세포의 전사 상태는 유전자 발현 프로그램의 다중 매개변수적 표현으로 세포의 정체성과 표현형을 반영한다. 그러나 기존의 전사체 프로파일링 기술은 생물학적 시료를 파괴하여 동일한 살아있는 세포에서 시간 경과에 따른 전사 동역학을 직접 분석하는 데 한계가 있었다. 본 연구에서는 이러한 근본적인 기술적 한계를 해결하기 위해 세포의 '자가 보고(self-reporting)'라는 합성 RNA 수출 시스템을 개발했다.
연구팀은 쥐 백혈병 바이러스의 역전사 단백질 Gag를 재활용하여 다양한 불멸화 및 일차 포유류 세포가 세포 RNA 분자를 바이러스 유사 입자(VLP)에 포장하여 세포외 환경으로 내보낼 수 있도록 했다. 이 자가 보고 시스템을 유도만능줄기세포의 신경 분화 과정에서 발생하는 전사체 전반의 동역학을 분석하는 데 적용하여 개별 살아있는 세포에서 유전자 발현 프로파일을 성공적으로 감지했다.
이 유전적으로 인코딩 가능한 접근 방식을 활용하여 VLP 구성 요소의 분자 공학을 통해 자가 보고의 기능을 확장했다. 에피토프 태그가 지정된 외피 단백질로 VLP를 슈도타이핑함으로써 이종 공동 배양에서 전사 상태의 다중 선택적 실시간 세포 판독이 가능해졌다. 나아가, 인간 RNA 결합 도메인과 Gag 융합 단백질의 구조 기반 단백질 공학은 자가 보고 판독에서 mRNA 표현을 개선하고 합성 바코드 전사체 라이브러리의 지향성 수출을 가능하게 했다.
종합적으로, 본 연구는 자가 보고를 다양한 세포 유형 및 생물학적 응용 분야에서 동적 프로세스의 실시간, 전사체 규모 프로파일링을 위한 쉽고 광범위하게 활용 가능한 기술로 확립했다.
수중 저산소증은 어류의 성장과 생존에 해로운 영향을 미치는 반복적인 환경 스트레스 요인이다. 청하이-티베트 고원에 서식하는 고유종인 잉어과 어류 Gymnocypris eckloni는 저산소증에 대한 뛰어난 회복력을 보이지만, 다양한 용존 산소 수준의 저산소 환경에서 면역 체계의 동적 변화에 대한 지식은 제한적이다.
본 연구에서는 G. eckloni의 간과 혈액 생화학적 매개변수 및 전사체 조사를 통해 심각한 단기 저산소증(12시간)과 중간 정도의 장기 저산소증(24, 96, 168시간)에 대한 면역 반응의 차이를 분석했다. 아가미와 비장에서 주요 면역 관련 유전자 발현 패턴도 분석했다.
심각한 단기 저산소증은 중간 정도의 장기 저산소증에 비해 산화 손상을 악화시키고 세포자멸사 및 자가포식 관련 유전자 발현을 유의하게 변화시켰다. 식세포, 리소좀, TLR 및 NLR 신호 전달 경로는 심각한 단기 저산소증에서 유의하게 풍부했지만, 중간 정도의 장기 저산소증에서는 유사한 풍부화가 관찰되지 않았다. nod1, irf3, ifnα, pi3k, akt, p38, il-12, jak1, stat1, nlrp3, bax, bcl2, bcl-xl, atg5, lc3 등 여러 핵심 면역 관련 유전자가 확인되었으며, 대부분 저산소증에 노출된 아가미에서 유사한 발현 경향을 보였다. 또한, 비장에서 nod1, irf3, akt, pi3k, jnk, cyld의 발현은 심각한 단기 저산소증에 의해 현저하게 유도되었다.
이러한 결과는 G. eckloni의 저산소 스트레스에 대한 면역 조절 전략을 규명하고, 저산소 내성 어류 품종 개발에 귀중한 정보를 제공한다.
코헤신은 프로모터-인핸서 루프를 포함한 3D 염색질 구조를 조직하지만, 코헤신 손실이 유전자 발현에 미치는 영향은 예상외로 미미하다는 역설이 존재합니다. 본 연구는 인간 세포에서 코헤신이 전사의 여러 단계에 작용함을 밝혀 이 역설을 설명합니다.
코헤신은 프로모터-인핸서 소통을 촉진하여 활성 프로모터 염색질 상태를 유지하고 RNA 중합효소 II(Pol II)의 프로모터 모집을 증진합니다. 동시에, 전사 기구와 일시적으로 결합하여 Pol II의 일시 정지 해제를 지연시킵니다.
운동학적 모델링 결과, Pol II 모집 감소와 일시 정지 해제 증가는 상호 보완적인 효과를 나타내어, 코헤신 손실 시 유전자 전반의 정상 상태 유전자 발현 변화가 미미한 이유를 설명합니다. 그러나 코헤신 고갈은 외부 자극에 대한 강력한 전사 유도를 저해합니다. 또한 코헤신은 충분한 일시 정지 시간을 확보하여 신장 복합체 조립과 전사 지속성을 촉진하는 품질 관리 단계 역할을 수행합니다.
이 연구는 코헤신이 다양한 전사 단계를 조절함을 보여주며, 암 및 코헤신병증을 포함한 코헤신 관련 질병에 대한 기계론적 통찰력을 제공합니다.
칼모듈린 결합 단백질 60(CBP60) 계열은 식물 면역 및 스트레스 반응에 중요하지만, 관상 식물에서의 기능은 불분명합니다. 본 연구는 페튜니아(Petunia × hybrida ‘Mitchell Diploid’)의 PhCBP60b를 특성화하고 가뭄 내성에서의 역할을 규명했습니다.
PhCBP60b는 핵에 위치하며 보존된 칼모듈린 결합 도메인을 포함하고, 뿌리에서 주로 발현됩니다. PhCBP60b 과발현은 애기장대와 페튜니아에서 잎 수분 손실 감소, 상대 수분 함량 증가, 생존율 향상을 통해 가뭄 내성을 증진시켰습니다. 또한, 기공 폐쇄를 촉진하고 삼투 스트레스 조건에서 발아율 및 뿌리 성장을 개선했습니다.
전사체 분석 결과, PhCBP60b 과발현 시 DDF1, LEA3, SWEET11, UGT74E2 등 167개의 차등 발현 유전자가 확인되었습니다. 통합 분석을 통해 PhCBP60b가 PhSWEET11 및 PhUGT74E2 유전자의 프로모터에 결합하여 전사 활동을 약 2배 활성화함을 확인했습니다.
이러한 결과는 PhCBP60b가 기공 특성 조절 및 하위 가뭄 반응 유전자 활성화를 통해 가뭄 내성을 양성적으로 조절함을 시사합니다. 본 연구는 관상 식물에서 CBP60 단백질의 기능적 역할에 대한 새로운 통찰을 제공하며, 페튜니아 및 기타 작물의 가뭄 저항성 개선을 위한 유망한 후보로서 PhCBP60b의 잠재력을 강조합니다.
