하버드팀, AI 기반 분자 수준 관찰 도구 개발로 DNA 조절 요소 연구 혁신

하버드 팀이 분자 수준의 ‘현미경’을 개발해 유전자 조절 과정을 더 정확하게 관찰할 수 있게 되었다. 이 새로운 도구는 DNA 조절 엘리먼트의 연구에 큰 힘을 실어줄 것으로 기대된다. 연구팀은 이 기술이 DNA에서 다양한 크기의 단백질 결합 위치를 정확히 측정해 유전자 발현을 조절하는 요소들을 발견하는 데 도움이 될 것이라고 설명했다. 과거에는 DNase I와 MNase 등의 효소를 사용해 DNA 결합 단백질의 결합 위치를 확인하는 방법이 주로 사용되었다. 그러나 이러한 방법들은 복잡하고 단일 세포 시퀀싱 방법과 통합하기 어려웠다. 최근 단일 세포 ATAC-seq (scATAC-seq) 기술이 발전하면서, 연구팀은 이를 활용하여 단일 세포 데이터에서 단백질 결합을 측정하는 좋은 시점을 찾을 수 있었다. 연구의 초기 단계에서는 Tn5 효소의 자체 서열 편향을 제거하고, 효과적인 통계 모델을 구축하여 다양한 크기의 단백질이 DNA에서 결합하는 것을 정확히 측정하는 데 초점을 맞췄다. 이를 위해 연구팀은 다양한 방법을 시도했으며, 결국 seq2PRINT라는 DNA 서열 예측 모델을 개발하는데 성공했다. 이 모델은 불투명한 전사 인자들의 결합 위치를 정확히 예측하는 데 사용될 수 있다. 연구 중 후반부에는 결합력이 약하거나 결합 시간이 짧은 전사 인자를 측정하는 문제가 어려웠다. 이런 전사 인자는 DNA에 충분한 보호를 제공하지 않아, 그들의 신호 경로에서 뚜렷한 ‘발자국’을 남기지 않았다. 그러나 연구팀은 이들 ‘불투명’ 전사 인자가 다른 보호적 단백질들과 강한 의존성과 제약 관계를 가질 수 있다는 가설을 세웠다. 이 가설을 검증하기 위해 AI의 도움을 받아 관찰 가능한 신호를 이용해 이들 불투명 단백질의 결합 상태를 예측하는 방법을 고안했다. seq2PRINT의 개발은 처음부터 DNA 서열과 단백질 결합의 의존성 관계를 연구하기 위한 것이었지만, 전사 인자의 결합을 예측하는 데도 사용될 수 있다. “따라서, 이는 비정상적인 데이터 외의 방식으로 우리의 문제를 해결한 것”이라는 하버드 대학의 제이슨 D. 부에노로스트로 교수의 말이다. 이 연구는 에 ‘다중 스케일 발자국이 순차적 조절 엘리먼트의 조직을 드러냈다’(Multiscale footprints reveal the organization of cis-regulatory elements)라는 제목으로 발표되었다. 논문의 공동 저자는 하버드 대학의 박사 학생 류 철과 장 노페르, 그리고 맥스 호르벨크 박사 후 연구원이며, 제이슨 D. 부에노로스트로 교수가 연구를 주도했다. 업계 전문가들은 seq2PRINT가 DNA 조절 엘리먼트 연구의 획기적인 발전으로 평가한다. 이 도구는 유전자 발현 조절 메커니즘을 더 깊게 이해하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 특히 질병 발달 과정에서 중요한 역할을 하는 전사 인자들의 발굴에 큰 도움이 될 것이다. 하버드 연구팀의 이 기술은 앞으로 생명과학 연구에 있어 더욱 세밀하고 정확한 분석을 가능하게 할 것으로 보인다.