과학자들은 DNA 조직을 위한 '골디락스' 영역을 발견해 약물 개발에 새로운 문을 열었다

스크립스 연구소의 과학자들은 세포 회복력과 적응력을 이해하는 방식을 재정의할 수 있는 발견에서 폴리인산염(polyP)으로 알려진 인산염의 원시 무기 중합체와 생명의 두 가지 기본 구성 요소인 DNA와 원소 마그네슘 사이의 비밀스러운 상호 작용을 밝혀냈습니다. 이러한 구성 요소는 유연하고 적응 가능한 구조를 가진 작은 액체 방울(응축물이라고도 함)의 클러스터를 형성했습니다.

PolyP와 마그네슘은 많은 생물학적 과정에 관여합니다. 따라서 이 발견은 세포 반응을 조정하는 새로운 방법으로 이어질 수 있으며, 이는 전환 의학에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

2024년 10월 26일 Nature Communications 에 발표된 후속 연구에서는 DNA가 폴리P-마그네슘 이온 응축물을 감싸는 섬세한 "골디락스" 구역(특정 마그네슘 농도 범위)을 보여줍니다. 액체와 같은 내부를 덮고 있는 얇은 달걀 껍질과 비슷하게, 이 겉보기에 단순한 구조는 세포가 유전 물질을 구성하고 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 연구는 공동 선임 저자인 부교수 Lisa Racki, PhD와 교수 Ashok Deniz, PhD 간의 협업으로 시작되었습니다. 둘 다 Scripps Research의 통합 구조 및 계산 생물학과에 있습니다. Racki는 박테리아 세포에서 이러한 구조를 연구하고 있었고, Deniz의 바로 옆 연구실은 지난 10년 동안 생물 분자 응축물의 물리적 화학을 탐구하고 있었습니다. 그들은 협업이 이러한 고대 상호 작용을 푸는 유일한 방법이라는 것을 깨달았습니다.

"우리는 DNA가 세포 내의 마그네슘이 풍부한 polyP 응축물 근처에 있다는 것을 알고 있었지만, 현미경 아래에서 빛나는 아름다운 DNA 구형체에 완전히 놀랐습니다."라고 라키는 말합니다.

"분자 탐정으로서 이러한 구조를 보는 것은 DNA 껍질의 물리 및 수학에 대한 흥미로운 질문을 던지고, 그것이 polyP 응축물에 영향을 미쳤는지 여부에 대한 질문을 던졌습니다."라고 데니스는 덧붙여 말했습니다.

그들의 현미경 이미지는 DNA가 응축물 주위를 감싸서 얇은 달걀 껍질과 같은 장벽을 형성한다는 것을 보여주었습니다. 이 껍질은 분자 수송에 영향을 미칠 수 있고 융합(두 응축물이 하나로 합쳐지는 과정)을 늦출 수도 있습니다. DNA 껍질이 없으면 폴리P-마그네슘 이온 응축물은 쉽게 융합됩니다. 마치 샐러드 드레싱 병에 기름 방울과 식초를 흔들면 융합되는 것과 같습니다.

그러나 주의 깊게 조사한 결과, DNA 길이에 따라 융합이 전반적으로 다양한 정도로 느려지는 것으로 나타났습니다. 연구자들은 DNA가 길수록 응축물 표면에서 더 큰 얽힘이 발생한다고 의심했습니다. 이는 긴 머리카락이 짧은 머리카락보다 더 많이 엉키는 것과 유사합니다.

DNA는 응축물보다 직경이 1,000배 이상 얇기 때문에 분자 세부 사항을 시각화하기 어렵습니다. 다행히도 Scripps Research의 다른 두 교수인 Danielle Grotjahn 조교수, 박사, Scripps Fellow Donghyun Raphael Park, 박사가 이러한 이미징을 캡처하는 인프라를 개발했습니다.

연구자들은 Grotjahn의 도움을 받아 Park와 팀을 이루어 극저온 전자 단층촬영법을 사용하여 응축물 표면을 면밀히 조사했습니다. 이 기술은 빛 대신 전자를 사용하여 구조를 보존하기 위해 빠르게 동결된 샘플의 3차원 고해상도 이미지를 포착합니다. 새로운 이미지는 DNA가 응축물 표면에서 튀어나온 필라멘트를 형성한다는 것을 보여주었고, 이는 엉킨 머리카락과 유사합니다.

또 다른 중요한 발견은 DNA 껍질 형성이 특정 마그네슘 농도 범위 내에서만 일어났다는 것입니다. 너무 많거나 너무 적으면 껍질이 실현되지 않습니다. 이 "골디락스" 효과는 세포가 제어 매개변수를 조정하기만 하면 응축 구조, 크기 및 기능을 조절할 수 있는 방법을 강조합니다.

"우리는 세포 인터페이스를 경계로 생각하지만, 그것은 또한 분자가 조직화할 표면을 제공함으로써 새로운 풍경을 만듭니다."라고 라키는 말합니다. "DNA는 실제로 표면에서 엉킨 엉망이 아닐 수 있으며 대신 이러한 응축물에 의해 조직될 수 있습니다."

이러한 맥락에서 데니스와 라키는 DNA 초나선 구조, 즉 DNA가 스프링처럼 꼬여 세포 내부에 맞춰지는 방식을 이해하는 데 특히 관심을 갖고 있습니다.

"세포는 DNA 컬을 관리해야 합니다." 라키가 설명합니다. "흥미롭게도 DNA 초나선의 수학은 '거리 작용' 효과를 낳습니다. 밧줄을 꼬면 잡고 있는 곳에서 멀리 떨어진 곳에 코일이 생기는 것과 같습니다."

연구자들은 세포 내 폴리P 응축물과 DNA 상호작용이 장거리에 걸쳐 DNA 초나선의 국소적 변화를 전파하여 유전자 발현과 세포 기능의 더 광범위한 변화를 초래할 수 있다고 의심합니다. 이 효과를 조사하는 것은 팀의 다음 목표 중 하나입니다.

데니즈는 "우리는 이러한 발견을 활용해 세포 조절을 위한 새로운 도구를 개발할 수 있는 전망에 기대가 큽니다. 이는 생물의학을 위한 생물물질을 관리하는 더 간단하고 비용 효율적인 접근 방식일 수 있습니다."라고 말했습니다.

연구 "재진입 DNA 쉘이 폴리인산 응축물 크기를 조정한다"의 저자인 Deniz, Racki, Grotjahn 및 Park 외에 공동 제1저자로 Scripps Research의 Ravi Chawla, Jenna KA Tom, Tumara Boyd, Nicholas H. Tu 및 Tanxi Bai가 있습니다.

본 연구는 미국 국립보건원(NIGMS Grant R35 GM130375, Grant DP2-GM-739-140918 및 S10OD032467), 스크립스 연구 창업 기금, 미국 심장 협회의 박사후 펠로우십(수여 번호 #903967) 및 Pew Scholars Program의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241225145522.htm