우리 몸의 세포는 평생 DNA 돌연변이를 지속적으로 축적하며 세포 간의 유전적 다양성(모자이시즘)과 세포 노화를 일으킨다. 국내 연구진이 세포소기관 중 하나인 미토콘드리아의 DNA에서 모자이시즘 현상을 최초로 규명했다.
주영석 한국과학기술원(KAIST) 의과학대학원 교수 연구진은 미토콘드리아 DNA의 돌연변이를 연구해 국제 학술지 '네이처 유전학(Nature Genetics)' 온라인판에 지난 22일 발표했다고 24일 밝혔다. 연구에는 서울대, 연세대, 고려대의 의과대학과 국립암센터, 주영석 교수가 창업한 '이노크라스'의 연구자들도 참여했다.
미토콘드리아는 세포 에너지 대사와 사멸에 관여하는 세포소기관으로, 세포핵과 자체 DNA를 가지고 있다. 따라서 DNA 돌연변이도 발생할 수 있다. 하지만 단일세포에서 전장유전체(whole-genome sequencing)를 보는 기술에 한계가 있어 미토콘드리아 DNA의 돌연변이와 모자이시즘에 대한 연구는 미흡했다.
연구진은 31명의 정상 대장 상피 조직, 섬유아세포, 혈액에서 확보한 총 2096개 단일세포의 전장 유전체 서열을 분석했다. 연구진에 따르면 세계 최대 규모의 연구다. 분석 결과 세포에 따라 평균 3개의 유의미한 미토콘드리아 DNA 차이가 존재했다. 대부분은 노화 과정에서 생성됐으나 약 6%의 차이는 모계로부터 정상 DNA와 돌연변이 DNA가 섞인 이형상태(heteroplasmy)로 전달됐다.
특히 암 발생 과정에서 돌연변이 수가 유의미하게 증가했고, 이들 변이 중 일부는 미토콘드리아 RNA 불안정성에 기여했다. 연구진은 데이터를 바탕으로 인간의 배아 발생단계부터 노화와 발암 과정까지 미토콘드리아 발생과 진화 과정을 이해할 수 있는 모델을 구축했다.
이번 연구로 사람의 정상 세포에서 발생하는 미토콘드리아 DNA 돌연변이의 형성 메커니즘을 체계적으로 밝혔다. 향후 미토콘드리아 DNA가 노화와 질병 발생에 미치는 영향을 이해하는 데 중요한 초석을 제공할 것으로 기대된다.
주영석 교수는 "전장유전체 빅데이터를 체계적으로 활용해 미지의 영역이었던 생명과학 현상을 규명할 수 있다"며 "암 발생 과정뿐만 아니라 인간의 배아 발생과정이나 노화과정에서 나타나는 미토콘드리아 DNA의 변화를 체계적으로 이해할 방법을 처음으로 수립했다"고 연구의 중요성을 설명했다.
참고 자료
Nature Genetics(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41588-024-01838-z