2000년대 초 인간 게놈 프로젝트에서 우리 인간이 약 20,000개의 단백질 코딩 유전자를 가지고 있다는 사실이 발견되었습니다. 그 수는 작은 토양에 서식하는 선충류만큼 많고 벼의 절반도 안되는 수입니다. . 하지만 우리의 자존심에 대한 타격은 인간 게놈에 규제 연결이 풍부하다는 생각으로 인해 누그러졌습니다. 우리의 유전자는 밀집된 네트워크에서 상호 작용하며, DNA 조각과 DNA 조각이 암호화하는 분자(RNA 및 단백질)는 다른 유전자의 "발현"을 제어하여 각각의 RNA와 단백질을 만드는지 여부에 영향을 미칩니다. 인간 게놈을 이해하려면 이러한 유전자 조절 과정을 이해해야 합니다.

그러나 그 작업은 게놈 서열을 해독하는 것보다 훨씬 어려운 것으로 입증되었습니다.

처음에는 유전자 조절이 디지털 방식으로 다른 유전자의 켜기/끄기 스위치 역할을 하는 하나의 유전자 산물의 단순한 문제라고 의심되었습니다. 1960년대 프랑스의 생물학자 프랑수아 자코브(François Jacob)와 자크 모노(Jacques Monod)가 처음으로 해명했습니다. 유전자 조절 과정 기계적 세부사항: In 대장균 박테리아의 경우 억제 단백질이 DNA의 특정 부분에 결합하면 당 유당을 소화하는 효소를 암호화하는 인접한 유전자 세트의 전사와 번역을 차단합니다. Monod와 Jacob이 명명한 이 조절 회로는 라크 오페론은 깔끔하고 투명한 논리를 가지고 있습니다.

그러나 인간과 같은 동물, 복잡한 진핵 세포를 가진 복잡한 후생동물의 유전자 조절은 일반적으로 이런 방식으로 작동하지 않는 것 같습니다. 대신, 염색체 전체에 있는 단백질, RNA 및 DNA 조각을 포함하여 유전자 발현을 제어하기 위해 어떻게든 협력하는 분자 집단이 관련됩니다.

진핵생물의 이러한 조절 과정에는 박테리아와 기타 단순 원핵세포에서 일반적으로 볼 수 있는 것보다 더 많은 역할이 있다는 것만이 아닙니다. 그것은 완전히 다른 과정이자 더 모호한 과정인 것 같습니다.

생물물리학자이자 생명공학자가 이끄는 스탠포드 대학의 팀 폴리 포다이스, 이제 유전자 조절의 퍼지 모드의 구성 요소를 발견한 것 같습니다. 그들의 일, 지난 9월에 출판됨 과학는 유전자 근처의 DNA가 다양한 조절 분자를 가두기 위한 일종의 얕은 우물 역할을 하며, 필요할 때 유전자 활성화 여부에 대한 결정에 자신의 목소리를 추가할 수 있도록 해당 분자가 활동할 수 있도록 준비 상태를 유지한다고 제안합니다.

이러한 조절 우물은 확실히 이상한 DNA 뻗기로 만들어집니다. 이는 1개에서 6개 염기쌍 길이의 짧은 DNA가 여러 번 반복되는 서열로 구성됩니다. 이러한 "짧은 직렬 반복"(STR)의 수십 복사본은 동일한 작은 "단어"가 계속해서 쓰여지는 것처럼 이러한 시퀀스로 함께 연결될 수 있습니다.

STR은 인간 게놈에 풍부하게 존재하며 전체 DNA의 약 5%를 구성합니다. STR로만 구성된 반복적인 DNA "텍스트"는 STR의 문장을 구성하는 불규칙한 문자 순서만큼 의미 있는 정보를 거의 담을 수 없기 때문에 STR은 한때 "정크" DNA의 전형적인 예라고 생각되었습니다. 기사.

그러나 STR은 분명히 중요하지 않습니다. 이는 헌팅턴병, 척수근위축증, 크론병 및 일부 암과 같은 질병과 관련이 있습니다. 지난 수십 년 동안 유전자 조절을 강화하거나 억제할 수 있다는 증거가 축적되었습니다. 미스터리는 정보 내용이 그렇게 적으면서 어떻게 그토록 강력할 수 있었는가였습니다.

복잡한 셀을 위한 복잡한 제어

STR이 유전자 조절이라는 큰 그림에 어떻게 들어맞는지 이해하기 위해 한 걸음 물러나 보겠습니다. 유전자는 RNA나 단백질을 암호화하지 않지만 조절 기능을 갖는 DNA 조각이 일상적으로 옆에 있습니다. 박테리아 유전자에는 중합효소가 결합하여 인접한 DNA를 RNA로 전사할 수 있는 "프로모터" 영역이 있습니다. 그들은 또한 억제 단백질이 전사를 차단하기 위해 결합하여 유전자를 끄는 "작동자" 영역을 일상적으로 가지고 있습니다. 라크 오페론.

인간과 다른 진핵생물에서는 조절 서열이 더 많고 다양할 수 있으며 당혹스러울 수 있습니다. 예를 들어 인핸서(enhancer)라고 불리는 영역은 유전자가 전사될 확률에 영향을 미칩니다. 인핸서는 유전자 발현을 촉진하거나 억제하기 위해 결합할 수 있는 전사 인자라고 불리는 단백질의 표적이 되는 경우가 많습니다. 이상하게도 일부 인핸서는 자신이 조절하는 유전자에서 수만 염기쌍 떨어져 있으며, 꽉 찬 염색체에 있는 DNA 고리의 물리적 재배열을 통해서만 인핸서에 가까워집니다.

진핵생물의 유전자 조절은 일반적으로 하나 이상의 전사 인자 및 기타 분자와 함께 이러한 다양한 DNA 조절 블록을 포함하며, 모두가 무엇을 해야 할지 결정하기 위해 소집된 위원회와 같이 유전자 주위에 모입니다. 그들은 느슨하고 조밀한 클러스터로 모입니다.

종종 분자 참여자들은 분자생물학에서 흔히 볼 수 있는 고도로 선택적인 "자물쇠와 열쇠" 쌍을 통해 상호작용하지 않는 것 같습니다. 대신에 그들은 덜 까다롭고, 마치 이리저리 돌아다니며 서로 짧은 대화를 나누는 것처럼 다소 약하고 무선택적으로 상호 작용합니다.

사실, 진핵생물에서 전사 인자가 DNA에 어떻게 결합하는지는 미스터리였습니다. 전사 인자의 일부 부분은 퍼즐 조각처럼 DNA의 결합 "모티프" 서열과 밀접하게 일치해야 한다고 오랫동안 가정되어 왔습니다. 그러나 그러한 모티프 중 일부가 확인되었음에도 불구하고 그 존재가 과학자들이 세포에서 DNA에 달라붙는 전사 인자를 발견하는 위치와 항상 잘 연관되는 것은 아닙니다. 때로는 전사 인자가 모티프 없이 영역에 남아 있는 반면, 전사 인자와 강력하게 결합해야 하는 것처럼 보이는 일부 모티프는 비어 있는 상태로 남아 있습니다.

"전통적으로 유전체학의 목표는 전사 인자에 의해 게놈 부위를 [이진] 방식으로 '결합' 또는 '결합 해제'로 분류하는 것이었습니다."라고 Fordyce는 말했습니다. "하지만 사진은 그것보다 훨씬 더 미묘한 차이가 있어요." 유전자 조절 "위원회"의 개별 구성원은 회의에 항상 참석하거나 참석하지 않는 것처럼 보이지 않으며 오히려 참석 여부가 다를 확률이 다릅니다.

진핵생물의 유전자 조절이 큰 분자 복합체 사이의 매우 다양하고 약한 상호작용에 의존하는 경향은 "이론적으로 이해하기가 매우 어려운 것 중 하나"라고 생물물리학자는 말했습니다. 토마스 쿨만 캘리포니아 대학교 리버사이드 캠퍼스의 저술가 해설 Fordyce 연구실의 논문에서 과학. 이 혼란스러워 보이는 과정에서 유전자를 켜고 끄는 정확한 결정이 어떻게 나타나는지는 심오한 수수께끼입니다.

그 결정 과정의 신비롭고 모호한 논리 외에도 모든 위원회 구성원이 어떻게 올바른 방으로 가는 길을 찾아 거기에 머무를 수 있는지에 대한 문제도 있습니다. 분자는 일반적으로 확산에 의해 세포 주위를 이동하고 물과 같은 주변의 다른 모든 분자에 의해 영향을 받으며 무작위 방향으로 떠돌아다닙니다. 우리는 이러한 느슨한 위원회가 규제 업무를 수행하기에는 너무 빨리 분리될 것이라고 예상할 수 있습니다.

Fordyce와 그녀의 동료들은 이것이 STR이 들어오는 곳이라고 생각합니다. STR은 DNA의 인핸서 사이트 내에서 매우 흔합니다. 논문에서 연구자들은 STR이 전사 인자를 모아서 이탈을 막는 끈적끈적한 패치 역할을 한다고 주장합니다.

끈적임 미세 조정

Fordyce의 그룹은 STR 서열의 차이가 전사 인자가 결합 모티프에 달라붙는 데 어떻게 영향을 미치는지 체계적으로 조사했습니다. 그들은 특정 6개 염기 모티프를 고수하는 두 가지 요인(하나는 효모, 다른 하나는 인간)을 조사했습니다. 연구자들은 모티프가 무작위 서열 대신 STR 옆에 있을 때 결합의 강도(또는 친화력)와 전사 인자가 고착되거나 풀리는 속도(동역학)를 모두 측정했습니다. 비교를 위해 그들은 인자가 STR 단독과 완전히 무작위적인 DNA 서열에 얼마나 쉽게 결합하는지를 조사했습니다.

"이 분야의 가장 큰 과제 중 하나는 게놈의 특정 위치에서 [전사 인자] 결합에 영향을 미치는 수많은 변수를 풀어내는 것입니다."라고 말했습니다. 데이비드 수터, 스위스 연방 기술 연구소 로잔의 분자 생물학자. DNA 모양, 다른 DNA 세그먼트와의 근접성 및 DNA 분자의 물리적 장력은 모두 전사 인자 결합에서 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이러한 매개변수의 값은 게놈의 모든 위치에서 다를 수 있으며, 세포 유형 간에도, 특정 위치에서 시간이 지남에 따라 단일 세포 내에서도 다를 수도 있습니다. Suter는 "이것은 정량화하기 매우 어려운 알려지지 않은 변수의 광대한 공간입니다."라고 말했습니다.

이것이 스탠포드 팀처럼 잘 통제된 실험이 매우 유용한 이유라고 Kuhlman은 덧붙였습니다. 일반적으로 연구자들은 이와 같은 약한 상호작용을 측정해야 할 때 두 가지 선택을 합니다. 몇 가지 매우 상세하고 매우 정확한 측정을 수행하여 이를 일반화하거나, 빠르고 간단한 측정을 많이 수행하고 수학적으로 복잡한 방법을 사용할 수 있습니다. 결과를 추론하는 통계적 방법. 그러나 Fordyce와 그녀의 동료들은 자동화된 미세유체 칩 기반 절차를 사용하여 "두 세계의 장점을 최대한 활용하기 위해" 처리량이 많은 실험 중에 정확한 측정을 수행했다고 말했습니다.

스탠포드 팀은 서로 다른 STR 서열이 DNA에 대한 전사 인자의 결합 친화도를 70배만큼 변경할 수 있음을 발견했습니다. 때로는 결합 모티프 자체의 순서를 변경하는 것보다 전사 인자 결합에 더 많은 영향을 미칩니다. 그리고 그들이 살펴본 두 가지 다른 전사 인자에 대한 효과는 달랐습니다.

따라서 STR은 전사 인자가 DNA 부위에 도킹하여 유전자를 조절하는 능력을 미세 조정할 수 있는 것으로 보입니다. 그런데 정확히 어떻게요?

유전자 근처의 대기실

연구자들은 DNA를 결합하는 전사 인자의 일부가 STR과 약하게 상호작용할 수 있으며, 그 친화력의 정확한 강도는 STR 서열에 따라 다르다는 것을 알아냈습니다. 이러한 결합은 약하기 때문에 특이성이 별로 없습니다. 그러나 전사 인자가 STR에 의해 계속해서 느슨하게 파악되고 방출되면 누적 효과는 전사 인자를 유전자 근처에 유지하여 필요한 경우 모티프 영역에 안전하게 결합할 가능성이 더 높아지는 것입니다.

Fordyce와 그녀의 동료들은 STR이 일시적이지만 조절 결합 부위 근처에서 전사 인자가 모일 수 있는 "로비" 또는 우물 역할을 한다고 예측했습니다. "STR의 반복적 특성은 이를 구성하는 단일 결합 부위의 약한 효과를 증폭시킵니다."라고 말했습니다. 코너 호튼, 이 연구의 첫 번째 저자이자 현재 버클리 캘리포니아 대학교에서 박사 과정을 밟고 있는 사람입니다.

반대로 일부 STR은 조절 서열에서 전사 인자를 끌어당겨 스펀지처럼 다른 곳의 전사 인자를 흡수하는 역할을 할 수도 있다고 그는 덧붙였습니다. 이러한 방식으로 유전자 발현을 억제할 수 있습니다.

Suter는 "이 연구는 STR이 시험관 내에서 전사 인자의 결합에 직접적으로 영향을 미친다는 것을 설득력 있게 보여줍니다"라고 말했습니다. 더욱이 스탠포드 팀은 기계 학습 알고리즘을 사용하여 시험관 내 실험에서 나타난 효과가 살아있는 세포(즉, 생체 내)에서도 발생하는 것으로 보인다는 사실을 보여주었습니다.

그러나 로버트 티안버클리의 생화학자이자 하워드 휴즈 의학 연구소의 연구자인 그는 주어진 STR 전사 인자 조합이 실제 세포에서 유전자 발현에 어떤 영향을 미치는지 확신하기에는 너무 이르다고 생각합니다.

티안, 자비에 다르자크 버클리에서 함께 운영하는 연구실의 동료들은 STR이 유전자 조절 부위 근처에 전사 인자를 집중시키는 방법을 제공하는 것 같다는 데 동의합니다. 그러나 전사를 활성화하기 위해 요소가 얼마나 가까워야 하는지 알지 못하면 해당 결과의 기능적 중요성을 이해하기가 어렵습니다. Tjian은 STR을 살아있는 세포에 도입하는 것이 예상대로 표적 유전자의 발현에 영향을 미치는지 확인하고 싶다고 말했습니다. 그는 현재 “STR이 반드시 생체 내 [규제] 메커니즘의 주요 측면이 될 것이라는 점을 확신하지 못한다”고 말했습니다.

조합 문법

한 가지 남아있는 수수께끼는 STR 웰 내 전사 인자 결합의 강도와 선택성이 모두 약하기 때문에 이러한 메커니즘이 어떻게 세포에 필요한 정확한 유전자 조절 유형을 안정적으로 제공하는지입니다. Fordyce는 이러한 영향의 특이성은 STR 서열의 차이뿐만 아니라 전사 인자와 조절에 관련된 다른 단백질 간의 협력적 상호 작용 등 다양한 원인에서 비롯될 수 있다고 생각합니다.

이 모든 것을 고려할 때 특정 STR 전사 인자 조합이 유전자 발현에 미치는 영향을 예측하는 것이 간단할지는 확실하지 않다고 Horton은 말했습니다. 프로세스의 논리는 참으로 모호합니다. 그리고 영향의 "문법"은 아마도 조합적일 것이라고 Horton은 덧붙였습니다. 결과는 전사 인자와 다른 분자의 다양한 조합에 따라 달라집니다.

스탠포드 팀은 아마도 전사 인자의 90%가 STR에 민감하지만 인간 게놈에는 STR 유형보다 더 많은 유형의 전사 인자가 있다고 생각합니다. “STR 서열의 돌연변이는 해당 세포 유형에서 20가지 서로 다른 전사 인자의 결합에 영향을 미칠 수 있으며, 특정 전사 인자를 암시하지 않으면서 근처 유전자의 전사가 전반적으로 감소하게 될 수 있습니다.”라고 Horton은 말했습니다.

따라서 실제로 스탠포드 팀은 살아있는 세포의 유전자 조절이 하나의 단순한 메커니즘에 의해 주도되지 않을 것이라는 Tjian의 의견에 동의합니다. 오히려 전사 인자, DNA 결합 부위 및 기타 조절 분자가 촘촘하게 모여서 집단적으로 영향력을 행사할 수 있습니다.

"현재 DNA 요소가 보조 인자와 응축물을 형성하는 지점까지 전사 인자를 밀집시킬 수 있다는 생각을 뒷받침하는 여러 사례가 있습니다."라고 말했습니다. 리차드 영, 매사추세츠 공과대학 화이트헤드 연구소의 세포 생물학자입니다. 인핸서는 많은 전사 인자와 결합하여 크라우딩을 생성합니다. STR은 전사 인자를 유전자 근처에 모으는 데 도움이 되는 성분일 수 있지만 이것이 전부는 아닙니다.

원핵생물에서 지배적인 DNA 부위와 조절 단백질 사이의 강력하고 구체적인 상호작용에 의존하기보다는 왜 이렇게 복잡한 방식으로 유전자를 조절하는 걸까요? 그러한 모호함이 거대하고 복잡한 후생동물을 가능하게 만든 것일 수도 있습니다.

생존 가능한 종이 되려면 유기체가 변화하는 환경에 적응하고 진화할 수 있어야 합니다. 우리의 세포가 거대하지만 엄격하게 규정된 유전자 조절 상호작용 네트워크에 의존한다면, 전체 장치를 방해하지 않고 세포를 변경하는 것은 어려울 것입니다. 그 수많은 톱니바퀴 중. 그러나 규제 분자 상호 작용이 느슨하고 다소 불특정하다면 시스템에 유용한 느슨함이 있습니다. 이는 위원회 구성원 중 한 명이 아프더라도 일반적으로 올바른 결정을 내릴 수 있는 것과 같습니다.

Fordyce는 박테리아와 같은 원핵생물에서는 검색할 게놈이 더 작기 때문에 전사 인자가 결합 부위를 찾는 것이 상대적으로 쉬울 수 있다고 지적합니다. 그러나 게놈이 커질수록 그것은 더 어려워집니다. 진핵생물의 큰 게놈에서는 "'잘못된' 결합 부위에 일시적으로 갇히게 될 위험을 더 이상 용납할 수 없습니다"라고 Fordyce는 말했습니다. 왜냐하면 그렇게 하면 변화하는 환경 조건에 신속하게 대응하는 능력이 손상되기 때문입니다.

더욱이 STR 자체는 매우 진화 가능합니다. 서열의 연장 또는 단축, 또는 "전사 인자 우물"의 크기 및 깊이의 변경은 DNA 복제 또는 복구의 사고 또는 염색체의 성적 재조합을 통해 쉽게 발생할 수 있습니다. Fordyce는 STR이 “따라서 새로운 규제 요소를 진화시키고 동물과 식물의 발달을 관리하는 것과 같은 민감한 전사 프로그램을 위한 기존 규제 모듈을 미세 조정하기 위한 원료 역할을 할 수 있다”고 제안합니다.

약한 상호작용의 힘

이러한 고려 사항으로 인해 분자 생물학자들은 게놈의 약하고 상대적으로 비선택적인 상호 작용에 훨씬 더 많은 관심을 기울이게 되었습니다. 이들 중 다수는 고정되고 정확한 구조를 갖는 대신에 느슨하고 느슨한, 즉 생화학자들이 표현하는 것처럼 "본질적으로 무질서한" 단백질을 포함합니다. 만약 단백질이 견고한 구조 영역을 통해서만 작동한다면 조절 시스템이 얼마나 잘 진화할 수 있는지뿐만 아니라 생명체에서 볼 수 있는 동적 조절의 종류도 제한하게 될 것이라고 Young은 설명했습니다. Young은 “스위스 시계처럼 안정적인 구조 요소만으로 기능하는 살아있는 유기체나 심지어 바이러스도 찾을 수 없습니다.”라고 말했습니다.

아마도 진화는 진핵 생물의 유전자 조절에 대한 복잡하지만 궁극적으로 더 효과적인 솔루션의 구성 요소로서 STR을 우연히 발견했을 것입니다. STR 자체는 여러 가지 방식으로 발생할 수 있습니다. 예를 들어 DNA 복제의 오류나 게놈 전체에서 자신의 복사본을 만드는 전이 요소라고 불리는 DNA 세그먼트의 활동을 통해 발생할 수 있습니다.

Kuhlman은 “단백질과 반복 서열 사이의 새로운 약한 상호 작용이 발생하여 세포에 선택적인 이점을 제공할 수 있는 일이 발생했습니다.”라고 말했습니다. 그의 추측은 이러한 모호함이 아마도 진핵생물에게 강요된 것일 수도 있지만 "그들은 나중에 자신의 이익을 위해 [그것]을 이용할 수 있었다"는 것입니다. 박테리아와 기타 원핵생물은 세포가 이동 및 복제와 같은 몇 가지 단순하고 구별되는 상태로만 존재하는 경향이 있기 때문에 잘 정의된 "디지털" 규제 논리에 의존할 수 있습니다.

그러나 후생동물의 다양한 세포 상태는 "훨씬 더 복잡하고 때로는 연속체에 가깝기 때문에" 더 모호한 "아날로그" 규정이 더 적합하다고 Suter는 말했습니다.

"박테리아와 진핵생물의 유전자 조절 시스템은 상당히 서로 다른 것 같습니다."라고 Tjian은 동의했습니다. Monod는 한때 다음과 같이 언급했다고 합니다. “무엇이 진실인가? E. 대장균 코끼리에게는 사실입니다.”항상 그런 것은 아닌 것 같습니다.