▷ 작성일 : 2023.12.01
오랜 세월 동안 과학계는 인간 DNA가 세포 내에서 2미터 이상으로 늘어나는데, 어떻게 이를 수백만 배 작은 염색체 안에 압축시킬 수 있는지에 대한 의문을 제기해 왔습니다. 이와 함께, 이러한 극단적인 접힘이 유전자에 미치는 영향도 중요한 연구 주제로 자리잡았습니다. 염색체 내 유전자의 배치 방식은 건강한 기관과 뼈의 발달은 물론, 잘못된 기능으로 인해 질병을 유발하는 세포의 생성에 영향을 미칠 수 있습니다.
일리노이 대학교 시카고(UIC)의 Richard and Loan Hill 생의학 공학과 교수인 Jie Liang은 현재의 기술로는 이러한 DNA 접힘 현상을 완전히 이해하기 어렵다고 지적합니다. 그는 "우리는 현실의 그림자를 쫓고 있다"고 말하며, 이러한 복잡한 구조를 이해하기 위해 물리학 기반의 상세한 3차원 모델이 필요함을 강조합니다.
이에 대한 해결책으로 Liang과 그의 동료들은 특별한 알고리즘을 개발했습니다. 이 팀은 2023년 에너지부의 첨단 과학 컴퓨팅 연구 프로그램인 INCITE 보조금을 통해 아르곤 국립 연구소의 슈퍼컴퓨터를 활용하여 염색체의 시간에 따른 동적 모델을 개발하고 있습니다.
이 연구는 게놈의 복잡한 구조를 해석하는 데 컴퓨팅 파워의 필요성을 강조합니다. DNA는 먼저 히스톤이라는 단백질 주위에 감긴 후, 염색체를 형성하는 복잡한 구조인 염색질로 접혀집니다. 이 접힘 과정은 물리적으로 멀리 떨어진 유전자들을 서로 가까이 위치시켜 유전자 발현에 영향을 미칩니다.
Liang의 연구팀은 염색체 형태 포착 기술을 사용하여 이러한 접힘 과정을 연구합니다. 특히, Hi-C라는 기술을 통해 유전자 간의 상호작용 확률을 2차원 히트맵으로 나타냅니다. 그러나 이 방법은 여러 세포의 반응을 평균화하여 단일 세포 수준에서의 염색체 구조의 다양성을 파악하기 어렵습니다.
Liang와 동료들의 연구 방법은 이러한 제한을 극복하고자 합니다. 그들은 Hi-C 데이터를 기반으로 염색체의 3차원 구조를 모델링하는 CHROMATIX 알고리즘을 사용합니다. 이 알고리즘은 염색질 구조의 다양한 가능성을 탐색하고 중요한 유전자 상호 작용을 식별하여 염색체의 3D 모델을 구축합니다.
이 연구는 유전자 프로모터 활동과 같은 다른 생물학적 데이터와 결합하여 유전체 구조와 기능의 더 깊은 이해를 가능하게 합니다. Liang과 그의 팀은 이 모델링 접근 방식을 통해 특정 조직으로의 세포 분화 과정을 이해하고, 염색체 위치의 유전자 구조를 파악하는 데 필요한 계산 성능을 확보하고자 합니다.
이 연구는 세포의 다양성과 발달 과정을 이해하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. Liang 교수는 "이 연구가 인간 염색체의 상세한 지도를 제공하고, 유전자 발현을 제어하는 방법을 밝힐 수 있기를 희망한다"고 말합니다. 이러한 연구의 발전은 유전체학 및 생물학 연구에 혁신적인 변화를 가져올 것으로 예상됩니다.
