울산과학시술원(유니스트)는 생명과학부의 김하진 교수가 세포핵 속 DNA가 마치 물과 기름처럼 분리된 구조를 만들 수도 있다는 `DNA 상분리` 개념을 제시했다고 20일 밝혔다. 기존 생물학에서와 다르게 물리학적 원리로 DNA의 작동을 설명한 것이다.
김 교수에 따르면 엄청나게 긴 DNA가 무수히 접히고 말려서 세포핵에 들어가 있는데 그 안에 공간적으로 구분된 영역들이 생긴다. 세포가 당장 활용할 DNA 정보들은 열린 구조로 만들어서 쉽게 접근하고, 그렇지 않은 부분은 뭉쳐서 압축파일처럼 보관하는 식이다. 두 가지 혹은 그 이상의 DNA 영역들이 분리된 공간을 만들어 세포가 효율적으로 정보를 사용하는 기반을 마련한다. 물리학에서는 이런 현상을 `위상분리`라는 개념으로 다룬다. 온도나 압력, 구성 분자 등이 달라지면서 고체, 액체, 기체 뿐 아니라 같은 액체 내에도 물과 기름처럼 섞이지 않는 상들이 생기는 것이다. 그런데 최근 물, 단백질, 지질 등의 다양한 분자가 뒤섞여 있는 생체 시스템에서도 흥미로운 상분리 현상들이 보고되고 있다.
김하진 교수는 "물리학의 전유물이라고 여겼던 상분리 현상이 DNA에서도 발생한다는 걸 처음 제시한 연구"라며 "DNA 상분리가 유전자 발현과 줄기세포 분화 등 세포 활동을 결정지을 가능성을 분자 수준에서 보였다"고 설명했다. DNA 상분리에는 정전기적인 힘이 작용한다. 기본적으로 DNA는 강한 음전하(-)를 갖기 때문에 서로 밀어내는 힘이 강하다. 그런데 특정 종류의 다가양이온(+)이 들어가면 서로를 끌어당기며, 이 정도는 DNA의 서열에 따라 달라진다. 김하진 교수팀은 이 내용을 시뮬레이션으로 예측하고 실험으로 확인해 2016년 Nature Communications에 발표했다. 이번에는 그 원리가 폴리아민과 핵산 분자의 메틸기 사이의 상호작용 때문임을 실험적으로 증명하였다. DNA는 네 가지 염기로 이뤄지는데, 반드시 아데닌-티민, 구아닌-시토신으로 짝을 지어 이중나선의 양측에 배열된다. 이중 AT 쌍이 풍부하거나 연속해 나올수록 DNA 사이의 인력이 강해졌다.
김하진 교수는 "티민은 `C5 메틸기`라는 걸 가지는데, 흥미롭게도 이걸 시토신에 더해주면 GC 쌍이 마치 AT 쌍처럼 강한 인력을 나타냈다"며 "시토신에 붙는 C5 메틸기는 후성유전학에서 가장 주요한 DNA의 화학변이라 후성유전적인 염색체 구조 조절과 줄기세포 분화와의 연관을 기대해 볼 수 있다"고 전망했다.이번 연구는 영국 옥스퍼드대학 출판사에서 발행하는 저명한 생물학 저널 `뉴클레익 에시드 리서치` 7월 19일자 온라인판에 게재됐다. 허종학 기자
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