박테리아 '플립핑(flipping)'으로 유전자가 다양한 형태를 갖게 됨
바퀴 한 번만 돌려도 당신의 외모가 바뀐다고 상상해보세요. 한 번만 뒤집어도 갈색 머리카락이 백금색 금발이 됩니다. 이는 일부 원핵생물이나 박테리아와 같은 단세포 생물에서 일어나는 일과 크게 다르지 않습니다. 이는 반전이라고 불리는 현상을 겪습니다.
스탠포드 의대의 과학자들이 주도한 연구에 따르면 DNA 세그먼트의 물리적 뒤집힘을 일으켜 유기체의 유전적 정체성을 바꾸는 역전이 단일 유전자 내에서 발생할 수 있다는 사실이 밝혀져, 하나의 유전자는 단 하나의 단백질만 코딩할 수 있다는 생물학의 중심 교리에 도전하는 것으로 나타났습니다.
"박테리아는 제가 처음 생각했던 것보다 훨씬 더 멋진데, 저는 미생물학자이기 때문에 이미 꽤 멋진 줄 알았어요." 혈액학 박사후 연구원인 레이첼 채닌 박사의 말입니다. 미생물학자들은 수십 년 동안 박테리아가 DNA의 작은 부분을 뒤집어 유전자를 활성화하거나 비활성화할 수 있다는 사실을 알고 있었다고 채닌은 말했습니다. 하지만 연구진이 아는 한, 그런 공중제비 조각들은 단일 유전자의 범위 내에서 발견된 적이 없습니다.
"개"라는 단어의 글자 순서를 바꾸면 문장의 의미가 완전히 바뀔 수 있는 것과 같은 방식("나는 개다." 대 "나는 신이다")으로, 유전자 내 역전은 본질적으로 동일한 물질을 사용하여 박테리아의 유전학을 재코딩합니다. 그 결과 유전자가 활성화되거나, 유전자 활동이 중단되거나, 역전될 때 다른 단백질을 생성하도록 코딩하는 시퀀스가 생길 수 있습니다.
"저는 데이터를 보고 '이게 옳을 리가 없어. 너무 터무니없어서 사실이 아닐 거야'라고 생각했던 걸 기억해요." 유전학 및 의학 교수인 아미 바트 박사의 말입니다. "그 후로 몇 년 동안 우리는 우리가 실수를 했다는 걸 스스로 확신시키려고 노력했습니다. 하지만 우리가 아는 한, 실수는 없었습니다."
과학자들의 연구 결과를 자세히 설명한 연구가 9월 25일 Nature 에 게재되었습니다 . Chanin과 전 박사후 연구원인 Patrick West, PhD가 공동으로 연구를 주도했습니다. Bhatt가 수석 저자입니다.
플립플롭핑
1920년대에 과학자들은 살모넬라균 치료법을 찾던 중 처음으로 역전의 단서를 발견했습니다. 그들은 면역 분자가 다른 동물에게 전달되어 감염을 막을 수 있기를 바라며 박테리아에 감염된 동물에게서 항체를 수집하려고 했습니다. 하지만 결코 효과가 없었습니다. 유전적으로 동일하다고 알고 있던 박테리아 균주조차도 반격할 수 있었습니다. 과학자들은 이제 회피가 동물의 면역을 피할 수 있는 방식으로 박테리아를 재코딩하는 역전 덕분이라는 것을 알고 있습니다.
그 이후로 미생물학자들은 다양한 종류의 원핵생물의 작은 DNA 세그먼트에서 발생하는 역전을 발견했습니다. 하지만 Bhatt와 그녀의 팀은 단일 유전자 내에서도 발생할 수 있는지 궁금해했습니다. West는 박테리아 게놈 내에서 가능한 역전을 식별하는 PhaVa라는 알고리즘을 만들었습니다.
이 소프트웨어는 본질적으로 다양한 원핵생물에서 수천 개의 게놈 시퀀스 세그먼트를 다운로드하고 잠재적 역전의 반대편에서 "뒤집을 수 있는" 것처럼 보이는 영역(역반복이라고 하는 무언가가 있는 세그먼트, 중복된 팰린드롬적 품질(예: ATTCC 및 CCTTA))을 스캔합니다. 이 알고리즘은 이러한 시퀀스가 뒤집히면 어떻게 보일지에 대한 카탈로그를 만들고, 만들어진 게놈과 실제 시퀀스를 비교합니다. 그런 다음 뒤집힌 시퀀스와 뒤집히지 않은 시퀀스가 모두 유기체의 게놈 내에 존재하는 영역을 계산하며, 모든 일치는 가능한 역전을 나타냅니다.
이 소프트웨어는 박테리아와 다른 원핵생물 종에 존재하는 수천 개의 역전을 식별하여 역전이 유전자 내에서 발생한다는 것을 처음으로 밝혀냈습니다. 이는 단일 유전자 역전이 발생할 뿐만 아니라 비교적 흔할 수도 있다는 생각을 불러일으켰다고 Bhatt는 말했습니다.
"이것은 우리에게 정말 놀라운 일이었습니다." Bhatt가 말했다. "우리가 아는 한 이런 일은 전에 한 번도 본 적이 없습니다."
한 가지 큰 의문이 남습니다. 무엇이 역전의 원인일까요? 연구팀은 역전을 중재하는 특정 효소와 변화를 주도하는 특정 환경적 단서가 있다고 의심합니다.
"이제 해야 할 일이에요." Bhatt가 말했습니다. "다음 단계 중 하나는 분자 문법을 해독하여 효소 데이터베이스와 그들이 뒤집는 역반복 데이터베이스를 구축하는 것입니다."
역전 해석
역전에 대해 알아야 할 것이 아직 많이 남아 있지만, Bhatt는 수많은 응용 분야에 잠재력이 있다고 봅니다. 그녀는 "이것은 사실상 유전적이고 가역적인 유형의 유전적 조절입니다."라고 말했습니다.
그녀는 과학자들이 결국 역전을 사용하여 유전자 발현을 제어하는 토글 가능한 박테리아 시스템을 만들 수 있을 것이라고 가정하는데, 이는 합성 생물학 연구에 도움이 될 수 있습니다. 또는 특정 질병과 박테리아 역전 상태 사이에 연관성이 있을 수 있으며, 이 경우 박테리아의 상태를 전환하고 질병을 조절할 방법이 있을 수 있습니다.
"이런 유형의 적응은 우리 앞에 숨어서 올바른 도구와 올바른 기술, 생물학적 질문이 제기되기를 기다리고 있었습니다."라고 차닌은 말했습니다. "그리고 저는 얼마나 많은 박테리아 비밀이 우리가 밝혀내기를 기다리고 있을지 궁금해집니다."
프린스턴 대학의 연구자들이 이 연구에 기여했습니다.
이 연구는 미국 국립보건원(보조금 R01 AI148623, R01 AI143757, R01 AI174515, HG000044, HL120824, TL1TR003019, 1S10OD02014101), AP 지아니니 재단, 미국 국립과학재단 대학원 연구 펠로우십, 스탠포드 DARE 펠로우십, Stand Up 2 Cancer Foundation의 자금 지원을 받았습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240925123645.htm
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