드라마 ‘유미의 세포들’에서는 주인공 유미의 모든 생각과 행동에 영향을 미치는 세포들의 모습이 나온다. 일할 때나 중요한 대화를 할 때 나오는 ‘이성세포’뿐만 아니라 ‘사랑세포’, ‘출출세포’까지, 때에 따라 등장하는 귀여운 세포들은 드라마의 재미를 한층 높인다. 하지만, 우리 몸속에서 바쁘게 움직이는 수많은 세포를 실제로 관찰하기란 쉽지 않았다. 

POSTECH(포항공과대학교) 수학과 김진수 교수는 미국 캘리포니아대 어바인(UC Irvine)·LA(UCLA) 캠퍼스와의 공동연구를 통해 몸속 세포 활성화의 비밀을 밝혔다. 특히, 확률보행(Random walk)이라는 수학 모델로 예측한 내용을 실험을 통해 검증한 연구로, 이를 주도한 국내 수학자의 활약이 돋보인다.

분열하는 세포의 염색체를 자세히 들여다보면 실에 돌돌 말린 구슬 형태가 쌓여 있음을 알 수 있다. 아주 얇고 긴 DNA가 단백질 핵을 감싸고 있는 것인데, 이 각각의 구슬 형태를 뉴클레오솜이라고 부른다. 뉴클레오솜의 활동 원리는 주로 시험관을 통해 연구돼, 실제 몸속의 ‘생생한’ 뉴클레오솜에 대해선 많이 알려진 바가 없었다. 

연구팀은 신호 의존 전사 인자(SDTF, Signal Dependent Transcription Factor)1)를 조정해 몸속 뉴클레오솜의 활동 원리를 밝히고자 했다. 신호 의존 전사 인자는 활성화되면서 뉴클레오솜의 특정 부위에 달라붙어 위치를 변화시키는 역할을 한다. 

이때 연구팀은 뉴클레오솜의 움직임을 묘사하는 확률 모델을 개발, 여기서 얻은 데이터를 시간에 따라 관측된 실제 DNA 데이터와 비교했다. 

그 결과, DNA가 단백질 핵을 감싸고 다시 푸는 과정은 시험관 연구 결과에 비해 상당히 느리게 진행되는 것으로 조사됐다. DNA 중에서도 협동성(cooperativity)2)을 가진 DNA만이 확률 모델과 실험 결과가 일치하기도 했다.

더해서, 신호 의존 전사 인자가 뉴클레오솜의 정중앙이 아닌 가장자리에 가깝게 달라붙었을 때 위치가 가장 많이 바뀌었으며, 신호 의존 전사 인자가 진동하면 위치 변동성이 더욱 커지는 것으로 드러났다. 

이 결과는 단백질 결합 위치에 따라 몸속 세포의 활동성이 달라진다는 사실을 확률 모델과 실험 결과를 함께 이용해 검증한 최초의 성과다. 직접 관측하기 어려운 몸속 세포의 움직임을 수학적으로 풀어냈을 뿐만 아니라, 수학과 생물학이 ‘시너지’를 낸 연구로 더욱 눈길을 끈다. 이미 알려진 생물 현상을 수학 모델로 해석했던 기존 연구들과도 차이를 보인다.

한편, 이 연구성과는 국제 학술지 ‘셀 리포트(Cell Reports)’에 최근 게재됐다. 
 

(왼쪽) 뉴클레오솜을 감싸고 있는 DNA은 마치 동전 던지기로 방향을 정하듯 랜덤하게 히스톤이라고 불리는 구슬을 감싸거나 풀리거나 한다.
(오른쪽) 이러한 DNA의 움직임을 확률보행이라는 수학 모델로 표현할 수 있다. 가장 왼쪽 상태(0)는 DNA가 완벽하게 감싸진 상태를 의미하고 가장 오른쪽 상태(14)는 DNA가 완벽하게 풀린 상태를 의미한다.

논문정보 

논문명 
확률적 뉴클레오솜 역학 모델을 통한 외부 자극으로 활성화 된 후성유전체 리모델링의 규칙들
(Stochastic models of nucleosome dynamics reveal regulatory rules of stimulus-induced epigenome remodeling)
연구자 
김진수(공동1저자), 캐서린 쉐우(Katherine M. Sheu)(UCLA, 공동 1저자), 알렉산더 호프만(Alexander Hoffmann)(UCLA, 공동교신저자), 허만 엔시소(German Enciso)(UC Irvine, 공동교신저자)
DOI
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111076