진핵세포의 유전자 발현은 DNA 서열, 히스톤 변형, 전사인자 및 염색질 구조에 의해 조절됩니다. 이와 함께 RNA 중합효소 II가 DNA를 따라 이동하는 전사 과정에서는 중합효소의 앞쪽에 양성 초나선이, 뒤쪽에 음성 초나선이 형성되어 DNA의 꼬임 상태가 지속적으로 변화합니다. 이러한 DNA 위상 상태(DNA topology)는 전사와 단백질 결합에 영향을 줄 수 있으나, 기존 연구에서는 주로 전사 과정의 부산물로 이해되어 왔습니다. 특히 유전체의 3차원 구조는 Cohesin 과 CTCF 등의 구조 단백질을 중심으로 설명되어 왔으며, DNA의 물리적 상태가 이들의 결합과 기능을 어떻게 조절하는지는 충분히 밝혀지지 않았습니다. 따라서 전사에 의해 생성되는 DNA 위상 상태가 유전체 구조 변화의 결과인지, 아니면 구조 형성에 선행하여 영향을 미치는 조절요인인지를 규명하는 것은 유전체 조직화의 원리를 이해하는 데 중요한 과제입니다.
DNA Supercoiling의 분포는 전사량뿐 아니라 유전자의 배열과 전사 방향, 염색질 접근성, 히스톤 변형 및 RNA 대사에 따라 달라질 수 있습니다. 본 연구에서는 이러한 요소들이 결합하여 반복적으로 형성되는 국소적 상태를 ‘위상학적 문법(Topological Syntax)’으로 정의하고, 이 상태가 특정 위치에서 Cohesin Loader의 결합과 Cohesin 의 기능적 결합을 촉진하는지를 검증하고자 합니다. 예비 연구에서는 Cohesin Loader인 Mis4의 분포가 전사량이나 Supercoiling의 강도만으로는 충분히 설명되지 않지만, DNA 위상 상태와 전사 및 염색질 정보를 통합하면 예측력이 향상되는 결과를 얻었습니다. 또한 전사 종결 및 RNA 분해 인자의 결핍에 따라 DNA 위상 상태와 유전체 접촉 양상이 변화하는 것을 관찰하였습니다. 그러나 이러한 연관성이 DNA 위상 상태의 인과적 역할을 의미하는지, 기존 전사·염색질 상태를 반영하는 것인지는 아직 분명하지 않습니다.
본 연구에서는 분열효모에서 양성·음성 Supercoiling 지도를 구축하고, 전사 및 염색질 정보와 통합하여 Cohesin 결합을 예측하는 위상학적 문법을 발굴하고자 합니다. Cohesin Loader와 Cohesin을 급성 제거한 뒤 회복시키는 과정에서 DNA 위상 상태, 단백질 결합 및 유전체 접촉의 변화 순서를 분석하고, 위상 상태의 선택적 교란과 복구 실험을 통해 인과관계를 검증할 것입니다. 아울러 전사 종결 인자 Xrn2/Dhp1과 핵내 RNA 분해 인자 Dis3를 조절하여 RNA 대사 이상이 DNA 위상 상태와 유전체 구조를 변화시키는 기전을 규명하고자 합니다. 동일 시료에서 양성·음성 초나선을 함께 분석하는 SUPER CUT&Tag 기술을 개발하고, 포유류 세포의 유사분열 종료부터 G1기 진입까지 DNA 위상 상태와 Cohesin 결합, 3차원 유전체 구조가 재형성되는 과정을 추적할 것입니다. 이를 통해 DNA 위상 상태가 기존 전사 및 염색질 정보에 더하여 유전체 조직화를 설명하고 예측하는지를 밝히고, 전사와 RNA 대사, DNA의 물리적 상태를 연결하는 새로운 유전체 조절 원리를 규명하고자 합니다.