Functional dissection of ultraconserved non-coding regions present near the Hoxd complex in vertebrates
본 연구는 제브라피시에서 CRISPR-Cas9 유전자 편집 기술을 활용하여, Hoxd 복합체의 CR2 및 CR3 영역 내 핵심 초보존 서열들이 발달 단계에서 필수적이며 결실 시 치사성을 나타내지만, 이들의 제거가 Hoxd 유전자 발현이나 외형적 형태 발달을 유의미하게 변화시키지는 않는다는 점을 입증함으로써, 이 요소들이 미세한 전사 억제 또는 중복된 메커니즘을 통해 기능할 수 있음을 시사한다.
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물고기에서 인간에 이르기까지 모든 척추동물의 유전 암호 깊은 곳에는 신체의 마스터 설계자 역할을 하는 일련의 지침이 숨겨져 있습니다. Hox 유전자로 알려진 이 지침들은 머리가 어디서 끝나고 꼬리가 어디서 시작되는지를 결정하며, 사지와 내부 장기의 형성을 규정합니다. 유전자 자체는 잘 알려져 있지만, 유전자 사이의 공간은 단백질을 만들지는 않지만 대신 Hox 유전자가 언제 어디서 켜질지를 조절하는 스위치, 디머(dimmer), 그리고 정지 표지판 역할을 하는 신비로운 비부호화 DNA 서열들로 채워져 있습니다. 이러한 서열 중에는 수억 년의 진화 과정 동안 거의 완벽하게 변하지 않은 채 유지되어 온 초보존 요소(ultraconsced elements)들이 있습니다. 이들의 극도로 높은 안정성은 이들이 매우 중요하다는 것을 시사하지만, 과학자들은 이들을 제거한 이전의 실험들에서 동물들이 완전히 정상적인 모습으로 남는 경우가 많았기 때문에 이들이 정확히 무엇을 하는지 설명하는 데 오랫동안 어려움을 겪어 왔습니다. 이 역설은 생명이 스스로를 어떻게 구축하는지에 대한 이해의 공백을 남겼습니다.
인도의 CSIR-세포 및 분자 생물학 센터(CSIR-Centre for Cellular and Molecular Biology)의 연구팀은 제브라피시의 Hoxd 유전자 복합체 근처에 위치한 세 가지 특정 고보존 영역에 집중함으로써 이 미스터리를 해결하고자 했습니다. 과학자들이 CR1, CR2, CR3라고 부르는 이 영역들은 200개 이상의 염기쌍 길이이며 인간, 생쥐, 물고기 사이에서 거의 동일합니다. 이들의 진정한 기능을 이해하기 위해 연구진은 정밀한 유전자 편집 도구를 사용하여 제브라피시 게놈에서 이 영역들을 잘라내어, 서로 다른 결손 부위를 가진 일련의 물고기들을 만들었습니다. 그들은 이 영역 전체를 삭제하는 것부터 작은 부분 섹션만을 제거하는 것까지 모든 것을 테스트하며, 물고기가 지느러미가 없거나 척추가 왜곡되는 등의 가시적인 결함과 함께 발달할지를 확인하고자 했습니다.
결과는 필수적인 것과 선택적인 것 사이의 뚜로 명확한 경계를 드러냈습니다. 연구진이 CR2와 CR3의 핵심적이고 가장 고도로 보존된 부분, 또는 두 영역의 조합을 삭제하려고 했을 때, 유전적 변화가 너무 심각하여 물고기가 성체까지 생존할 수 없었습니다. 이러한 특정 결실은 다음 세대로 결코 전달되지 않았으며, 이는 이 핵심 서열들이 생존에 필수적임을 나타냅니다. 그러나 연구팀이 CR2의 가장자리에 있는 626개 염기쌍 길이의 더 작고 덜 보존된 섹션을 제거했을 때는, 건강하고 번식 가능한 안정적인 물고기 라인을 성공적으로 만들어냈습니다. 이 물고기들은 정상적인 개체들과 비교했을 때 눈에 띄는 차이를 보이지 않았으며, 신체는 올바르게 형성되었고 골격은 온전했으며 지느러미도 정상적으로 발달했습니다.
물리적 결함의 부재에도 불구하고, 연구진은 누락된 조각이 미묘한 영향을 미쳤는지 확인하기 위해 분자 수준에서 더 자세히 조사했습니다. 연구진은 돌연변이 물고기에서 Hoxd 유전자의 활성을 조사하였고, 유전자가 적절한 장소에서 적절한 시기에 여전히 켜져 있다는 것을 발견했습니다. 그러나 유전 활동의 총량을 측정한 민감한 측정 결과, 돌연변이 물고기에서 이 유전자들의 발현이 정상적인 물고기에 비해 아주 약간, 일관되게 증가한 것을 보여주었습니다. 이는 삭제된 섹션이 정상적으로는 매우 약한 브레이크로서 Hoxd 유전자의 활동을 약간 억제하는 역할을 한다는 것을 시사합니다. 이 브레이크가 없으면 유전자는 조금 더 빠르게 작동하지만, 그 증가 폭은 물고기의 신체에 가시적인 문제를 일으킬 만큼 크지 않았습니다.
이 연구는 또한 이러한 보존된 영역들이 단순한 정적 스위치가 아니라 RNA 분자, 즉 유전 메신저로 활발하게 전사된다는 사실을 밝혀냈습니다. 이 RNA 분자들은 발생 초기에 나타나며 배아 전체에 분포하다가 머리와 뇌의 특정 구역으로 자리 잡습니다. 연구진은 이 RNA 분자들이 자신의 DNA에 다시 결합하여 시스템을 미세 조정함으로써 근처의 Hoxd 유전자를 조절할 수 있다고 제안합니다. 연구 결과는 이러한 DNA 서열의 극단적인 보존이 모든 맥락에서 생존에 똑같이 중요한 것은 아니지만, 핵심 영역이 생존을 위한 타협 불가능한 지침을 포함하고 있는 반면, 주변 가장자리는 물고기보다 복잡한 포유류에게 더 중요할 수 있는 미세 조정 기능을 제공한다는 것을 시사합니다. 이 연구는 유전체의 일부는 상실 시 치명적일 정도로 매우 중요하지만, 다른 초보존 부분들은 신체의 청사진이 원활하게 돌아가도록 유지하면서도 약간의 변화가 생겼을 때 위기를 초래하지 않는 정밀한 조절자 역할을 한다는 점을 명확히 해줍니다.
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