게놈 연구, 인간 DNA에서 가장 빠르게 변화하는 영역인 중심체centromeres 비밀 파헤쳐
Sanjukta Mondal, Phys.org
중심체centromeres는 세포 분열 시 염색체가 정확하게 분리되어 각 새로운 세포가 정확한 양의 유전 물질을 받도록 하는 염색체의 특정 영역이다.
이러한 필수적인 역할에도 불구하고 중심체는 인간 게놈에서 아직 밝혀지지 않은 주요 미지의 영역 중 하나다.
최근 네이처(Nature)에 발표된 한 연구는 첨단 장거리 시퀀싱 기술long-read sequencing과 맞춤형 계산 도구를 사용해 2,110개 완전한 중심체를 조립함으로써 인간 중심체 내부에 숨은 비밀을 밝히고자 했다.
연구진은 5개 대륙에 걸쳐 28개 인구 집단에서 표본을 추출한 후, 이들의 중심체를 인간 팬게놈 참조 컨소시엄(Human Pangenome Reference Consortium)에서 조립한 5,747개 중심체와 비교해 이 영역들이 어떻게 다르고 진화하는지 추적했다.
그 결과 226개 주요 중심체 하플로타입 haplotypes (서로 다른 유전적 패턴)과 1,870개 새로운 유전적 변이를 발견했다.
4대에 걸친 가족을 연구함으로써 연구진은 부모에서 자녀로 이어지는 중심체의 변화를 추적하고 세대에 걸친 유전적 변이를 분석할 수 있었다.
연구진은 중심체가 인간 게놈의 다른 어떤 부분보다 빠르게 돌연변이를 일으키며, 특정 염색체는 다른 염색체보다 최대 20배 빠른 속도로 변화가 축적된다는 사실을 발견했다.
염색체가 세포 분열 시 세포 기구에 부착되는 고정점인 키네토코어 부착 부위kinetochore attachment site 또한 다른 어떤 부분보다 빠르게 돌연변이를 일으켰다.
미세한 변화의 매핑
중심체는 알파-위성-satellites이라 일컫는 거의 동일한 반복 DNA의 긴 부분으로 구성되기 때문에 인간 유전적 변이 연구에서 종종 간과되곤 했다.
이러한 유사성 때문에 표준 방법으로는 하나의 염기서열을 다른 염기서열과 구별하고 그 차이를 감지하기 어렵다.
결과적으로, 표준 게놈 참조standard genome references는 개인과 집단 간에 숨은 중심체 다양성을 거의 포착하지 못해 과학자들은 중심체 DNA, 구조 및 키네토코어 위치가 전 세계적으로 어떻게 다른지 명확하게 파악하지 못했다.
또한 이러한 영역이 얼마나 빠르게 돌연변이를 일으키는지, 그리고 이러한 빠른 변화가 염색체 오류에 기여하는지 여부도 알 수 없었다.
새로운 도구가 이 영역을 열다
최근 DNA 시퀀싱, 특히 복잡한 반복 영역과 구조적 변이를 분석할 수 있게 된 장거리 시퀀싱 기술 long-read sequencing technologies 발전으로 이 연구는 기존의 기술적 장벽을 극복할 수 있었다.
이 연구에서 연구진은 이 새로운 기술을 활용해 중심체를 탐색하고 몇 가지 질문에 대한 답을 찾았다.
연구진은 AssemblyRepairer라는 도구를 사용해 65명 다양한 개인으로부터 DNA를 조립하는 일에서 시작했다.
그 결과 2,110개 중심체를 성공적으로 조립했으며, 99.9999% 이상의 정확도를 확인했다.
연구진은 4대에 걸친 28명 가족 구성원을 대상으로 염색체 중심체 돌연변이의 발생 과정을 실시간으로 관찰하기 위해 483개 중심체를 분석하고 부모와 자녀를 직접 비교했다.
이를 통해 단 한 세대 만에 나타난 새로운 자연 발생적 돌연변이를 발견할 수 있었다.
예상치 못한 구조와 오랜 흔적
연구 결과는 중심체가 기존에 생각한 것보다 훨씬 더 다양한 유전적, 구조적 특징을 가지고 있음을 보여준다.
세포 분열 시 각 염색체는 키네토코어라는 단백질 고리에 부착된다.
오랫동안 과학자들은 염색체당 하나의 키네토코어만 존재한다고 가정했다.
하지만 이번 염기서열 분석을 통해 일부 중심체는 이 가정을 깨는 것으로 드러났다.
약 6%의 중심체는 두 개의 키네토코어를, 약 1%는 세 개의 키네토코어를 지녔다.
더욱 중요한 것은 이러한 다중 키네토코어 중심체가 가족력을 통해 부모에서 자녀로 유전된다는 점이다.
연구진은 염색체 중심체를 분석하던 중 놀라운 사실을 발견했다.
10번과 21번 염색체에서 일부 사람들은 다른 현대인들의 중심체와 100만 년 이상 진화적으로 분리된 중심체를 지녔다.
이러한 염기서열을 고대 유전체와 비교한 결과, 아프리카 이외 지역 현대 인류는 네안데르탈인이나 데니소바인과의 이종교배를 통해 고대 인류 친척으로부터 이러한 독특한 중심체를 물려받았을 가능성이 제기되었다.
빠르게 진행되는 진화적 경쟁
연구진은 이러한 발견을 바탕으로 중심체 DNA와 결합 단백질 사이의 일종의 진화적 줄다리기evolutionary tug-of-war가 벌어지고 있다고 제안했다.
이 고정점anchor point은 매우 빈번하게 돌연변이를 일으키기 때문에 DNA 서열과 그 사용 방식을 조절하는 화학적 표지자chemical markers가 계속해서 변화하고 있으며, 이는 유전체의 이 중요한 영역에서 빠른 진화를 촉진하고 있다.
이번 연구는 유전체의 마지막 사각지대 중 하나에 대한 중요한 통찰력을 제공한다.
더 정확한 중심체 지도를 통해 의사들은 염색체 이상을 감지하는 유전자 검사 결과를 더욱 정확하게 해석할 수 있을 것이다.
Publication details
Shenghan Gao et al, A global view of human centromere variation and evolution, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10841-9
Journal information: Nature
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무슨 말인지 모르겠다만 암튼 저렇다고. 중요하니깐 네이처에 실었겠지?