[사이언스 데일리] 원기둥 모양의 DNA 구성요소 하나의 지름은 이것이 초파리든 너도밤나무든, 혹은 사람의 것이든 상관없이 동일하다. DNA 구조의 일부인 이 자그마한 구성요소들은 뉴클레오솜이라고 불린다. 만일 이것이 모든 종에 걸쳐 동일하다면 어떤 자연 법칙 혹은 보편적인 원리가 작용하고 있는 것일까?

(2015년 10월 21일 사이언스 데일리 기사 번역)

정보출처: 덴마크 기술대학

DNA 의 구성을 단순화시켜 보여주는 그림. Credit: Image courtesy of Technical University of Denmark (DTU)

원기둥 모양의 DNA 구성요소 하나의 지름은 DNA 가 초파리의 것이든, 너도밤나무의 것이든, 혹은 사람의 것이든 항상 동일하다. DNA 구조의 일부인 이 작은 구성요소들은 뉴클레오솜이라고 불린다. 덴마크 기술대학 DTU 나노테크의 야코브 보르 교수는 오래전부터 뉴클레오솜의 지름에 흥미를 가져왔다. 뉴클레오솜의 지름이 모든 종에서 동일하다면 어떤 자연법칙, 혹은 보편적인 원리가 작용하고 있는 것일까?

“물리학자로써 저는 수학과 물리의 세계에서 이런 질문들에 대한 답을 찾으려고 했습니다. 이런 맥락에서 우리의 계산결과는 뉴클레오솜의 크기가 완벽하게 말이 된다는 것을 보여주고 있습니다. 뉴클레오솜은 ‘꼬임 중립성’ 이라고 부르기로 한 성질을 만들어냅니다.” 동료인 카스페르 올센과 협력하여 뉴클레오솜의 지름을 연구하고 있는 야코브 보르의 말이다.

“꼬임 중립성으로 인해 DNA 물질이 감기는 횟수는 항상 일정하게 유지됩니다. DNA 구조 중 가장 작은 구조, 즉 DNA 나선은 꼬이는 횟수에 영향을 주지 않고 늘어날 수 있습니다. 이 성질은 자연상태에서 매번 DNA 물질이 복제되어야 할 때 필수적입니다. 예를 들면 세포분열이 일어날 경우처럼요. 간단히 말하자면 꼬임 중립성은 꼬인 것이 엉켜 DNA 에 손상을 입히는 일이 일어나지 않게 하는 데 도움을 주고 있습니다.” 보르가 덧붙였다.

뉴클레오솜은 복잡한 DNA 구조의 아주 작은 부분일 뿐이다. 전체적으로 세포 하나에는 1미터가 넘는 길이의 DNA 가 들어있으며 그 많은 물질이 들어갈 공간을 만들기 위해 DNA 는 몇 번이고 반복해서 꼬이고 접히게 된다. 이를 위해 여러 단계의 구조화가 일어나는데 한 단계를 어떻게 정의하느냐에 따라 다를 수 있겠지만 8 단계로 구조화할 수 있다.

“각 단계에서 유전물질의 크기는 1/3 정도로 줄어듭니다. 종이를 반복해서 접는 것과 마찬가지로 두께는 매번 두 배씩 늘어나구요. DNA 가 이렇게 압축되면 충분히 작아져서 세포핵 안에 들어갈 수 있을 정도가 됩니다.” 야코브 보르의 설명이다.

DNA 구조의 가장 높은 단계는 염섹체 구조로 성염색체 — X 와 Y — 가 가장 잘 알려져 있다. 가장 낮은 단계, 즉 DNA 의 가장 작은 구조는 유명한 이중나선으로 두 가닥의 DNA 가 서로를 마주보며 감겨있는 형태다.

꼬임의 자연법칙

이 단계까지 내려가기 바로 전, 이중나선은 단백질 주위를 두 번 감게 된다. 이것이 뉴클레오솜이라고 불리는 구조다. 이중나선 전체를 감을 수 있기 위해서는 매우 많은 수의 뉴클레오솜이 필요한데 그 결과 진주목걸이처럼 생긴 구조가 만들어진다. 뉴클레오솜이 진주고 이중나선이 목걸이 줄이라고 생각하면 된다.

야코브 보어와 동료들이 계산한 바에 따르면 뉴클레오솜의 지름이 지금과 달랐다면 꼬임 중립성은 존재하지 않았을 것이라고 한다.

“그랬다면 곤란했을 겁니다. DNA 에 새롭고 적절치 못한 구조가 생겨날 수 있다는 이야기거든요. 뉴클레모솜의 크기가 모든 종에서 동일한 이유가 뉴클레오솜의 크기를 바꿔보아야 아무런 이득이 없기 때문이라고 생각하고 있습니다. 만일 그렇지 않았다면 진화 과정 중 어느 단계에서 크기가 다른 뉴클레오솜이 나타났을 겁니다.” 야코브 보르의 설명이다.

도움이 되는 신기술

뉴클레오솜의 지름에 대한 연구의 장기적인 목표는 DNA 의 형태를 완전하게 기술하는 것에 공헌하는 것이다. 그러면 염색체의 구성에 관련된 일반적인 원리들을 알아내는 데 도움이 될 것이며, 염색체를 더 자세히 이해할 수 있게 될 것이다.

“우리는 이미 이중나선 안에 있는 유전자 수준까지 파고들어갈 수 있습니다만 여덟 단계 중 일부는 거의 알려지지 않은 영역입니다. 간단히 말해 다른 단계들에 어떤 구조들이 존재하는지 전혀 알지 못한다는 이야기죠.” 야코브 보르의 말이다.

야코브 보르의 말에 따르면 연구자들이 현재로서는 염색체의 모든 단계에 존재하는 구조들을 명확히 밝힐 수 있는 기술을 가지고 있지 못하다고 한다. 하지만 보르는 앞으로 10-15 년 안에 생명정보학 연구의 성과, 그리고 룬드에 위치한 ESS 와 MAX IV 등의 시설을 통해 필요한 기술이 분명히 나타날 것이라고 보고 있다.

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태그:DNA, DNA 구조, 뉴클레오솜, 이중나선