Genome-wide chromatin reset at the onset of leg regeneration in pancrustaceans

생명은 놀랍고도 종종 숨겨진, 다시 시작할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 도마뱀이 꼬리를 잃거나 불가사리가 팔을 떨구었을 때, 부상당한 조직은 단순히 흉터를 치유하는 데 그치지 않고 복잡한 구조를 처음부터 다시 구축한다. 재생이라고 알려진 이 과정은 세포가 다리나 꼬리의 일부로서 수행하던 현재의 직업을 잊고, 다시 유연하고 성장하는 배아처럼 행동하는 법을 기억해낼 것을 요구한다. 과학자들은 오랫동안 세포가 어떻게 그토록 극적인 정체성의 변화를 관리하는지 궁금해해 왔다. 그 답은 아마도 세포 내부에서 DNA가 패키징되는 방식에 있을 것이다. 게놈을 방대한 지침서가 담긴 도서관이라고 상상해 보라. 성숙하고 전문화된 세포에서, 이 책들의 대부분은 세포가 자신의 특정 과업에만 집중할 수 있도록 단단하고 접근 불가능한 더미 속에 잠겨 있다. 재생을 위해 세포는 이 책들을 잠금 해제하고, 사지를 만드는 오래된 설계도를 읽은 다음, 새로운 성장을 지원하기 위해 도서관을 다시 조직해야 한다. 문제는 이 잠금 해제가 단순히 몇 개의 특정 스위치를 켜는 방식으로 일어나는 것인지, 아니면 도서관 전체를 먼저 비우고 재설정해야 하는 것인지에 관한 것이다.

연구자들은 이제 특정 곤충과 갑각류에서 다리가 절단될 때 발생하는 놀라운 사건의 순서를 밝혀냈다. 어린 약충 시절에는 다리를 다시 자라게 할 수 있지만 성체가 되면 그 능력을 상실하는 두 점박이 귀뚜라미를 연구하고, 평생 동안 다리를 재생할 수 있는 하와이산 갑각류 파리알레(Parhyale)와 비교함으로써, 연구팀은 재생이 전역적 차원의 셧다운(global shutdown)과 함께 시작된다는 것을 발견했다. 새로운 다리를 만드는 데 필요한 유전자들을 즉시 켜는 대신, 부상은 게놈 전체의 침묵을 유발한다. 유전자 발현을 조절하는 데 통상적으로 사용되는 활성 DNA 영역들이 일시적으로 폐쇄되어, 조직으로부터 현재의 조절 정체성을 박탈한다. 이 광범위한 재설정 후에야 조직은 제이다(Zelda)라고 불리는 마스터 조절 단백질의 안내를 받아 특정 유전적 스위치를 선택적으로 다시 열기 시작하며, 재건 과정을 착수한다. 이러한 패턴은 다양한 종들 사이에서 보존된 전략으로 보이며, 이는 무언가 새로운 것을 만들기 위해서는 세포가 먼저 오래된 지침을 지워야 함을 시사한다.

연구는 귀뚜라미의 유전적 지형을 상세히 구축하는 것으로 시작되었다. 연구진은 귀뚜라미의 게놈을 15개의 뚜렷한 염색체로 구성된 고해 resolution의 염색체 규모 어셈블리로 제작하였다. 그런 다음 그들은 세포가 풍부한 난소를 통해 DNA가 어떻게 패키징되는지 조사하여 게놈의 기저 상태를 이해하고자 했다. 그들은 어떤 부분이 열려 있고 활성화되어 있는지를 나타내는 북마크 역할을 하는 DNA 패키징 단백질 위의 특정 화학적 태그를 찾았다. 그들은 활성 유전자가 접근 가능한 DNA와 특정 화학적 신호에 의해 표시되는 반면, 침묵하는 영역은 빽빽하게 압축되어 억제 신호에 의해 표시된다는 것을 발견했다. 이는 유전자가 절단되었을 때 게놈이 어떻게 변하는지 관찰하기 위한 필수적인 틀을 제공했다.

부상에 대한 게놈의 반응을 테스트하기 위해, 연구팀은 다양한 발달 단계의 귀뚜라미 다리를 절단했다. 어린 귀뚜라미, 즉 약충은 다리를 다시 자라게 할 수 있는 반면, 성체는 그렇지 못하다. 그들은 절단 3일 후의 남은 다리 그루터기 샘플을 채취하여 절단되지 않은 다리와 비교했다. 결과는 놀라웠다. 재생이 가능한 약충과 재생이 불가능한 성체 모두에서, 부상은 거대하고 즉각적인 활성 유전적 지형의 붕괴를 일으켰다. 유전자 활동을 주도하는 데 통상적으로 사용되는 독특하고 열린 DNA 영역들이 사라졌고, 그 자리는 게놈이 조용해진 듯한 평평하고 균일한 상태로 대체되었다. 활성 인핸서(enhancer)—유전자 활동을 촉진하는 영역—를 신호하는 화학적 표식들도 사라졌다. 이 셧다운은 조직이 결국 재생할 것인지 여부와 관계없이 발생했으며, 이는 부상에 대한 초기 반응이 세포의 현재 상태에 대한 광범위한 삭제라는 것을 시사한다. 즉, 새로운 프로그램이 시작되기 전의 필수적인 단계이다.

재생하는 다리와 재생하지 못하는 다리의 차이는 이 초기 침묵 이후에만 나타났다. 재생 능력을 유지하고 있는 약충의 경우, 게놈이 선택적으로 다시 열리기 시작했다. 제이다(Zelda) 단백질의 결합 부위가 풍부한 특정 유전적 스위치들이 다시 접근 가능해졌다. 제이다는 개척자 인자(pioneer factor)로 알려져 있는데, 이는 다른 유전자들이 읽힐 수 있도록 빽빽하게 압축된 DNA를 열 수 있는 유형의 단백질이다. 귀뚜라미의 경우, 제이다 유전자 자체는 온전한 다리 내에서 두 가지 다른 유형의 억제 화학적 표식에 의해 엄격하게 잠겨 있었다. 절단 후 이 잠금 장치들이 제거되었지만, 재생하는 약충에서만 그러했다. 성체에서는 하나의 잠금이 남아 있어 제이다 유전자를 침묵시키고 재생 프로그램의 시작을 막았다. 이는 재생 능력은 초기 게놈 전역 재설정 이후 이 특정 마스터 조절자를 잠금 해제할 수 있는 세포의 역량에 달려 있음을 시사한다.

연구진은 이어 재생의 타임라인을 더 깊이 살펴보았다. 약충의 다리가 활발하게 자라고 있는 절단 8일째에, 그들은 게놈이 부분적으로 재조직되었음을 발견했다. 평평하고 침묵했던 지형이 다시 활동의 정점들을 보이기 시작했지만, 이 새로운 활성 영역들은 무작위가 아니었다. 이들은 제이다의 결합 부위가 풍부하게 나타났으며, 이는 이 단백질이 유전적 지형의 재건을 안내하고 있음을 나타냈다. 게놈은 단순히 부상 전의 상태로 돌아가는 것이 아니라, 재성장에 필요한 유전자들에 초점을 맞추어 새롭게 구축되고 있었다.

이것이 귀뚜라미만의 고유한 특성인지 아니면 더 넓은 생물학적 법칙인지 확인하기 위해, 팀은 하와이산 갑각류 파리알레(Parhyale)로 눈을 돌렸다. 귀뚜라미와 달리 이 동물들은 어떤 연령에서도 다리를 재생할 수 있다. 연구진은 유사한 실험을 수행하여 다리를 절단하고 단 하루 뒤의 유전적 상태를 조사했다. 그들은 정확히 동일한 패턴을 관찰했다: 급격한 게놈 전역의 활성 DNA 지형의 평탄화, 그리고 뒤이어 나타나는 갑각류 버전의 제이다 단백질의 상향 조절이 일어났다. 진화적으로 수억 년 떨어진 이 먼 친척 관계에서도 일련의 사건들은 동일했다. 부상은 먼저 게놈을 침묵시켰고, 그 후 세포는 제이다의 안내 아래 특정 지침들을 선택적으로 재활성화했다.

이러한 발견은 재생이 단순히 몇 개의 특정 "복구" 유전자를 켜는 문제가 아니라는 점을 보여준다. 대신, 이는 일시적인 세포 정체성의 상실과 통제된 재건을 포함하는 2단계 과정인 것으로 보인다. 초기 셧다운은 세포가 성체의 전문화된 역할에 갇혀 있게 만드는 후성유전적 기억을 지워버림으로써 백지 상태를 만드는 역할을 할 수 있다. 일단 이 백지가 깨끗해지면, 개척자 인자인 제이다가 열쇠 역할을 하여 새로운 사지를 만드는 데 필요한 경로를 잠금 해제한다. 서로 다른 유형의 절지동물들 사이에서 보존된 이 메커니즘은 재생 능력이 이 동물들이 유전 정보를 관리하는 근본적인 방식에 깊이 뿌리박고 있음을 시사한다. 이는 세포가 새로운 것을 창조하기 위한 가소성을 얻기 위해 먼저 자신의 현재 상태를 놓아주어야 한다는 섬세한 균형을 강조한다.