박테리아 세포는 자손에게 기억을 전달합니다

박테리아 세포는 신체와 주변 환경의 짧고 일시적인 변화를 "기억"할 수 있다는 새로운 노스웨스턴 대학과 텍사스 대학-사우스웨스턴 연구 결과가 밝혀졌습니다.

그리고 이러한 변화가 세포의 유전학에 암호화되어 있지는 않지만 세포는 여전히 여러 세대에 걸쳐 그 변화에 대한 기억을 자손에게 전달합니다.

이 발견은 가장 단순한 유기체가 어떻게 신체적 특성을 전달하고 상속하는지에 대한 오랜 가정에 도전할 뿐만 아니라 새로운 의료 응용 분야에도 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 연구자들은 병원성 박테리아를 미묘하게 조정하여 그 자손이 여러 세대에 걸쳐 치료에 더 민감하도록 만들어 항생제 내성을 피할 수 있습니다.

이 연구는 수요일(8월 28일) 사이언스 저널에 게재될 예정입니다.

“박테리아 생물학의 핵심 가정은 유전되는 물리적 특성이 주로 DNA에 의해 결정된다는 것입니다.”라고 이번 연구의 수석 저자인 Northwestern 대학의 Adilson Motter가 말했습니다. "그러나 복잡한 시스템의 관점에서 우리는 정보가 유전자 간의 조절 관계 네트워크 수준에 저장될 수도 있다는 것을 알고 있습니다. 우리는 DNA에 암호화되지 않은 부모에게서 자손에게 전달되는 특성이 있는지 탐구하고 싶었습니다. 오히려 조절 네트워크 자체에서 우리는 유전자 조절의 일시적인 변화가 자손에게 전달되는 네트워크 내에서 지속적인 변화를 각인한다는 것을 발견했습니다. 즉, DNA가 남아 있는 동안 부모에게 영향을 미치는 변화의 반향이 조절 네트워크에 지속된다는 것을 발견했습니다."

Motter는 노스웨스턴 와인버그 예술과학대학 물리학과의 Charles E.와 Emma H. ​​Morrison 교수이자 네트워크 역학 센터의 소장입니다. 이 연구의 공동 제1저자는 Motter 연구실의 박사후 연구원인 Thomas Wytock과 대학원생 Yi Zhao입니다. 이 연구에는 텍사스 대학교 사우스웨스턴 메디컬 센터(University of Texas Southwestern Medical Center)의 시스템 생물학자인 Kimberly Reynolds와의 협력도 포함되어 있습니다.

모델 유기체로부터 학습

연구자들은 1950년대에 유전암호의 분자적 토대를 처음으로 확인한 이후 형질은 주로 DNA를 통해 전달된다고 가정해 왔습니다. 그러나 2001년 인간 게놈 프로젝트가 완료된 후 연구자들은 이 가정을 다시 검토했습니다.

Wytock은 제2차 세계 대전의 네덜란드 기근을 인간의 유전적, 비유전적 특성의 가능성을 가리키는 유명한 사례로 인용합니다. 최근 연구에 따르면 자궁 내 기근에 노출된 남성의 자녀는 성인이 되어 과체중이 되는 경향이 증가하는 것으로 나타났습니다. 그러나 인간에서 이러한 유형의 비유전적 유전의 궁극적인 원인을 찾아내는 것은 어려운 일이었습니다.

"복잡한 유기체의 경우 생존자 편향과 같은 혼란스러운 요인을 풀어내는 것이 과제입니다."라고 Motter는 말했습니다. "그러나 아마도 우리는 가장 단순한 단세포 유기체의 원인을 분리할 수 있을 것입니다. 왜냐하면 우리는 그들의 환경을 통제하고 그들의 유전학을 조사할 수 있기 때문입니다. 이 경우에 뭔가를 관찰한다면, 비유전적 유전의 기원을 제한된 수의 생물에 돌릴 수 있습니다. 가능성, 특히 유전자 조절의 변화입니다."

조절 네트워크는 유전자가 서로 영향을 주기 위해 사용하는 통신 네트워크와 유사합니다. 연구팀은 이 네트워크만으로도 형질을 자손에게 전달하는 열쇠를 가질 수 있다는 가설을 세웠습니다. 이 가설을 탐구하기 위해 Motter와 그의 팀은 일반적인 박테리아이자 잘 연구된 모델 유기체인 대장균(E. coli)을 선택했습니다.

"E. coli의 경우 전체 유기체는 단일 세포입니다"라고 Wytock은 말했습니다. "그것은 인간 세포보다 훨씬 적은 유전자를 가지고 있습니다. 즉, 20,000개가 아닌 약 4,000개의 유전자를 가지고 있습니다. 또한 효모의 DNA 조직 지속성과 고등 유기체의 다양한 세포 유형의 기초가 되는 것으로 알려진 세포 내 구조가 부족합니다. 왜냐하면 대장균은 잘 연구된 모델 유기체이기 때문에 우리는 유전자 조절 네트워크의 조직을 어느 정도 자세히 알고 있습니다."

가역적 스트레스, 비가역적 변화

연구팀은 E. coli의 개별 유전자의 일시적인 비활성화(및 후속 재활성화)를 시뮬레이션하기 위해 규제 네트워크의 수학적 모델을 사용했습니다. 그들은 이러한 일시적인 변동이 여러 세대에 걸쳐 유전될 것으로 예상되는 지속적인 변화를 생성할 수 있음을 발견했습니다. 팀은 현재 영구적이 아닌 일시적으로 유전자를 비활성화하는 CRISPR의 변형을 사용하여 실험실 실험에서 시뮬레이션을 검증하기 위해 노력하고 있습니다.

그러나 변화가 DNA가 아닌 조절 네트워크에 암호화되어 있다면 연구팀은 세포가 어떻게 변화를 세대에 걸쳐 전달할 수 있는지 의문을 제기했습니다. 그들은 가역적인 교란이 규제 네트워크 내에서 되돌릴 수 없는 연쇄 반응을 촉발한다고 제안합니다. 하나의 유전자가 비활성화되면 네트워크에서 그 옆에 있는 유전자에 영향을 미칩니다. 첫 번째 유전자가 재활성화될 때쯤에는 유전자가 일단 활성화되면 외부 영향에 영향을 받지 않는 자립 회로를 형성할 수 있기 때문에 이미 연쇄반응이 본격화됩니다.

복잡한 시스템의 동적 동작 전문가인 Motter는 "이것은 네트워크 현상입니다."라고 말했습니다. "유전자는 서로 상호작용합니다. 한 유전자를 교란시키면 다른 유전자에도 영향을 미칩니다."

그의 팀은 가설을 테스트하기 위해 유전자를 비활성화하고 있지만 Motter는 다양한 유형의 교란이 유사한 효과를 일으킬 수 있음을 분명히 밝혔습니다. "우리는 또한 세포의 환경을 바꿀 수도 있었습니다"라고 그는 말했습니다. "온도, 영양분의 가용성 또는 pH가 될 수 있습니다."

이 연구는 또한 다른 유기체가 비유전적 유전성을 나타내는 데 필요한 요소를 가지고 있음을 시사합니다. "생물학에서는 어떤 것이 보편적이라고 가정하는 것은 위험합니다"라고 Motter는 주장합니다. "그러나 직관적으로 나는 대장균의 조절 네트워크가 다른 유기체에서 발견되는 것과 유사하거나 단순하기 때문에 그 효과가 일반적일 것이라고 기대합니다."

"박테리아 조절 네트워크의 비가역성"이라는 연구는 국립과학재단(수상 번호 MCB-2206974)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240828154929.htm