바이오인

핵심내용

-DNA 손상 복구 위한 유전자 재조합 시 체세포와 생식세포에서의 주형가닥 선택기전 규명

□ 국내 연구진이 세포분열 과정에서 손상된 DNA 이중가닥 절단을 복구하는 유전자 재조합* 시 관련 단백질의 작용기전을 밝혀내 DNA 손상으로 인한 유전질환이나 암 등의 진단이나 치료방법 연구에 기여할 것으로 기대된다.

     * 유전자 재조합 : DNA 이중가닥 절단이 형성된 곳을 시작으로 유사한 염기서열을 갖는 부위와의 접합과 재조립을 통해 처음 유전자와는 다른 유전자가 형성되는 과정

   o 중앙대 생명과학과 김근필 교수가 주도하고 홍수길 박사과정 연구원 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업 및 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 생명과학분야 학술지 Cell의 자매지인 몰레큘라 셀(Molecular Cell)지 8월 22일자 온라인 판에 게재되었다.

    (논문명 : The logic and mechanism of homologous recombination partner choice)

□ 유전자 재조합은 유전정보를 섞어 생명체의 다양성을 확보하고, DNA 손상을 복구해 유전적 안정성을 보장하기 위해 필요한 과정이다.

   o 특히 세포분열시 일어나는 DNA 이중가닥 절단이 제대로 복구되지 않으면 암세포가 되거나 세포사멸로 이어질 수 있다. 때문에 이 같은 절단을 복구하기 위한 재조합 기전에 대한 이해는 관련 질병이해의 토대가 된다.

□ 기존에는 이러한 절단복구를 위한 재조합 과정에 Rad51 등 몇 가지 단백질이 관여한다는 등 간단한 기전만 알려져 있었다.

   o 특히 절단복구를 위한 재조합 과정에서 체세포는 주형(鑄型, template) 가닥으로 자매염색분체*를 선택하는 반면, 생식세포는 상동염색체**를 이용하는 이유는 알려지지 않았다. 
     * 자매염색분체 : DNA 복제를 통해 만들어진 하나의 염색체에 있는 염색분체
    ** 상동염색체 : 부계와 모계로부터 각각 물려받은 모양과 크기가 같은 두개의 염색체

□ 연구팀은 효모모델을 이용하여 세포분열시 일어나는 DNA 이중가닥 절단복구 관련 상동재조합* 과정에서 체세포는‘Rad51’, 생식세포는 ‘Dmc1’이라는 단백질이 각각 핵심역할을 수행함을 알아냈다. 
     * 상동재조합 : 절단된 DNA 두 가닥 중 한 가닥이 반대편 상동염색체로 침투해 상보적인 서열을 찾아 접합하여 염기를 이어가면서 재조합된 유전자를 만드는 과정 

   o 절단부위를 메우기 위해 상보적인 염기를 이어나갈 때 주형가닥을 선택하는 역할을 서로 다른 단백질이 한다는 것이다.

   o 인간을 비롯한 대부분 생명체의 유전자 재조합 기전이 유사하여 이러한 가닥 침투와 주형가닥 선택과정에 대한 이해는 유방암 원인유전자가 Rad51의 주형 가닥 선택 기전에 미치는 영향 등 전반적인 유전자 재조합 관련 연구에 기여할 것으로 보인다.

□ 김 교수는 “이번 연구로 수십 년간 궁금증으로 남아있던 체세포와 생식세포분열 특이적 유전자 재조합 기전의 명확한 과정을 제시하였고,  이는 궁극적으로 암초기 발생 원인에 대한 과정이나 다운증후군 등 염색체 이상 질환의 원인을 이해하는데 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경

 유전자 재조합과정을 통해 인류는 생명과학의 획기적인 발전을 이루어왔으며, 유전공학기법의 활용으로 새로이 형질전환 된 개체를 통해 의약품 개발, 식물생명공학으로의 적용, 유전자 진단을 위한 항체생산 등 생명공학의 근간을 이루는 기술의 발전으로 이어져 왔다. 유전자의 이동과 형질전환 방법은 생명체의 상동재조합기전을 기초로 하여 다양하게 적용되어 오고 있다.

 생명의 다양성에 기인하는 생식세포 분열과정에서의 유전자 재조합 기전연구를 통해 다양한 생명체의 탄생과정을 이해하며, 부모세대로부터 오는 각종 유전질환의 원인이 밝혀져 오고 있다.

 진핵 생명체가 겪는 생식세포 분열 과정과 체세포 분열 단계에서의 손상된 DNA 이중가닥 절단(double-strand breaks) 의 수선을 위해 세포는 유전자재조합(gene recombination) 과정을 거치게 된다. 이러한 유전자 재조합과정은 암세포의 방사선에 의한 유전체 불안정화 및 암세포 초기 형성과정 연구에 있어서도 중요하다.

 분자유전학의 발전에 따라 유전자 재조합과 연관된 다양한 유전질환의 원인이 밝혀져 오고 있으며 예방과 치료를 위한 방법을 제시하고자 노력해 오고 있다. 특히 다운증후군, 터너증후군, 혹은 그 외에 뇌기능이상을 가진 태아는 생식세포 분열시 염색체의 비정상적인 분열과정에 의해 발생하게 된다.

2. 연구내용

○ DNA double-strand break에 따른 유전자 재조합 과정
 유전자 복제 후, 부모 염색체의 한쪽 가닥에서 DNA double strand break가 형성되며 선택적으로 어머니로부터 전해 온 염색체는 아버지로부터 전해온 염색체 혹은 그 반대로 상동염색체를 주형으로 유전자 수선과정을 거치게 된다. 유전자 교차가 결정이 되는 시점에서 유전자 전위 또한 형성되는데 이를 조절하는 인자로 Zip1/Zip2/Zip3 단백질이 알려져 있다.

 DNA 손상 후에 MRX complex(Mre11/Rad50/Xrs2)에 의해 DNA 이중가닥절단(DNA double strand

breaks, DSBs)이 형성된다. 이로 인하여 DNA single strand가 노출되어 RPA complex가 결합하게 된다.

 Type-II topoisoerase와 기능적으로 유사한 Spo11-complex에 의해 DNA double strand break가 유도되며 meiotic recombination이 개시된다.

 이중홀리데이(double Holliday junction) 구조는 endonuclease와 Sgs1 등의 resolvase에 의해 유전자 교환이 완벽히 일어난 교차가 형성된 염색체 혹은 유전자 교환이 일부만 일어나게 된 유전자 전위의 염색체를 형성한다.

 유전자 재조합 과정에서의 Rad51-55-57의 결실된 세포에서는 유전자의 주형선택이 상동염색체가 아닌 자매염색분체를 이용하여 수선이 되는 기전을 나타냈다.

 Rad51의 보조인자로 Psy3-Csm2-Shu1-Shu2의 구성으로 된 PCSS complex가 발현되며 Rad51의 기능을 위한 필수적이지만, Rad55-57에 비하여 약한 표현형을 나타냈다.

○ 자매염색분체 cohesin에 의한 유전자 재조합 과정 조절
 자매염색분체의 cohesion을 조절하는 Rec8 cohesin이 제거된 세포의 경우에는 유전자 재조합이 완성되기 어려우며 checkpoint activation에 의해 recombination progress가 현저히 감소됐다. 이와 더불어 Rad51과 함께 결실시켰을 경우, 유전자 재조합은 거의 발생하지 않으며, 세포는 사멸하게 된다. 유전자 재조합에 있어 Rec8 cohesin은 자매염색분체 안정화와 재조합에 직접적으로 관여함이 예상된다.

 3. 기대효과

 본 연구를 통하여 세포 특이적 유전자 재조합기전과 여러 유전자 수선단백질의 작용기전을 밝히게 되었으며, 암 발생 초기 단계와 줄기세포 등의 염색체 불안정화 단계에서의 유전자 수선과정의 이해를 통해 유전자 이상 질환 및 암의 진단과 치료에 큰 기틀이 될 것으로 기대된다.

용 어 설 명

 1. Molecular Cell
  ○ 분자세포생물학 분야 권위있는 저널로 Cell Press에서 출판됨
  ○ 피인용지수(impact factor)는 15.28 (2013년 발표기준)

 2. 체세포분열(Mitosis)
  ○ 피부, 기관, 신경 등 거의 모든 세포가 성장 혹은 회복하기 위해서 필요한 분열로서 자기 자신과 똑같은 유전정보를 갖는 세포를 만들어 내는 특징을 가지고 있음

 3. 생식세포분열(Meiosis)
  ○ 생식기관에서만 특정적으로 발생하는 분열과정으로, 이 분열의 특징은 한번 분열을 통해 서로 다른 유전정보를 가진 4개의 딸세포를 만들어 내는 것이 특징임
  ○ 프로그램된 DNA 이중가닥 절단 (DNA double-strand break)을 시작으로 유전자 재조합 (genetic recombination)이 진행된다. 절단된 DNA는 상동재조합 (homologous recombination) 과정을 통해 수선이 이루어지며, 이 과정에서 부모 염색체의 여러 조합이 생기게 됨
  ○ 재조합을 거쳐 형성된 생식세포는 다양한 형질을 갖게 되어 결과적으로 같은 부모로부터 형성된 자손들이 다양한 부모의 형질을 갖는 이유임

 4. 유전자 상동재조합
  ○ DNA 여러 가지 수선 방법 중 한가지의 방법으로 DNA에 손상신호를 시작으로 손상된 DNA의 이중가닥 중 한 가닥을 제거하여 단일가닥이 형성됨
  ○ 단일가닥이  상동부분을 찾아 결합한 후, DNA 합성이 일어나는데 이로 인해 상동유전체간의 유전자 재조합이 일어남.
      - 상동유전체 : 유전자 복제 후 형성된 자매염색분체 혹은 난자와 정자가 만나 형성된 세포의 각각의 염색체 쌍을 가리킨다.

 5. Rad51
  ○ 세포내의 손상된 DNA를 효율적으로 수선하는 상동재조합기전에 있어서 가장 핵심적인 역할을 하는 단백질로 RecA 유사 단백질로 알려짐. 체세포 분열과 생식세포 분열과정에서 상동부분을 찾고, 교환하는 역할을 함

 6. Dmc1
  ○ 생식세포 분열에서만 특이적으로 발현 하는 단백질로 Rad51과 함께 진핵세포에서 RecA와 유사한 구조와 기능을 나타냄

 7. Mek1
  ○ 생식세포 분열과정에 특정 발현되는 serin/threonin 단백질 인산화효소로 상동 염색체를 이용한 재조합을 증진시키며, 세포주기의 체크포인트 단백질임. Mek1 kinase 불활성은 유전자 재조합의 기전을 자매염색분체와의 상호작용을 통한 수선으로 변환시킴

  8. Mcd1과 Rec8
  ○ 세포의 유전자 복제 후 자매염색분체를 붙잡아주는 코히신 복합체(cohesin complex) 중의 하나로 체세포 분열에서는 Mcd1이 생식세포 분열과정에서는 Rec8 cohesin이 조절자 역할을 함

그 림 설 명

<그림설명> 체세포 및 생식세포 분열과정의 유전자 상동재조합 기전 및 원리 유전자 상동재조합 기전의 초기 핵심단계로 본 연구를 통해 최초로 제시된 모델임. 생식세포분열과 체세포의 유전자 재조합과정은 일반적으로 상동염색체를 활용하는 선택적 기전을 갖추고 있음. 하지만 코히신 채널링에 의해 자매염색분체를 활용하여 유전자 재조합을 수행함(A). Rad51과 중간 매개체들과의 역할로 자매염색분체의 DNA 주형과 함께 앵커패드(anchor pad)를 형성함(B). 체세포에서는 코히신의 채널링 기능으로 자매염색분체를 활용한 재조합이 완성됨. 하지만, 생식세포 분열과정에서는 Dmc1과 cohesin의 상호작용을 통해 DNA 주형 선택에 있어 상동염색체를 활용하는 기전이 성립됨(C).