이중나선이 아닌 꼬인 매듭처럼 생긴 새로운 DNA를 살아있는 세포 속에서 처음으로 발견해 내는데 성공했다.
호주 가반 의학연구원(Garvan Institute of Medical Research) 연구진은 세포 안에 있는 아이-모티프(i-motif)라고 불리는 새로운 DNA 구조를 확인해 과학저널 ‘네이처 화학’(Nature Chemistry) 최근호에 발표했다. DNA의 꼬인 ‘매듭’ 형태인 아이-모티프는 이전에 발견돼 연구돼 왔으나 지금까지 살아있는 세포 안에서는 직접 볼 수가 없었다.
DNA(deoxyribonucleic acid)는 잘 알려져 있다시피 우리 몸의 세포 핵 염색체 안에 자리하고 있는 유전물질이다. 모두 60억개의 A,C,G,T 네 글자로 이루어지는 DNA 코드 정보는 우리 몸이 어떻게 구성되고 작동하는지에 대한 정확한 지침을 제공한다.
DNA의 상징적인 ‘이중나선’ 형태는 1953년 제임스 왓슨(James Watson)과 프랜시스 크릭(Francis Crick)이 DNA 구조를 밝혀낸 이래 대중들의 상상력을 사로잡으며 널리 알려지게 되었다. 그런데 이번에 DNA의 짧게 뻗어나온 부분(short stretches)이 새로운 형태로 존재할 수 있다는 사실이 밝혀지게 되었고, 과학자들은 이 다른 모양들이 DNA 암호가 언제, 어떻게 읽혀지는지에 중요한 역할을 할 것으로 추정하고 있다.

네 가닥 매듭 구조로, 살아있는 세포에서 처음 확인돼

새로운 모양의 DNA는 두 가닥의 이중나선 DNA와는 완전히 다르게 보인다.
이번 연구를 공동으로 이끈 가반 연구원의 항체 치료 연구실장인 대니얼 크리스트(Daniel Christ) 부교수는 “대부분의 사람들이 DNA에 대해 생각할 때 이중나선을 떠올린다”며, “이번의 새로운 연구는 완전히 다른 DNA 구조가 존재하며, 이는 또한 우리 세포에서 중요한 역할을 할 것이란 생각을 갖게 한다”고 말했다.
크리스트 교수와 함께 연구를 수행한 가반 킹혼 임상유전학센터장인 마르셀 딩어(Marcel Dinger) 부교수는 “아이-모티프는 네 가닥의 ‘매듭’(knot) 구조로 되어있다”고 밝혔다. 그는 “매듭 구조에서 같은 DNA 가닥의 C 글자들은 서로 결합한다”며, “따라서 반대편 가닥에 있는 ‘글자들’이 서로를 인식하고, C 글자들이 G 글자들(guanines)과 결합하는 이중나선과는 매우 다르다”고 설명했다.
연구자들은 이전에 아이-모티프를 확인하고 이를 상세히 연구했으나 실험실에서만 이를 목격할 수 있었다. 즉 실험실의 인공적인 조건 하에서만 가능했고, 살아있는 세포 안에는 아이-모티프를 확인할 수가 없었다.
이 분야 과학자들은 아이-모티프 ‘매듭들(knots)’이 모든 살아있는 생물체 안에 존재할 것인지에 대해 논쟁을 벌이기도 했으나 이런 의문들이 이번의 새로운 발견에 의해 풀리게 되었다.

아이-모티프에 특이적인 항체 분자 개발

연구팀은 세포 안에서 아이-모티프를 검출하기 위해 새로운 정교한 도구를 개발했다. 이 도구는 항체 분자의 단편 조각으로 아이-모티프를 특이적으로 인식하고 그에 부착될 수 있는  매우 높은 친화성을 가지고 있었다. 지금까지는 아이-모티프에 특이적인 친화성을 지닌 항체가 없어 아이-모티프가 어떤 역할을 하는지 이해하기가 매우 어려웠다.
연구팀은 새로운 도구를 사용해 인체 세포라인 범위 안에서 아이-모티프의 위치를 밝혀냈다. 아이-모티프가 있는 곳을 정확하게 집어낼 수 있는 형광기술로 핵 안에 있는 아이-모티프의 위치를 가리키는 수많은 녹색 반점들을 식별해 낼 수 있었다.
이번 발견을 뒷받침하는 연구를 수행한 마디 제라티(Mahdi Zeraati) 박사는 “우리를 가장 흥분시켰던 것은 아이-모티프의 녹색 반점들이 시간이 지남에 따라 나타났다 사라지는 것을 볼 수 있었던 점으로서, 이를 통해 이들이 형성됐다 사라지고 다시 만들어진다는 사실을 알게 됐다”고 말했다.

“새로운 연구 무대 나타나”

이번 연구에서 아이-모티프는 대부분 세포의 ‘생애 주기’(life cycle) 중 특정 시점, 즉 DNA가 활발하게 ‘해독’되는 후기 G1 단계에 형성되는 것으로 밝혀졌다. 연구팀은 또 아이-모티프가, 유전자 발현 여부를 조절하는 DNA 영역인 일부 프로모터가 있는 지점과, 노화과정에서 중요한 역할을 하는 염색체 ‘말단 부분’인 텔로미어에서 나타난다는 사실을 보여주었다.
제라티 박사는 “우리는 아이-모티프가 나타났다 사라지는 것은 이들이 하는 역할에 대한 단서를 제공한다고 생각한다”며, “아이-모티프는 유전자 발현 스위치를 켜거나 끄는 것을 돕고, 유전자를 활발하게 해독할 것인지의 여부에도 영향을 미치는 것으로 보인다”고 설명했다.
크리스트 교수는 “아이-모티프가 순간적으로 변화하는 특성 때문에 지금까지 세포 안에서 이를 추적하기가 매우 힘들었다”고 덧붙였다.
마르셀 딩어 교수는 “살아있는 세포 안에서 전혀 새로운 형태의 DNA를 발견한 것은 매우 흥분되는 일”이라며, “이번 발견은 이 새로운 모습의 DNA가 실제로 어떤 일을 하고, 건강과 질병에는 어떤 영향을 미치는지 연구할 수 있는 완전히 새로운 무대를 제공한다”고 강조했다.