인체 세포가 분열할 때마다, 세포는 46개의 염색체를 복사해서 새로운 세포의 지침서로서 역할을 하도록 한다. 정상적으로 이러한 과정은 차질없이 끝난다. 그러나 시간이 지나면서 이러한 정보가 적절하게 복사되지 않고 통합되지 않아 세포가 주의를 가져야 하는 틈이나 뒤틀림을 남기게 된다.
연구진은 오랫동안 염색체 상에 "깨지기 쉬운 곳(fragile sites)"이라는 어떤 곳이 존재하여 파손되기 쉬운 경향이 있으며 이것이 인체 암의 온상이 될 수 있다는 것을 인식해 왔다. 그러나 왜 이러한 유전 코드에서 약한 위치가 첫 번째 장소로 작용하는지를 이해하기 위해 애써왔다.
듀크 연구진은 효모에서 깨지기 쉬운 곳을 전체적인 지도로 표현하여 게놈 상 특정 지역에서 이러한 깨지기 쉬운 곳이 나타나며, 어떤 DNA 서열이나 구조적 요소에 의해 DNA를 복제하는 기계가 느려지거나 멈춰 있다는 것을 보여주었다. 미국과학연보(Proceedings of the National Academy of Sciences) 5월 5일에 게재된 이번 연구 결과는 고형 암에서 보이는 많은 유전적 이상의 기원에 대한 통찰을 제시할 수 있을 것이다. "기존의 다른 연구들은 특정 유전자 혹은 염색체의 깨지기 쉬운 곳을 조사한다는 한계가 있었다. 우리 연구는 처음으로 전 게놈 상의 수 천 개의 깨지기 쉬운 곳을 조사하여 어떤 곳이 공통적으로 나타나는지를 찾고자 하였다"고 듀크 의대(Duke University School of Medicine) 분자 유전학과 미생물학 교수인 토마스 피터스(Thomas D. Petes) 박사가 말했다.
"깨지기 쉬운 곳"이라는 용어는 1980년대에 포유류 세포에서 DNA를 복제하는 DNA 중합효소라는 분자의 기능이 억제될 때 생기는 염색체의 깨짐을 기술하기 위해 처음으로 만들어진 것이다. 이러한 발견 이후로, 효모(Saccharomyces cerevisiae)를 이용한 연구를 통해 어떤 DNA 서열이 중합 효소가 복제 과정 중에서 느려지거나 멈춘다는 것을 보여주었다. 그러나 복제 지연이 어떻게 "깨지기 쉬운 곳"이 되는지를 보여 준 연구는 없었다.
이번 연구에서 피터스 박사는 복제 기능이 제대로 이루어지지 않는 것과 유전적 결과 사이에 관계를 게놈 전체에서 규명하고자 하였다. 먼저 그는 효모 세포에서 DNA 중합 효소의 발현을 정상보다 10배 정도 더 낮추었다. 그리고 유전자 칩 기술을 이용하여 어떤 DNA 서열 부분이 재배열되는지-이것은 깨지기 쉬운 곳이 있었다는 것을 나타낸다-를 지도로 만들고자 하였다.
이러한 깨지기 쉬운 곳을 찾은 후, 연구진은 1년 이상을 보내면서 그들이 찾아낸 게놈 상의 지역에서 어떤 곳이 문헌상에 나타나는지를 조사하였다. 결국 연구진은 깨지기 쉬운 곳이 DNA 복제, 역반복, 복제 종료 신호와 트랜스퍼 RNA 유전자와 같은 난해한 부분과 관련 있다는 것을 보여주었다.
"우리는 단지 충분한 관련성을 보지 않은 것이 많기 때문에 단지 빙산의 일각만을 발표한 것이다. 심지어 지금도 우리는 깨지기 쉬운 곳을 분명하게 예측할 수 있는 단순한 서열을 찾아내지 못했다. 복제 속도를 줄이는 여러 방법이 있고 이러한 현상이 일어나는 하나의 신호만이 있지는 않다고 생각한다"고 피터스가 말했다. 게다가, 피터스는 이러한 깨지기 쉬운 곳이 매우 놀랄 정도로 불안정한 게놈을 만들고 혼란스러운 DNA 재배열, 복제와 삭제 혹은 전 염색체의 획득 및 손실에 이르게 한다는 것을 발견하였다.
"게놈을 기반으로 한 이러한 깨지기 쉬운 곳을 분석하는 능력은 매우 중요한 진전이다. 오랫동안 여러 암 세포가 비정상적인 수의 염색체를 가지고 있으며, 여러 다양한 염색체 재배열이 종양 세포에서 관찰되었다는 것이 알려져 있다. 암 세포에서 여러 다양한 이유로 염색체의 불안정성이 일어날 것이다. 이번 연구는 깨지기 쉬운 곳에서 그러한 염색체의 재배열이 관찰되며 고형 암에서 복제의 교란 때문에 발생하는 것임을 제시한다"고 에모리대(Emory University) 생물학 교수인 그레이 쿠로스(Gray Crouse) 박사가 말했다.
