Found: A new form of DNA in our cells
PUBLIC RELEASE: 23-APR-2018
GARVAN INSTITUTE OF MEDICAL RESEARCH
Scientists have tracked down an elusive 'tangled knot' of DNA
생물학적으로 내가 나일수 있게 만드는 것은 무엇일까? 가장 큰 이유는 남들과 다른 고유의 유전자, 이른바 ’DNA’다. DNA는 두 겹이 쌍으로 구성돼 꼬여있는 ’이중나선’ 구조를 형성하고 있다고 알려져 있다. DNA가 처음 발견된 이후 150여년 가까운 세월이 흘렀지만 DNA의 구조는 이중나선이라는 것이 학계의 정설이었다.
그런데 최근 이중 나선 구조가 아닌, 4중 나선 구조의 DNA가 살아있는 세포 속에서 존재하고 있다는 연구 결과가 나왔다. DNA는 아데닌(A)과 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T) 의 4가지 염기로 구성된다. 호주 가반의학연구소와 시드니대 등 공동 연구팀은 길다란 DNA 중 G나 C가 특별히 많은 지역에서 4중 나선 구조를 이루는 DNA가 존재하고 있다는 것을 최초로 발견하고, 이를 23일(현지시각) 학술지 '네이처 화학'에 발표했다.
DNA의 4 가지 염기는 A가 T, G가 C와 상보적으로 결합해 염기쌍을 형성한다. 이런 염기쌍 약 600억 개가 이중으로 나선을 이루며, 우리 몸에 대한 정보를 담고 있다. 하지만 실험실 내에서는 4중 나선 형태의 DNA도 안정적으로 형태를 유지한다. G나 C 염기가 상보적으로 결합하지 않고 G 4개, C 4개가 동시에 결합하는 경우가 있기 때문이다.
📷 Image Source : Garvan Institute of Medical Research
대표적인 4중 나선 구조 DNA에는 4개의 염기 G가 모인 '지-쿼드러플러스(왼쪽)'와 '아이-모티프'가 있다
학계에선 G가 4개 모인 것을 '지-쿼트러플럭스(G-quadruplex), 즉 G4라고 부른다. 또 4개의 C가 결합한 것을 '아이-모티프(I-motif) DNA, 즉 iM DNA라 명명하고 있다. 유전학자들은 '세포 내에 4중 나선 DNA가 존재할 수 있는가'를 두고 논쟁을 벌여왔다. 실제로 존재한다면 그 원인과 역할을 무엇인지도 관심거리였다.
연구팀은 이를 알아보기 위해 iM DNA와 선택적으로 반응하는 항체를 개발했다. 여기에 녹색 형광물질을 띄도록 처리해 살아있는 세포에 주입했다. 그 결과 노화에 영향을 미치는 텔로미어(Telemere) 말단이나 DNA를 읽어 단백질을 합성할 때처럼 각기 다른 DNA 지역과 시기에 녹색 반점이 나타났다 사라지는 것을 확인했다.
📷 IMAGE Source : Grvan Institute of Medical Research (CHRIS HAMMANG)
THIS IS AN ARTIST'S IMPRESSION OF THE I-MOTIF DNA STRUCTURE INSIDE CELLS, ALONG WITH THE ANTIBODY-BASED TOOL USED TO DETECT IT.
새로 개발한 항체가 살아있는 세포속에 iM DNA(녹색)와 결합한 모습을 나타낸 모식도다.
특히 연구팀은 세포 주기 중 ‘G1’기에서 iM DNA가 가장 많이 관찰되는 것이 확인했다. G1기는 세포주기의 가장 첫 번째 단계로, 세포 생장의 필요한 단백질이 합성되는 시기다.
가반의학연구소 마흐디 자라티 연구원은 “DNA를 읽어 단백질을 만드는 G1기에 iM DNA가 많다는 것을 볼 때, 다른 유전자 지역이 활성화되는 데 영향을 미치는 것으로 추정 된다”고 설명했다.
가반의학연구소 표적치료센터 다니엘 크리스트 연구디렉터는 “그동안은 iM DNA를 추적하기 위한 항체가 없어 연구가 더뎠는데 이번에는 이를 해결했다”며 “앞으로 G4가 있는지도 찾아보고, 이런 4중 나선 DNA들이 나타나는 이유를 밝힌다면 그간 알 수 없었던 각종 질병과 노화문제에 새로운 접근법을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.
It's DNA, but not as we know it.
In a world first, Australian researchers have identified a new DNA structure - called the i-motif - inside cells. A twisted 'knot' of DNA, the i-motif has never before been directly seen inside living cells.
The new findings, from the Garvan Institute of Medical Research, are published today in the leading journal Nature Chemistry.
Deep inside the cells in our body lies our DNA. The information in the DNA code - all 6 billion A, C, G and T letters - provides precise instructions for how our bodies are built, and how they work.
The iconic 'double helix' shape of DNA has captured the public imagination since 1953, when James Watson and Francis Crick famously uncovered the structure of DNA. However, it's now known that short stretches of DNA can exist in other shapes, in the laboratory at least - and scientists suspect that these different shapes might play an important role in how and when the DNA code is 'read'.
The new shape looks entirely different to the double-stranded DNA double helix.
"When most of us think of DNA, we think of the double helix," says Associate Professor Daniel Christ (Head, Antibody Therapeutics Lab, Garvan) who co-led the research. "This new research reminds us that totally different DNA structures exist - and could well be important for our cells."
"The i-motif is a four-stranded 'knot' of DNA," says Associate Professor Marcel Dinger (Head, Kinghorn Centre for Clinical Genomics, Garvan),.who co-led the research with A/Prof Christ.
"In the knot structure, C letters on the same strand of DNA bind to each other - so this is very different from a double helix, where 'letters' on opposite strands recognise each other, and where Cs bind to Gs [guanines]."
Although researchers have seen the i-motif before and have studied it in detail, it has only been witnessed in vitro - that is, under artificial conditions in the laboratory, and not inside cells.
In fact, scientists in the field have debated whether i-motif 'knots' would exist at all inside living things - a question that is resolved by the new findings.
To detect the i-motifs inside cells, the researchers developed a precise new tool - a fragment of an antibody molecule - that could specifically recognise and attach to i-motifs with a very high affinity. Until now, the lack of an antibody that is specific for i-motifs has severely hampered the understanding of their role.
Crucially, the antibody fragment didn't detect DNA in helical form, nor did it recognise 'G-quadruplex structures' (a structurally similar four-stranded DNA arrangement).
With the new tool, researchers uncovered the location of 'i-motifs' in a range of human cell lines. Using fluorescence techniques to pinpoint where the i-motifs were located, they identified numerous spots of green within the nucleus, which indicate the position of i-motifs.
"What excited us most is that we could see the green spots - the i-motifs - appearing and disappearing over time, so we know that they are forming, dissolving and forming again," says Dr Mahdi Zeraati, whose research underpins the study's findings.
The researchers showed that i-motifs mostly form at a particular point in the cell's 'life cycle' - the late G1 phase, when DNA is being actively 'read'. They also showed that i-motifs appear in some promoter regions (areas of DNA that control whether genes are switched on or off) and in telomeres, 'end sections' of chromosomes that are important in the aging process.
Dr Zeraati says, "We think the coming and going of the i-motifs is a clue to what they do. It seems likely that they are there to help switch genes on or off, and to affect whether a gene is actively read or not."
"We also think the transient nature of the i-motifs explains why they have been so very difficult to track down in cells until now," adds A/Prof Christ.
A/Prof Marcel Dinger says, "It's exciting to uncover a whole new form of DNA in cells - and these findings will set the stage for a whole new push to understand what this new DNA shape is really for, and whether it will impact on health and disease."
📚 Reference
📚 Reference
https://www.nature.com/articles/s41557-018-0046-3
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-04/giom-fan041918.php
http://dongascience.donga.com/news/view/22187
Comments