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핵심내용

손상된 DNA의 복구과정 규명

- 단분자분광 기술로 분자 수준의 움직임 밝혀 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 김도석 교수(서강대학교) 연구팀이 “손상된 DNA가 렉에이(RecA) 단백질에 의해 복구되는 과정을 규명하였다”고 밝혔다.
 
□ DNA는 생명체에 필요한 모든 유전 정보를 담고 있으므로 손상되지 않도록 잘 보호되어야 한다. 렉에이 단백질은 상동염색체* 재조합 방법을 이용하여 양가닥절단으로 손상된 DNA를 오류없이 복구한다. 렉에이 단백질의 도움이 없으면 다양한 독성물질, 자외선 등에 노출 시에 세포가 대응할 수 없게 되고 각종 질병으로 이어지게 된다.
  * 상동염색체 : 하나의 세포안에 존재하는 동일한 크기, 모양을 가지는 한 쌍의 염색체. 렉에이 단백질은 손상된 DNA와 동일한 유전정보를 가지는 상동염색체를 찾아 서로간의 유전정보 비교 및 교환을 통해 복구를 진행함.
 
□ 렉에이 단백질이 손상된 DNA에 필라멘트를 형성하며 성장, 분리, 상동염색체 찾기 및 DNA 가닥 맞교환(strand exchange) 등 다양한 현상들이 동시에, 혹은 정교한 순서에 따라 일어나게 되는데, 이러한 과정의 복잡성 때문에 기존의 생화학적 방법으로는 분자들의 정교한 화학반응을 각기 구분하여 분석하는 데 한계가 있었다.

□ 연구팀은 단분자분광 기술*을 이용하여 렉에이 단백질이 손상된 DNA에 결합했을 때 단백질의 구조가 변화하는 과정을 실시간으로 관찰하였고, DNA가 복구될 때 일어나는 분자 수준의 현상들을 밝혀냈다.
  * 단분자분광 기술 : 개개의 분자들의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 정밀 분광 기술로써 특히 단백질, DNA와 같은 생체분자들의 복잡한 작용 메커니즘을 분석할 수 있음.

 ㅇ 연구 결과에 따르면, 렉에이 단백질은 ATP를 통해 얻은 에너지를 이용하여 DNA 상에서 움직인다. 렉에이 단백질의 이동은 DNA 염기서열에 크게 영향을 받으며, 특히 특정 염기서열에 맞춰지면 이동이 억제되어 유전암호를 정확히 읽어낼 수 있다.

 ㅇ 연구팀이 활용한 단분자분광 기술은 두 형광분자 사이에서 에너지가 이동하는 현상을 기반으로 하여, 화학적 반응에 수반되는 개개의 분자의 역학적 움직임을 나노미터(nm) 규모에서 세밀하게 관찰할 수 있다.

□ 김도석 교수는 “이 연구를 통해 렉에이 단백질 형성과 DNA 복구 과정을 보다 면밀히 규명해냈다”며, “유전자 복구를 통한 노화, 암과 같은 질병 치료에 근원적인 초석을 제공할 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 교육부·한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 사이언스 어드벤시즈(Science Advances) 9월 6일자 논문으로 게재되었다.

□ 논문명과 저자 정보

 - 논문명 : RecA filament maintains structural integrity using ATP-driven internal dynamics

  - 저자 정보 : 김도석 교수(교신저자, 서강대학교), 김승현(제1저자, 서강대학교/네덜란드 델프트 공과대학교), 안탁균(서강대학교), 타오 주 쿠이(Tao Ju Cui, 네덜란드 델프트 공과대학교), 스위니 차우한(Sweeny Chauhan, 네덜란드 델프트 공과대학교), 성재영(중앙대학교), 주철민(네덜란드 델프트 공과대학교)

□ 논문의 주요내용

1. 연구의 필요성

  ○ DNA는 생명체에 필요한 모든 유전 정보가 저장된 중요한 생체 고분자이다. 세포 내에서 DNA 손상은 일상적으로 매우 흔하게 일어나는 현상이며, 세포 안에는 끊임없이 다양한 복구 메커니즘들이 작동하고 있다. DNA 손상 복구에 실패할 경우 해당 세포는 정상적인 기능을 유지하지 못하며, 노화와 질병들을 유발하게 된다. 따라서 DNA 복구 메커니즘을 명확히 알아내는 것이 관련된 질병들의 치료방법을 개발하는데 필수적이다.

  ○ 렉에이(RecA) 단백질은 손상된 DNA 상에 필라멘트 구조를 형성하여 손상된 DNA가닥을 길게 펼쳐놓은 후 손상된 부분과 동일한 염기서열을 가지는 상동염색체를 찾아 정상가닥과 손상된 가닥을 맞교환 (상동염색체 재조합) 함으로써 손상된 가닥을 복구하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그 생물학적 기능의 중요성에도 불구하고, 어떻게 렉에이 단백질이 DNA 위에 필라멘트를 형성하고 상동염색체를 찾아 복구를 하는지에 대한 구체적인 메커니즘은 명확히 밝혀지지 않았다. 특히 렉에이 단백질이 필라멘트를 형성하고 난 후 세포내 에너지원인 에이티피(ATP)를 끊임없이 가수분해하여 소모한다는 것이 알려져 왔지만, 이 에너지를 어떻게 사용하는지는 큰 의문으로 남아 있었다.

2. 연구내용

  ○ 렉에이 필라멘트의 작동 메커니즘 연구의 가장 큰 걸림돌은 분자수준에서 일어나는 복잡한 현상들을 따로 따로 구분해서 분석하는 것이 쉽지 않았다는 사실이다. 본 연구에서는 프렛현상*을 기반으로 한 단분자분광기술을 적용하여 개개의 렉에이 필라멘트의 움직임을 나노미터 수준의 공간 분해능으로 관찰 분석함으로써, ATP* 가수분해 과정에 맞물린 렉에이 단백질의 새로운 기능을 발견하였고, 이를 통해 소모적이라고 알려졌던 에이티피 가수분해가 실제로는 렉에이 필라멘트를 상동염색체 탐색 및 재조합을 위한 완전한 구조로 유지시키는 기능을 한다는 사실을 규명하였다.
    * 프렛현상(FRET, fluorescence resonance energy transfer) : 두 형광분자 사이에서 일어나는 에너지 전이현상. 에너지 전이 확률이 두 형광 분자간 거리에 민감하게 변화하기 때문에 나노(10억분의 1)미터 스케일에서의 거리측정기로 사용 될 수 있음.
    * ATP : 세포내에서 주요 에너지원으로 사용되는 분자

  ○ 단분자분광학 기술은 개개의 분자들의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 정밀분광기술로써 특히 단백질, DNA와 같은 생체분자들의 복잡한 작용 메커니즘을 분석하는 중요한 기술로 각광받고 있다. 이를 통해 단일 분자 수준에서 실제 생화학적 반응에 수반되는 역학적 움직임을 세밀하게 관찰할 수 있다. 렉에이 필라멘트의 경우, 필라멘트 형성과 해체, 상동염색체 찾기 및 DNA가닥 맞교환 등의 다양한 현상들이 동시에, 혹은 정교한 순서에 따라 일어나게 되는데, 본 연구에서는 단분자분광학 기술을 적용하여 에이티피가수분해 과정에 따른 렉에이 필라멘트 내부구조변화를 실시간으로 관찰하는데 성공하였다.

  ○ 렉에이 필라멘트는 에이티피 가수분해를 통해 얻은 에너지를 이용하여 손상된 DNA 상에서 축 방향을 따라 움직이는 것으로 나타났다. 새로이 밝혀진 이러한 축 방향 움직임은 DNA 염기서열에 의해 크게 영향을 받는 것으로 보이며, 특정 염기서열에 맞춰지면 그 움직임이 크게 억제됨이 관찰되었다. 이러한 결과는 렉에이 단백질이 DNA 복구과정에서 일어날 수 있는 오류를 최소화하기 위해 DNA에 담기 유전정보의 기본 단위인 코돈(codon)에 맞춰 필라멘트 구조를 재구성하기 위한 것임을 알 수 있다. 이러한 움직임은 또한 필라멘트 중간에 틈이 발생하는 결점이 생겼을 때 틈을 메워 결점을 바로잡는 역할을 수행하여 복구 시 오류를 최소화하도록 한다. 렉에이 필라멘트는 손상된 DNA를 나선구조로 감싸면서 형성되는데 그 길이가 수 마이크로미터에 달할 만큼 크게 성장한다. 이는 분자수준에서는 매우 이례적인 크기라고 할 수 있는데, 본 연구결과로 밝혀진 축방향 이동을 통해 렉에이 단백질이 오류 없는 DNA복구를 위해서 어떻게 거대한 필라멘트구조를 결점 없이 유지할 수 있는지를 설명할 수 있었다.

3. 연구 성과

  ○ 본 연구에서 밝혀진 렉에이 필라멘트 형성 메커니즘을 통해 상동유전자 재조합을 통한 DNA 복구과정을 완전히 이해하는 데 한걸음 더 다가갈 수 있게 되었고, 유전자 복구를 통한 노화 및 질병 치료의 근원적인 초석을 제공할 수 있게 되었다.

  ○ 본 연구에서 사용된 단분자분광학 기술을 기반으로 개발된 연구방법론은 실시간으로 나노미터 수준의 미세한 변화를 개개의 분자 수준으로 관찰할 수 있다는 단분자 분광기술의 장점과 다른 연구방법론들과의 분명한 차별성을 보여주었다.

상세내용

연구 개요

1. 연구배경

  ㅇ DNA는 생명체에 필요한 모든 유전 정보가 저장된 중요한 생체 고분자이다. 우리 몸속의 세포들은 끊임없이 DNA에 저장된 정보들을 읽어 들여 이를 바탕으로 생명활동을 수행한다. 따라서 저장된 정보가 손상받지 않도록 DNA는 잘 보호되어야 하며, 세포에는 손상이 일어날 경우 이를 복구하는 여러 메커니즘이 존재한다. 특히 DNA가 완전히 끊어지는 양가닥절단(double strand break)이 일어나면 세포가 죽음에 이르게 될 수 있기 때문에 신속히 복구되어야 하는데, 렉에이 단백질은 이 과정에서 상동염색체 재조합 방법을 이용하여 양가닥절단으로 손상을 입은 DNA를 오류 없이 복구하는 역할을 하는 단백질이다. 이러한 기능상의 중요성 때문에 모든 생명체에는 렉에이 단백질 혹은 그에 상응하는 상동단백질들이 존재하며, 이들 단백질에 문제가 생길 경우 다양한 질병과 독성물질, 자외선 노출 등에 세포가 대응할 수 없게 되는 치명적인 문제가 발생한다.

  ㅇ 렉에이 단백질은 손상된 DNA 상에 필라멘트 구조를 형성하여 손상된 DNA가닥을 길게 펼쳐놓은 후 손상된 부분과 동일한 염기서열을 가지는 상동염색체를 찾아 정상가닥과 손상된 가닥을 맞교환 (상동염색체 재조합) 함으로써 손상된 가닥을 복구하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그 생물학적 기능의 중요성에도 불구하고, 어떻게 렉에이 단백질이 DNA상에 필라멘트를 형성하고 상동염색체를 찾아 복구를 하는지에 대한 구체적인 메커니즘은 밝혀지지 않았다. 특히 렉에이 단백질이 필라멘트를 형성하고 난 후 세포내 에너지원인 ATP를 끊임없이 가수분해하여 소모한다는 것이 알려져 왔지만, 이 에너지를 어떻게 사용하는지는 큰 의문으로 남아 있었다.

  ㅇ 렉에이 필라멘트의 작동 메커니즘 연구의 가장 큰 걸림돌은 분자수준에서 일어나는 복잡한 현상들을 따로 따로 구분해서 분석하는 것이 쉽지않았다는 사실이다. 이 연구에서는 프렛현상(FRET, fluorescence resonance energy transfer) 기반 단분자분광학을 기술을 적용하여 개개의 렉에이 필라멘트의 움직임을 나노미터 수준의 공간 분해능으로 관찰 분석함으로써, ATP 가수분해 과정에 맞물린 렉에이 단백질의 분자동역학 모델을 발견하였고, 이를 통해 소모적이라고 알려졌던 ATP가수분해가 실제로는 렉에이 필라멘트를 상동염색체 탐색 및 재조합을 위한 완벽한 구조로 유지시키는 기능을 한다는 사실을 규명하였다.

 2. 연구내용

  ㅇ 단분자분광학 기술은 개개의 분자들의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 정밀분광기술로써 특히 단백질, DNA와 같은 생체분자들의 복잡한 작용 메커니즘을 분석하는 중요한 기술로 각광받고 있다. 이를 통해 단일 분자 수준에서 실제 생화학적 반응에 수반되는 역학적 움직임을 세밀하게 관찰할 수 있다. 렉에이 필라멘트의 경우, 필라멘트 형성과 해체, 상동염색체 찾기 및 DNA가닥 맞교환 등의 다양한 현상들이 동시에, 혹은 정교한 순서에 따라 일어나게 되는데, 이 연구에서는 단분자분광학 기술을 적용하여 ATP가수분해 과정에 따른 렉에이 필라멘트 내부구조변화를 실시간으로 관찰하는데 성공하였다.

  ㅇ 연구 결과, 렉에이 필라멘트는 ATP 가수분해를 통해 얻은 에너지를 이용하여 손상된 DNA 상에서 축 방향을 따라 움직이는 것으로 나타났다. 렉에이 필라멘트의 축 방향 움직임은 DNA 염기서열에 의해 크게 달라지는 것으로 보이며, 특정 염기서열에 (예, recombination hotspot, Chi) 맞춰지면 그 움직임이 크게 억제됨이 관찰되었다. 이러한 결과는 렉에이 단백질이 DNA 복구과정에서 일어날 수 있는 오류를 최소화하기 위해 DNA에 담기 유전정보의 기본 단위인 코돈(codon)에 맞춰 필라멘트 구조를 재구성하기 위한 것임을 알 수 있다. 이러한 움직임은 또한 필라멘트 중간에 틈이 발생하는 결점이 생겼을 때 틈을 메워 결점을 바로잡는 역할을 수행하여 복구 시 오류를 최소화하도록 한다. 렉에이 필라멘트는 손상된 DNA를 나선구조로 감싸면서 형성되는데 그 길이가 수 마이크로미터에 달할 만큼 크게 성장한다. 이는 분자수준에서는 매우 이례적인 크기라고 할 수 있는데, 이 연구결과로 밝혀진 축방향 이동을 통해 렉에이 단백질이 오류 없는 DNA복구를 위해서 어떻게 거대한 필라멘트구조를 결점 없이 유지할 수 있는지를 설명할 수 있었다.

  ㅇ 관찰된 결과들을 통해 이 연구팀은 렉에이 필라멘트 형성과정에서 알려져 있지 않던 중간 단계들을 완성함으로써 분자수준에서의 완전한 메커니즘을 제시할 수 있었고, 나아가 이 필라멘트가 렉에이 단백질을 제어하는 다른 단백질들과 어떻게 상호작용 하는지에 대한 이해를 공고히 할 수 있었다.

3. 기대효과

  ㅇ 세포 내 DNA 손상은 일상적으로 매우 흔하게 일어나는 현상이며, 따라서 세포 안에서는 끊임없이 다양한 복구 메커니즘들이 돌아가고 있다. DNA 손상 복구에 실패할 경우 해당 세포는 정상적인 기능을 유지하지 못하며, 노화를 비롯한 다양한 질병들을 유발하게 된다. 실제로 인간에게서 발견되는 렉에이의 상동단백질인 Rad51과 그를 제어하는 BRCA2 단백질에 문제가 발생하는 경우 암과 같은 중대한 질병으로 발전한다는 것이 알려져 있다. 이 연구에서 밝혀진 렉에이 필라멘트 형성 메커니즘을 통해 상동유전자 재조합을 통한 DNA 복구과정을 완전히 이해하는 데 한걸음 더 다가갈 수 있게 되었고, 유전자 복구를 통한 노화 및 질병 치료의 근원적인 초석을 제공할 수 있게 되었다.

  ㅇ 이 연구에서 사용된 단분자분광학 기술을 기반으로 개발된 연구방법론은 비단 렉에이 단백질에 국한되지 않고, DNA상에 필라멘트를 형성하는 다른 단백질들의 연구에도 활용될 수 있다. 이 연구는 실시간으로 나노미터 수준의 미세한 변화를 개개의 분자 수준으로 관찰할 수 있다는 단분자 분광기술의 장점과 다른 연구방법론들과의 분명한 차별성을 보여주었으며, 생물학, 화학, 물리학과 같은 기초 학문분야에서부터 의, 약학까지 다양한 분야에서 활용될 수 있는 가능성을 잠재하고 있다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
렉에이(RecA) 단백질은 세포가 가지는 유전정보를 손상 없이 유지하는데 중요한 역할을 하는 단백질이다. 이러한 생물학 및 의학적 중요성에도 불구하고 렉에이 단백질이 어떻게 세포내에서 기능하는지 그 구체적인 메커니즘은 완전히 밝혀지지 않고 있었는데, 이는 그동안 렉에이 단백질의 작동원리가 가지는 복잡성 때문이었다. 연구팀은 분자를 하나하나 실시간으로 관찰할 수 있는 단분자분광학기술을 적용하면 복잡한 DNA 복구과정을 세밀히 구분하여 관찰 할 수 있을 것으로 기대하고 연구를 시작하였다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개
이 연구는 렉에이가 필라멘트를 형성했을 때 만드는 독특한 구조로부터 아이디어를 착안하여 시작되었다. 렉에이 필라멘트는 DNA의 염기를 세 개에 하나씩 그룹 짓는 구조를 가지고 있는데, 필라멘트 내부의 구조변화가 일어나면 세 개의 염기를 조합하는 방법이 달라진다는 점을 이용하여 이를 프렛현상으로 실시간 관찰을 시도하였다. 내부구조 변화는 DNA의 염기서열에 따라 크게 영향을 받는 것으로 나타났으며, 유전정보의 기본단위인 코돈(codon)에 맞춰 재구성하기 위함을 확인 할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
렉에이 필라멘트의 경우, 필라멘트 형성과 해체, 상동염색체 찾기 및 DNA가닥 맞교환 등의 다양한 현상들이 동시에, 혹은 정교한 순서에 따라 일어나게 되는데, 이러한 복잡성 때문에 연구가 어려웠다. 이 연구에서는 단분자분광학 기술을 적용하여 ATP가수분해 과정에 따른 렉에이 필라멘트 내부구조변화를 실시간으로 관찰하는데 성공하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존의 생화학적인 연구방법으로는 알아내기 힘든 다양하고 구체적인 사실들을 분자수준에서 직접적으로 관찰함으로써 비단 렉에이 자체의 이해를 완전히 한 것에 그치는 것이 아니라 나아가 새로운 연구방법론을 제시하였다는 점에서 의의가 크다고 하겠다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
렉에이에 의한 DNA 복구는 다양한 복구 메커니즘의 일부에 해당한다. 세포내에서 일어나는 다른 모든 손상복구과정에도 이 연구에서 사용된 방법론을 적용하여 그 구체적인 메커니즘들을 밝혀낼 수 있기를 기대한다.

...................(계속)

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