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D&D-seq: 싱글셀 수준의 전사인자 프로파일링 기술

세포 내 유전자 발현은 단순히 DNA 정보만으로 결정되지 않으며, 염색질의 기본 단위인 뉴클레오솜에 감겨 보호받는 DNA가 특정 기전에 의해 노출되고 다양한 조절 인자들이 결합하는 복잡한 과정을 거칩니다. 기존에는 이러한 전사인자의 결합을 확인하기 위해 ChIP-seq과 같은 기술을 주로 사용해 왔습니다. 하지만 이 방식은 위양성 결합이 많고 방대한 양의 세포를 필요로 하여 단일 세포 수준의 정밀한 분석이 어렵다는 한계가 있었습니다. 이후 등장한 최신 기술들 또한 실험 과정에서의 높은 염 농도와 고정 작업으로 인해 일시적인 단백질 결합 정보를 유실하거나 개방형 염색질 영역에 편향되는 문제를 안고 있었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 새롭게 고안된 D&D-seq은 나노바디 시스템과 염기 편집기를 결합하여 단백질 상호작용을 포착합니다. 이 기술은 표적 단백질을 인식하는 항체에 나노바디가 결합하고, 그 끝에 달린 염기 편집기가 주변 DNA 영역에 C에서 T로의 탈아미노화를 유도하는 원리로 작동합니다. 기존 방식처럼 DNA를 직접 절단하지 않고 화학적인 흔적을 남기는 방식을 취함으로써, 물리적인 손실을 최소화하고 세포의 자연스러운 상태에 가까운 결합 데이터를 얻을 수 있습니다. 특히 ATAC-seq과 병행하여 전사인자가 농축된 영역을 집중적으로 프로파일링하는 데 탁월한 성능을 보여줍니다. 실제 검증 과정에서 D&D-seq은 단일 세포 데이터의 품질을 유지하면서도 매우 정교한 신호를 생성해냈습니다. 특정 DNA 모티프에 전사인자가 결합하면, 단백질과 직접 맞닿은 중심부는 오히려 탈아미노화로부터 보호받아 돌연변이가 일어나지 않는 '보호 영역'이 형성됩니다. 대신 결합 부위에서 약 30~40bp 떨어진 주변부에서 강력한 C to T 변이 신호가 나타나는 독특한 패턴을 보입니다. 이러한 풋프린팅 효과는 표적 외 노이즈와 실제 결합 신호를 명확하게 구분할 수 있게 해주며, 단일 세포 수준에서도 특정 단백질이 DNA의 어느 지점에 정밀하게 위치하는지를 입증하는 강력한 근거가 됩니다. 연구팀은 이 기술을 실제 인간의 혈액 세포 샘플에 적용하여 질병 발생 전 단계인 클론성 조혈증 상태를 분석했습니다. 특히 IDH2 유전자에 돌연변이가 생긴 기증자의 세포를 추적한 결과, 비정상적인 대사 산물이 TET2 활성을 방해하여 게놈 전반에 과메틸화가 일어나는 것을 확인했습니다. 이러한 환경 변화는 GC 함량이 높은 영역을 인식하는 CTCF 단백질의 결합을 방해하게 됩니다. D&D-seq과 유전형 분석 기술을 동시에 적용함으로써, 연구진은 특정 돌연변이를 가진 세포 내에서만 선택적으로 발생하는 전사인자 결합의 변화를 성공적으로 읽어낼 수 있었습니다. CTCF 결합의 상실은 단순히 단백질 하나가 떨어져 나가는 것에 그치지 않고 염색질 루프 구조의 붕괴로 이어집니다. 분석 결과, 돌연변이 세포의 CD8+ T 세포에서는 정상적인 염색질 상호작용이 약해지고 루프가 다른 방향으로 퍼져나가는 현상이 관찰되었습니다. 특히 특정 유전자 주변의 슈퍼 인핸서가 원래의 표적 대신 다른 영역과 루프를 형성하며 유전자 조절 네트워크를 교란하는 모습이 포착되었습니다. 이는 전사인자 결합의 미세한 변화가 어떻게 세포 전체의 게놈 구조를 재편하고 잠재적으로 질병으로 연결될 수 있는지를 시각적으로 증명한 중요한 발견입니다. 다중 오믹스 분석을 통한 연구에서는 RNA 발현과 단백질 결합 사이의 시간적 선후 관계를 규명했습니다. 적혈구 분화 과정에서 GATA1 전사인자를 추적한 결과, RNA가 먼저 발현되고 이후 단백질로 번역되어 DNA와 상호작용하기까지 일정한 시차가 발생하는 '래깅' 현상이 나타났습니다. 흥미로운 점은 분화가 진행됨에 따라 단백질 결합 신호가 사라진 이후에도 표적 유전자들의 발현은 한동안 유지된다는 사실입니다. 이는 단일 세포 수준에서 전사인자의 동역학을 이해하기 위해서는 단순히 RNA 수치만 보는 것이 아니라, 실제 단백질이 DNA에 머무는 시간을 정밀하게 측정해야 함을 시사합니다. 향후 D&D-seq은 전장 유전체 시퀀싱과 결합하여 폐쇄형 염색질 영역에서의 단백질 활동까지 분석 범위를 넓힐 계획입니다. 특히 명확한 결합 모티프가 없어 기존 기술로 포착하기 힘들었던 염색질 리모델러의 불안정하고 일시적인 결합을 연구하는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. EP300이나 mSWI/SNF 복합체와 같은 거대 단백질 구조체가 암세포에서 어떻게 변형되고 작용하는지를 추적함으로써, 고정된 이미지가 아닌 살아 움직이는 게놈의 변화를 파악할 수 있습니다. 이는 정밀 의료와 신약 개발을 위한 후성유전학적 지도를 완성하는 데 기여할 것입니다.

D&D-seq: 싱글셀 수준의 전사인자 프로파일링 기술
생물학연구정보센터학술웨비나
  • 생명과학

Cohesin clustering을 이용한 새로운 genome folding 조절자 발굴

인간의 게놈은 약 2미터에 달하는 긴 길이를 자랑하지만, 직경이 10마이크로미터에 불과한 세포핵 속에 정교하게 접혀 들어가 있습니다. 이러한 게놈 폴딩은 무작위가 아닌 치밀한 조절 과정을 거치며, 인핸서와 프로모터의 물리적 거리를 조절해 유전자 발현을 제어합니다. 이 과정의 핵심 기계는 링 구조를 가진 코히신 단백질 복합체입니다. 코히신은 NIPBL에 의해 로딩되고 DNA를 밀어내는 압출 작용을 통해 염색체 루프를 형성하며, CTCF를 만나 안정화되거나 WAPL에 의해 제거되는 과정을 반복하며 게놈의 3차원 구조를 형성합니다. 코히신에 의한 게놈 폴딩 이상은 코넬리아 드 랑게 증후군(CdLS)과 같은 심각한 발달 장애를 초래할 정도로 생명 활동에 필수적입니다. 연구에 따르면 히스톤 아세틸화 리더인 BRD4가 코히신 로더인 NIPBL과 상호작용하여 게놈 폴딩을 촉진한다는 사실이 밝혀졌습니다. 하지만 복잡한 핵 내 환경에서 게놈 폴딩이 어떻게 조절되는지에 대한 이해는 여전히 부족합니다. 다양한 핵 소체, 히스톤 수정, 그리고 아직 밝혀지지 않은 신호 전달 체계들이 코히신의 활동에 어떤 영향을 미치는지 규명하는 것은 현대 분자생물학의 중요한 과제 중 하나입니다. 복잡한 조절 메커니즘을 효율적으로 찾기 위해 코히신 응집 현상을 이용한 대규모 게놈 스크리닝 전략이 도입되었습니다. 코히신 제거 인자인 WAPL이 부족해지면 코히신이 염색체에 오래 머물며 서로 충돌하여 응집하는 현상이 발생합니다. 이를 기반으로 약 7,600개의 약물 타겟 유전자를 대상으로 스크리닝을 수행하여, 코히신의 응집 현상을 억제하거나 강화하는 인자들을 분석했습니다. 고해상도 공초점 현미경과 이미지 분석 파이프라인을 통해 100만 개 이상의 세포핵을 분석한 결과, NIPBL과 WAPL 같은 기존 조절자 외에도 다수의 새로운 후보 인자들을 확보할 수 있었습니다. 스크리닝을 통해 발견된 후보 인자들이 실제 게놈 폴딩에 미치는 영향을 확인하기 위해 올리고-FISH 기술이 활용되었습니다. 이 기술은 특정 염색체 도메인 간의 물리적 거리를 측정하여 게놈 상호작용의 변화를 직접적으로 보여줍니다. 실험 결과, NIPBL과 유사한 특성을 보인 후보 인자들은 도메인 간 거리를 증가시켜 폴딩을 약화시켰고, WAPL과 유사한 인자들은 거리를 좁혀 상호작용을 강화하는 경향을 보였습니다. 이는 단순히 코히신의 물리적 분포를 바꾸는 것을 넘어, 실제로 세포 내 3차원 게놈 구조를 재구성하는 조절자로서의 가능성을 입증한 결과입니다. 구체적인 성과로 pre-mRNA 가공 인자인 BCAS2와 미토콘드리아 복합체 I이 새로운 게놈 폴딩 조절자로 규명되었습니다. BCAS2는 핵 소체인 스펙클에서 NIPBL과 결합하여 코히신의 로딩을 촉진하는 것으로 밝혀졌으며, 미토콘드리아 신호 전달이 핵 내 게놈 구조에 영향을 줄 수 있다는 흥미로운 연결 고리도 확인되었습니다. 이러한 연구 결과는 게놈 폴딩이 단순히 독립적인 과정이 아니라, 세포의 대사 상태나 다양한 핵 내 구조물과 긴밀하게 소통하며 조절된다는 점을 시사합니다. 향후 폴리콤 복합체 등 추가적인 후보 인자들에 대한 후속 연구를 통해 게놈의 입체적 조절 지도가 완성될 것으로 기대됩니다.

Cohesin clustering을 이용한 새로운 genome folding 조절자 발굴
생물학연구정보센터학술웨비나
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