 변화가 세포가 서로 다른 버전의 단백질을 만드는 직접적인 원인임을 밝혀냈습니다. 실타래가 엉뚱한 곳에 있으면, 세포의 읽기 기계인 RNA 중합효소(RNA polymerase)가 DNA를 따라 매끄럽게 이동하는 데 어려움을 겪습니다. 기계는 읽기를 시작하지만, 작업을 마치기 전에 멈추거나 떨어져 나갑니다. 이는 특히 원래 매우 활발했던 유전자들에서 두드로 나타났습니다. 또한 연구진은 세포가 유전적 메시지에서 불필요한 부분을 잘라내는 과정인 스플라이싱(splicing)을 수행하는 데 어려움을 겪는다는 것을 발견했습니다. 실타래가 제대로 간격을 유지하지 못했기 때문에, 이 절단 작업을 수행하는 기계가 효율적으로 일을 할 수 없었고, 이는 불완전하거나 결함이 있는 메시지로 이어졌습니다.

가장 놀라운 발견 중 하나는 세포가 유전자 내부의 숨겨진 지점부터 읽기 시작함으로써 이러한 오류를 보완하려 한다는 것이었습니다. 이 숨겨진 지점들은 정상적인 시작점처럼 보이지만, 보통 실타래에 의해 막혀 있는 곳들입니다. 실타래를 움직이는 단백질이 사라지면 이 숨겨진 지점들이 열리게 되고, 세포는 거기서부터 읽기 시작합니다. 이는 세포가 동일한 유전자로부터 정확한 메시지와 잘못된 메시지를 혼합하여 생성하고 있음을 의미했습니다. 연구진은 단일 DNA 가닥 위의 실타래 패턴이 세포가 생성할 메시지의 버전을 정확히 예측할 수 있다는 것을 보여주었습니다.

연구진은 세포의 읽기 기계가 이러한 숨겨진 지점에서 읽기를 시작하려는 다른 기계들과 충돌하고 있다는 흔한 가설을 배제했습니다. 데이터에 따르면, 다른 기계들이 방해하는 상황에서도 속도 저하가 발생했습니다. 즉, 문제는 다른 기계가 길을 막고 있어서가 아니라, 단순히 DNA 줄 자체의 구조가 너무 무질서해졌기 때문이었습니다. 실타래의 규칙적인 간격이 없으면, 읽기 기계가 DNA를 효율적으로 밀고 나갈 수 없습니다. 이러한 질서의 부재는 또한 세포가 메시지의 여분 부분을 잘라내는 것을 더 어렵게 만들어, 최종 결과물에 더 많은 오류를 초래했습니다.

연구진은 세포의 기계 장치를 한 번에 한 가닥씩 관찰함으로써, DNA의 물리적 조직이 정밀한 제어 시스템임을 입증했습니다. 이는 단순히 유전자를 켜거나 끄는 것뿐만 아니라, 지침이 정확히 어떻게 읽히고 처리되는지를 결정합니다. DNA를 조직하는 단백질이 제거되면, 시스템은 충실도를 잃고 혼란스러운 유전적 메시지의 혼합물을 만들어냅니다. 이 연구는 유전 코드의 물리적 구조가 생명을 가능하게 하는 복잡한 단백질의 다양성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 명확한 그림을 제공하며, 실타래의 배열이 DNA 줄에 쓰인 글자 자체만큼이나 중요하다는 것을 보여줍니다.