김형표 연세대 의과대학 환경의생물학교실 교수 연구팀은 조원기 KAIST 생명과학과 교수 연구팀과 세포 고유 기능을 결정하는 전사 상분리체 형성에서 CTCF 단백질의 역할을 규명했다고 23일 밝혔다. 이번 연구 결과는 옥스퍼드 대학교에서 발간하는 핵산 연구(Nucleic Acids Research, IF 16.971) 최신호에 게재됐다. 

신체를 구성하는 세포는 동일한 유전 정보를 보유하는 동시에 고유의 기능을 수행한다. 고유 기능을 갖기 위해서는 세포 분화 과정에서 세포 정체성을 결정하는 유전자 발현이 필요하다. 

슈퍼-인핸서(Super-enhancer)는 이런 유전자 발현 단계에서 핵심적인 역할을 수행한다. 슈퍼-인핸서가 만드는 유전자는 세포 기능에 필수일뿐만 아니라 발현양이 다른 유전자에 비해 많고 암이나 발달 장애 등 질병 발생에도 관여한다.

슈퍼-인핸서가 관여하는 유전자 발생에는 RNA 중합효소 등 다양한 전사인자들이 참여한다. 특히, 슈퍼-인핸서에 붙어있는 단백질이 상분리를 통해 ‘전사 상분리체’를 형성하는 것이 유전자 발현에서 중요하다고 알려져 있다. 상분리란 한 공간에서 농도가 다른 물질이 완전 분리되는 것을 말한다. 하지만 아직까지 전사 상분리체의 형성 과정에 영향을 미치는 요인에 관한 연구는 부족하다.

연구팀은 DNA 전사복제를 조절하는 염색질 3차 구조가 슈퍼-인핸서의 기능을 제한한다는 사실에 착안해 염색질 3차 구조를 결정하는 핵심 단백질인 CTCF가 전사 상분리체에 미치는 영향을 검증했다. 

DNA 내 염기서열을 교정하는 크리스퍼(CRISPR) 가위를 이용해 세포에서 CTCF를 선택적으로 제거하고 동시에 상분리체를 만드는 개개의 단백질에 형광 물질을 부착해 초고해상도 현미경으로 관찰할 수 있도록 만든 세포주를 제작했다. 세포주는 생체 밖에서 배양해 실제와 동일한 세포집합을 의미한다.

연구팀은 염색질 3차 구조를 이루는 단백질인 CTCF의 유무에 따라 유전자가 위치한 염색질 3차 구조가 변화하는 것을 확인하고 CTCF가 결정하는 염색질 3차 구조가 전사 상분리체 형성을 직접적으로 조절한다는 것을 밝혀냈다. 염기서열분석 기술을 이용한 염색질 구조 분석과 초고해상도 형광이미징을 통한 실시간 상분리체 관찰을 통해서다.

김형표 교수는 “유전자 연구 패러다임이 유전적 변이 발굴을 위한 1차원적인 염기서열 분석이나 전사조절부위 발굴을 위한 2차원적인 후성유전학적 특성 분석을 넘어서서 유전자가 존재하는 공간과 시간적 변화를 연구하는 4차원적 단계로 진화하고 있다”며 “이번 연구 결과는 개인의 유전적인 정보 등 생물학적 특성은 물론 유전자와 질병 간의 연관성을 밝히는 열쇠가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 ‘바이오의료기술개발사업’과 ‘중견연구자지원사업’, 그리고 서경배 과학재단의 “신진과학자 연구지원 프로그램” 등의 지원으로 수행됐다.

김형표 연세대 교수(왼쪽)와 조원기 KAIST 교수.(세브란스병원 제공)