Characterising a large bovine lactating mammary ATAC-seq dataset

세포 안의 DNA를 거대한 고대 도서관이라고 상상해 보세요. 이 도서관의 모든 책에는 생명체를 만들고 운영하기 위한 지침이 담겨 있지만, 모든 책이 동시에 선반 위에 펼쳐져 있는 것은 아닙니다. 어떤 책은 뒷방에 갇혀 두꺼운 사슬에 묶여 있는 반면, 어떤 책은 바로 앞 데스크에 놓여 읽힐 준비가 되어 있습니다. 이러한 DNA의 "열림" 또는 "닫힘" 상태를 **염색질 접근성(chromatin accessibility)**이라고 부릅니다. 이것은 마치 문지기가 어떤 책(유전자)을 세포의 일꾼들이 실제로 집어 들고 읽을 수 있을지 결정하는 것과 같습니다. 문이 열려 있으면 지침이 읽혀 단백질이 만들어지고, 문이 닫혀 있으면 그 지침은 침묵 상태로 남습니다.

과학자들은 DNA 코드의 아주 작은 오타가 단백질 생성량을 변화시킬 수 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었지만, 종종 그러한 오타가 왜 중요한지는 알지 못했습니다. 그 오타가 스위치를 고장 낸 것일까요? 아니면 문을 꽉 막아버린 것일까요? 이를 해결하기 위해 연구자들은 ATAC-seq(Assay for Transposase Accessible Chromatin using Sequencing)라고 불리는 방법을 사용합니다. ATAC-seq는 도서관을 스캔하여 현재 어떤 책들이 데스크 위에 펼쳐져 있는지 확인하는 첨단 손전등이라고 생각하면 됩니다. 이 "열림 지도"를 실제 단백질이 얼마나 만들어지는지에 대한 데이터(유전자 발로, gene expression)와 결합함으로써, 과학자들은 어떤 열린 문이 실제로 공장을 제어하고 있는지 알아낼 수 있습니다. 이는 농업 분야에서 매우 중요한데, 만약 우리가 이 문들을 조절하는 방법을 이해한다면, 동물의 근본적인 본성을 바꾸지 않고도 더 많은 우유를 생산하거나 더 건강한 육류를 생산하는 소를 개량할 수 있기 때문입니다.

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유제품 공장의 거대한 지도

이 연구에서 연구팀은 젖소의 유선 조직 내부에 있는 "열린 문"들을 매우 상세하게 살펴보기로 했습니다. 단 몇 마리의 소만 엿보는 대신, 그들은 199마리의 착유 중인 젖소로부터 조직 샘样本을 수집했습니다. 그들은 ATAC-seq라는 손전등을 사용하여 동물들의 DNA를 스캔했고, 염색질이 열려 있어 업무를 수행할 준비가 된 특정 지점들을 찾아냈습니다

그 결과, 소의 게놈 전체에 걸친 119,318개의 열린 지점(피크)으로 이루어진 거대한 지도가 만들어졌습니다. 데이터의 품질을 확인하기 위해 그들은 손전등이 제대로 작동하는지 점검했습니다. 그 결과, 읽어 들인 거의 절반의 DNA 조각이 이 열린 지점들에 정확히 일치했는데, 이는 국제 표준에 비추어 볼 때 매우 높은 품질의 점수입니다. 이 방대한 데이터셋은 그들에게 새로운 일을 할 수 있는 힘을 주었습니다. 바로 caQTLs(chromatin accessibility Quantitative Trait Loci)를 찾는 것이었습니다. 쉬운 말로 설명하자면, 이는 문이 얼마나 '열려 있는지'를 결정하는 특정 유전적 오타를 찾는 것을 의미합니다. 그들은 19,339개의 열린 지점에서, 문을 더 넓게 혹은 더 좁게 만드는 특정 유전적 변이가 존재한다는 것을 발견했습니다.

문과 공장 생산량의 연결

열린 문의 지도와 유전적 스위치 목록을 확보한 후, 연구팀은 간단한 질문을 던졌습니다. "이 열린 문들이 실제로 소가 만드는 우유 단백질의 양을 변화시키는가?"

그들은 이 "열림" 데이터와 유전자 지침의 복사본이 얼마나 만들어지는지 측정하는 계측기와 같은 "RNA-seq" 데이터를 비교했습니다. 그 결과 강력한 연관성을 발견했습니다. 1,805개의 유전자의 경우, 근처의 문이 더 많이 열려 있을수록 해당 유전자의 발현량이 많아졌습니다(양의 상관관계). 793개의 유전자의 경우, 문이 더 많이 열려 있을수록 유전자 발현은 오히려 줄어들었습니다(음의 상관관계).

가장 흥激한 부분은 "마스터 스위치"를 발견한 것이었습니다. 그들은 6,379개의 열린 지점에 대해, 문을 열리게 만드는 유전적 오타가 근처 유전자의 단백질 생성을 증가시킨다는 것을 발견했습니다. 반대로, 5,356개의 지점에서는 문을 여는 유전적 오타가 오히려 단백질 생산을 감소시켰습니다. 이는 문을 여는 것이 항상 "볼륨을 높이는 것"만을 의미하지는 않는다는 것을 시사합니다. 때로는 문을 여는 것이 창문을 열어 찬바람이 들어오게 하여 촛불을 꺼뜨리는 것처럼, 유전자를 침묵하게 만들 수도 있습니다.

문지기: 누가 문 앞에 서 있는가?

연구진은 이 열린 문들 내부의 DNA 서열을 자세-히 살펴보고, 어떤 종류의 "문지기"(전사 인자)가 그곳을 지키고 있을 가능성이 높은지 조사했습니다. 그들은 유전자 발현을 높이는 문과 낮추는 문 사이에 흥미로운 차이점이 있음을 발견했습니다.

• "볼륨 업" 팀: 유전자 발현을 높이는 것과 관련된 문들은 주로 STAT 도메인 인자라고 불리는 단백질 가족에 의해 지켜지고 있었습니다. 이들을 "일하세요!"라고 외치는 열정적인 매니저라고 생각하면 됩니다. 이 인자들은 유선 발달과 우유 생산에 필수적인 것으로 알려져 있습니다.
• "볼륨 다운" 팀: 유전자 발현을 낮추는 것과 관련된 문들은 주로 CTCF라는 단백로에 의해 지켜지고 있었습니다. CTCF를 "방해 금지" 표지판이나 벽을 세우는 보안 요원이라고 생각하십시오. 연구진은 이 문들이 절연체(insulator), 즉 멀리 떨어진 "온(on)" 스위치의 신호가 유전자에 도달하는 것을 차단하는 장벽 역할을 할 수 있다고 제안합니다. 또한 이 "볼륨 다운" 문들에서 많은 MAZ 단백질을 발견했는데, 이는 유전자를 침묵시키는 역할을 할 수 있습니다.

이것이 젖소에게 중요한 이유

이 연구는 단순히 무작위 유전자를 조사한 것이 아니라, 이 발견들이 낙농 및 육우의 알려진 형질들과 일치하는지 확인했습니다. 그들은 이 열린 문들을 조절하는 유전적 스위치가 우유 성분, 번식력, 심지어 육질과 같은 실제 형질과 연결되어 있다는 것을 발견했습니다.

예를 들어, 우유 유당 수치와 관련된 PICALM 유전자를 살펴보았습니다. 그들은 이 유전자 근처에서 두 가지 서로 다른 열린 문을 발견했는데, 하나는 열렸을 때 유당 생산을 낮추고, 다른 하나는 열렸을 때 유당 생산을 높였습니다. 또한 우유 지방과 관련된 유명한 유전자인 DGAT1도 살펴보았습니다. 열린 문과 유전자 발현 사이의 강력한 연결 고리를 찾았지만, 유전적 신호는 다소 모호했는데, 이는 아마도 유전자의 스플라이싱(splicing)과 같은 다른 복잡한 요인들이 작용하고 있기 때문일 것입니다. 그러나 번식력 및 육질과 관련된 CSTB 유전자의 경우, 유전자 발현의 변화를 일으킬 가능성이 높은 다섯 개의 특정 유전적 오타가 열린 문 안에 정확히 자리 잡고 있음을 발견했습니다.

결론

이 논문은 가축의 DNA "열림" 정도를 지도화하려는 최초의 대규모 시도 중 하나입니다. 연구진은 이 지도들을 유전 데이터와 결합함으로써, 우리가 마침내 소가 우유와 고기를 생산하는 방식을 제어하는 숨겨진 기계 장치를 이해하기 시작할 수 있다고 제안합니다. 그들은 단순히 몇 가지 무작위적인 연결을 찾은 것이 아니라, 특정 유전적 변이가 특정 문을 열거나 닫고, 이것이 다시 유전자의 볼륨을 높이거나 낮추는 체계적인 패턴을 발견했습니다. 모든 미스터리를 다 해결하지는 못했지만(일부 유전자는 여전히 혼란스러운 상태로 남았습니다), 그들은 다른 과학자들이 더 나은, 더 건강하고, 더 생산적인 젖소를 육종하는 데 사용할 수 있는 거대하고 고품질인 지도를 제공했습니다.