DNA의 움직임이 유전자 활동을 조절하는 방법

최첨단 과학을 수행하려면 고정관념을 깨고 다양한 과학 분야를 통합해야 합니다. 때때로 이것은 적절한 시간에 적절한 장소에 있다는 것을 의미하기도 합니다. ISTA의 박사후 연구원이자 NOMIS 펠로우인 David Brückner에게 위에서 언급한 모든 사항은 Princeton University의 Thomas Gregor 교수의 캠퍼스 내 강의에 참석하면서 적용되었습니다. 연설에서 영감을 얻은 Brückner는 Gregor가 제시한 특정 데이터 세트를 물리적으로 해석하는 아이디어를 가지고 손을 뻗었습니다. 이제 그들의 협업 결과가 과학. 그들은 유전자가 3D 공간에서 활성화되기 위해 접촉해야 하는 염색체의 두 특정 유전자 요소의 확률적(무작위) 움직임을 강조합니다.

DNA가 세포핵에 들어가는 방법

인간과 같은 살아있는 유기체는 DNA(분자 청사진)에 저장된 유전자를 기반으로 합니다. DNA는 더 작은 개별 부분(단량체)의 거대한 분자인 중합체입니다. 그것은 모든 세포의 핵에 있습니다. “유기체에 따라 DNA 폴리머의 길이는 최대 미터가 될 수 있지만 핵의 크기는 미크론 수준입니다.”라고 Brückner는 설명합니다. 작은 핵에 들어가기 위해 DNA는 실패처럼 감겨 압축되고, 생물학 교과서에서 모두 접한 잘 알려진 형태의 염색체로 더 압축됩니다.

“크게 응축되어 있음에도 불구하고 염색체는 정적이지 않고 항상 흔들리고 있습니다.”라고 물리학자는 계속합니다. 이러한 역학은 매우 중요합니다. 특정 유전자가 활성화되어야 할 때마다 “enhancer”와 “promoter”라는 폴리머의 두 영역이 서로 밀착되어 결합해야 합니다. 이것이 일어날 때만 세포 기계는 유전자의 정보를 읽고 RNA 분자를 형성하며, 이는 결국 살아있는 유기체가 필요로 하는 모든 과정에 필수적인 단백질을 발생시킵니다.

유기체에 따라 인핸서와 프로모터는 염색체에서 서로 상당히 멀리 떨어져 있을 수 있습니다. “이전에 사용된 방법을 사용하면 이러한 요소 사이의 거리에 대한 정적인 보기를 얻을 수 있지만 시간이 지남에 따라 시스템이 어떻게 발전하는지 알 수 없습니다.”라고 Brückner는 설명합니다. 이 누락된 정보에 흥미를 느낀 과학자들은 이러한 요소가 어떻게 구성되고 3D 공간에서 실시간으로 어떻게 움직이는지 동적으로 살펴보기 시작했습니다.

유전자 영역 시각화

이 목표를 달성하기 위해 Princeton의 실험 과학자들은 파리 배아에서 일정 기간 동안 이 두 가지 DNA 요소를 추적하는 방법을 확립했습니다. 유전자 조작을 통해 DNA 요소에 형광 표지를 붙였는데, 인핸서 영역은 녹색으로, 프로모터는 파란색으로 표시되었습니다. 라이브 이미징(살아 있는 세포의 시간 경과 현미경)을 사용하여 과학자들은 파리 배아의 형광 반점을 시각화하여 파리 배아가 서로를 찾기 위해 어떻게 움직이는지 볼 수 있었습니다.

두 지점이 근접하게 되면 유전자가 활성화되고 RNA도 적색 형광단으로 표시됨에 따라 추가 적색광이 켜집니다. Brückner는 “인핸서와 프로모터가 접촉한 시점을 시각적으로 판독했습니다. 이를 통해 그들의 궤적에 대한 많은 정보를 얻을 수 있었습니다.”라고 흥분하여 덧붙였습니다.

DNA는 조밀하게 포장되어 있으며 빠른 움직임을 보입니다.

그때 문제는 이 거대한 확률 운동 데이터 세트를 분석하는 방법이었습니다. 이론 물리학에 대한 그의 배경 덕분에 Brückner는 통계를 추출하여 시스템의 일반적인 동작을 이해할 수 있었습니다. 그는 데이터를 잘라내기 위해 두 가지 단순화된 서로 다른 물리적 모델을 적용했습니다.

하나는 Rouse 모델이었습니다. 폴리머의 모든 모노머가 탄성 스프링이라고 가정합니다. 그것은 느슨한 구조와 빠른 확산, 즉 때때로 유전자 영역이 서로 만나는 무작위적인 움직임을 예측합니다. 다른 모델은 “프랙탈 소구체”라고 합니다. 그것은 매우 조밀한 구조를 예측하므로 확산이 느립니다. “놀랍게도 우리는 시스템이 프랙탈 소구체 모델을 기반으로 예상할 수 있는 고밀도 구조와 Rouse 모델의 통계로 설명되는 확산의 조합으로 시스템이 설명된다는 것을 데이터에서 발견했습니다.” 브루크너는 설명합니다.

조밀한 패킹과 빠른 움직임의 조합으로 인해 이 두 유전자 영역의 결합은 이전에 예상했던 것보다 염색체를 따른 거리에 훨씬 덜 의존합니다. “이러한 시스템이 항상 유동적이고 역동적인 상태에 있다면 장거리 통신은 우리가 생각했던 것보다 훨씬 낫습니다.”라고 Brückner는 덧붙입니다.

이 연구는 생물학과 물리학의 세계를 결합합니다. 물리학자들에게는 흥미로운데, 과학자들이 오랫동안 존재해 온 물리 이론으로 복잡한 생물학적 시스템의 역학을 테스트했기 때문입니다. 생물학자들에게는 염색체의 특성에 대한 통찰력을 제공하여 유전자 상호 작용과 유전자 활성화를 보다 자세히 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/06/230629193228.htm