배경

진핵생물의 DNA는 히스톤 단백질에 감겨 크로마틴을 이룬다. 히스톤 번역후변형(histone post-translational modification·hPTM)은 유전자 발현과 후성유전 기억, 전이인자 억제를 조절하는 핵심 장치다. H3K4me3, H3K9me3, H3K27me3 같은 여러 hPTM은 동물과 식물, 균류를 넘어 단세포 진핵생물에서도 발견된다.

그러나 표지 자체가 오래 보존됐다고 해서 기능까지 같다고 단정할 수는 없었다. 기존 크로마틴 면역침강 후 염기서열 분석(ChIP-seq)은 많은 세포와 항체를 요구하고, 종마다 실험을 따로 수행해야 해 계통 간 비교가 어려웠기 때문이다. 연구가 인간·생쥐·효모·애기장대 같은 소수 모델생물에 편중된 탓에 아메바류, 리자리아, 디스코바, 크립토모나드의 크로마틴 상태는 거의 알려지지 않았다. 이번 Nature Genetics 논문은 서로 먼 진핵생물에서 동일한 실험 체계로 hPTM의 위치와 기능을 비교하고자 했다.

핵심 발견

연구진은 저투입 조합형 인덱싱 ChIP-seq인 iChIP2를 개발했다. 종별 크로마틴에 첫 번째 바코드를 붙인 뒤 시료를 한데 모아 면역침강하고, 항체를 구분하는 두 번째 인덱스를 추가하는 방식이다. 여러 종을 같은 반응에서 처리하므로 항체 성능과 실험 배치 차이를 줄일 수 있다. 연구진은 항-hPTM 항체 25종을 동시에 평가해 표적별 최적 항체를 고른 뒤, 계통적으로 떨어진 진핵생물 12종에서 hPTM 12종을 지도화했다. 110나노그램과 440나노그램의 크로마틴을 대상으로 바코딩 조건도 검증했다.

각 종의 ChIP-seq 자료에는 RNA 염기서열 분석과 유전자·전이인자 주석을 결합했다. 이어 크로마틴 상태 예측 모델 크롬HMM(ChromHMM)을 적용하고, 종 사이에서 공통된 hPTM 조합을 비교해 19개 ‘메타상태’로 정리했다. 메타상태 19는 주로 프로모터 주변의 히스톤 아세틸화와 H3K4me2·H3K4me3, 1016은 활성 유전자 몸체의 H3K36me3와 H3K79 메틸화로 구성됐다. 이 활성 크로마틴의 배치는 계통 전반에서 비교적 일관됐다.

반면 억제성 크로마틴은 크게 달랐다. 침묵 유전자와 전이인자에는 H3K9me3, H3K27me3, H3K79me1·me2·me3가 종마다 다른 조합으로 나타났다. 아메바류인 아칸타메바 카스텔라니에서는 H3K9me3 중심의 서로 다른 두 억제 상태가, 딕티오스텔리움 디스코이데움에서는 H3K79 메틸화를 포함한 세 상태가 확인됐다. 크립토모나드 기예르디아 세타는 전이인자와 연결된 H3K9me1 상태를 보였다. 나글레리아 그루베리의 H3K9me3·H3K27me3 조합은 전이인자에만 집중됐지만, 비글로위엘라 나타스에서는 같은 조합이 전이인자와 저발현 유전자 모두에 연결됐다.

의미와 전망

이번 결과는 진핵생물의 ‘히스톤 코드’가 고정된 사전이라기보다, 오래된 화학 표지를 계통마다 다르게 조합한 문법에 가깝다는 사실을 보여준다. 특히 활성 유전자 조절은 깊은 진화적 뿌리를 유지한 반면, 억제 체계는 전이인자와 숙주 사이의 경쟁에 맞춰 빠르게 재편됐을 가능성이 제기된다. 전이인자 억제 장치가 이후 계통 특이적 유전자 조절에 차용됐다는 설명도 가능하다.

iChIP2는 적은 생물량으로 여러 종과 항체를 한꺼번에 비교할 수 있어 비모델생물 후성유전체 연구의 범위를 넓힌다. 다만 ChIP-seq 신호는 표지와 기능의 연관성을 보여줄 뿐 인과관계를 입증하지 않는다. 배양 단계와 세포 조성, 유전체·전이인자 주석의 품질 차이도 종간 비교에 영향을 줄 수 있다. 후속 연구에서는 표지 효소의 유전적 제거, 생애주기별 분석, 단일세포 크로마틴 측정으로 각 억제 상태의 실제 기능과 진화 경로를 검증해야 한다.