바이오인

□ 한국연구재단은 김경규 교수(성균관대 의학과) 연구팀(허정환 박사)이 배상수 교수(한양대 화학과), 박진주 교수(GIST 화학과) 연구팀과 함께  세포 내 AC-motif라는 새로운 DNA 구조가 존재하며 이 구조가 유전자 발현을 조절한다는 사실을 규명했다고 밝혔다.

□ 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 1953년 세포의 유전정보를 저장하는 DNA가 이중나선 형태의 B형 DNA라는 것을 밝힌 공로로 1962년 노벨 생리의학상을 수상하였다.

 ○ 60억 염기로 된 사람 유전체를 구성하는 DNA는 주변 환경, 세포 작용 및 염기서열 등에 따라 이중나선 외 다양한 구조를 가질 것으로 예측되고 있다. 하지만 단지 몇 개의 구조만 알려져 있고, 또 그 기능에 대해서도 많이 연구되지 않았다. 

□ 연구팀은 아데닌과 사이토신이 반복되는 염기서열이 마그네슘 존재 하에 4중 나선구조를 갖는다는 것을 발견하였고, 이를 AC-motif라 명명하였다. 

 ○ 연구팀은 아데닌과 사이토신이 반복되는 여러 종류의 올리고뉴클레오타이드를 합성하고 이들의 삼차구조 형성 및 금속이온의 영향을 연구하였다.

□ 연구팀은 원편광이색 분광분석법(CD spectros), 자기공명분광분석법(Nuclear Magnetic Resonance spectros), 형광분광분석법(Fluorescence spectros) 및 분자동력학 계산법을 이용해 AC-motif가 두 쌍의 이중나선이 엇갈린 4중 나선구조를 갖는다는 것을 확인하였다. 

□ 나아가 이 4중 나선구조에 의해 유전자 발현이 조절될 수 있음을 규명하였다.

 ○ AC-motif가 CDKL3라는 발암유전자의 발현을 조절할 수 있음을 세포실험과 유전체 교정기술을 이용해 알아냈다. 

□ 세포의 모양, 특징 및 기능은 각 세포에서 어떤 유전자들이 발현되고 있냐에 따라 결정된다. 따라서 유전자 발현은 세포내 외 신호 및 다양한 인자에 의해 정밀하게 조절되고 있다. 

 ○ 하지만 아직 유전자 발현이 조절되는 원리가 완전히 알려져 있지 않고, 특히 핵산의 구조 및 염기 서열이 유전자 발현에 미치는 영향은 베일에 싸여 있다. 

□ AC-motif 같은 DNA 구조가 유전자 발현을 조절함을 규명, 유전자발현조절의 새로운 원리를 제시한 데 더해 질환 관련 유전자 발현을 제어하는 신약발굴 연구의 실마리가 될 것으로 기대된다.  

 ○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업과 삼성미래기술육성재단 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 핵산분야 국제학술지 뉴클릭 액시드 리서치 (Nucleic Acids Research)에 9월 1월(온라인) 게재되었다.

1. 연구의 필요성

 

 ○ 제임스 왓슨(James Watson)과 프랜시스 크릭(Francis Crick)이 1953년 세포의 유전정보를 저장하는 DNA가 이중 오른나선 형태의 B형 DNA (B-DNA)라는 것을 국제학술지 Nature에 보고한 이후로, 유전체를 구성하는 DNA는 B형 DNA라고 알려져 있었다. 

 ○ 이후 연구를 통해 특정 염기서열이나 특정 세포 조건에서 B형 DNA가 아닌 다른 DNA구조 (이형핵산 구조)도 만들 수 있음이 보고되었다. 이 중 가장 잘 알려진 것은 G-quadruplex 와 Z-DNA 이다. 

 ○ 반복되는 구아닌(염기) 서열에 의해 형성되는 G-quadruplex는 여러 발암유전자의 단백질로의 발현을 조절하는 부위인 프로모터에 존재한다고 알려져 있고, 관련 질병의 유력한 기작으로 제시되고 있어 이를 표적으로 하는 치료제 개발이 활발히 이루어지고 있다. 

 ○ 또한 구아닌과 사이토신이 반복되는 염기서열로 형성되는 Z-DNA 혹은 Z-RNA가 유전자 발현이나 유전질환에 미치는 영향에 대한 연구가 진행 중이다. 

 ○ 유전체는 무려 60억 개의 염기로 구성되어 있기 때문에 또 다른 이형핵산구조가 있을 것이라 예상되지만 지난 수 십 년간 이들의 발굴 및 구조와 기능에 대한 연구는 전혀 이루어지고 있지 않았다.  

 ○ 이러한 이형핵산은 유전자 발현 조절과 DNA복제 그리고 단백질 번역 등을 조절하는 것으로 알려져 있기 때문에 신규 이형핵산을 발굴하고 이들의 기능을 연구하는 것이 세포내 생명현상을 보다 깊게 이해하고, 나아가 이와 관련된 질병의 치료제 개발에 반드시 필요하다.  

 ○ 본 연구팀은 구조생물학 기반의 연구를 통해 유전체 내에 존재하는 반복되는 염기서열로 인해 형성되는 핵산 구조와 그 기능에 대한 연구를 계속해 왔다. 2005년 BZ junction 구조 연구(Nature, 2005)를 시작으로 다양한 이형핵산구조 및 기능에 대한 연구를 수행해 오면서 미국학술원회보지, 미국화학회지, Nucleic Acid Research등과 같은 권위 있는 국제학술지에 그 결과를 보고하고 있다. 

 ○ 최근에는 안진현 교수(성균관대학교 미생물학과) 연구팀과 함께  인간 거대세포 바이러스 (human cytomegalovirus)의 유전체에 존재하는 G-quadruplex를 연구하여 바이러스 유전자 발현이 G-quadruplex에 의해 조절된다는 결과를 학술지 PLoS Pathogen (2018)에 보고한 바 있다.    

 

2. 연구내용 

 ○ 본 연구에서는 아데닌과 사이토신이 반복되는 특정한 염기서열이 마그네슘 존재 하에 양성화된 아데닌과 사이토신의 염기쌍을 통해 I-motif와 유사한 사중나선 DNA 구조를 형성을 하고 있음을 원편광이색 분광분석법(CD spectros), 자기공명 분광분석법(Nuclear Magnetic Resonance spectros), 형광 분광분석법(Fluorescence spectros) 및 분자동력학 계산법 실험을 통해 확인할 수 있었고, 이를 AC-motif라 명명하였다. (그림 1-1) 

 ○ AC-motif를 형성할 수 있는 특정 motif가 인간의 유전체 내에 다수 분포되어 있음을 생물정보학 접근법을 통해 찾아 낼 수 있었고, AC-motif가 전사조절에 미치는 영향을 탐구하기 위해 유전자 프로모터에 존재하는 AC-motif(들)을 추출하였다. 

 ○ 탐색한 AC-motif들 중, 본 연구에서는 CDKL3라는 발암유전자 프로모터에 존재하는 AC-motif 구조에 대한 연구를 수행하였다. 즉 마그네슘 존재 하에 AC-motif 형성에 의해 mRNA 및 단백질 발현이 증가한다는 것을 확인하였고, 유전자 편집 기술을 통해 이러한 AC-motif가 안 만들어지게 만든 변이세포주에서는 CDKL3의 mRNA 및 단백질 발현이 늘어나지 않는다는 사실을 확인하였다. (그림 1-2) 

 

3. 기대효과

 ○ 본 연구에서 아데닌과 사이토신이 반복되는 염기서열에서 마그네슘 존재 하에 AC-motif라는 새로운 DNA구조가 형성된다는 것을 다양한 생물물리학적인 방법 및 계산화학적인 방법을 통해 알아 낼 수 있었으며, AC-motif의 형성이 세포 내 유전자 발현을 조절하는 또 하나의 조절 기전임을 규명하였다. 

 ○ 본 연구는 유전자의 발현을 조절하는 새로운 원리를 제시함으로써 유전자 발현에 대한 보다 정밀한 이해를 가능하게 했을 뿐 아니라, 나아가DNA의 구조를 이용해 질환과 관련된 유전자의 발현을 조절하는 원리를 갖는 새로운 개념의 치료제를 찾는 연구의 실마리가 될 것으로 기대된다. 

 

연구 이야기 

<작성 : 성균관대학교 교수 김경규>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 

사람의 유전체는 60억 염기의 DNA로 구성되어 있는데, 반복되는 염기서열에 의해 형성되는 기존의 핵산 구조 이외에 세포가 처한 환경, 세포 작용 및 염기서열 등에 따라 특이한 구조를 가지는 핵산 구조가 추가적으로 존재할 것이라는 가정 하에 본 연구를 시작하게 되었습니다. 반복되는 여러 염기서열들 중 상대적으로 연구가 부족한 아데닌과 사이토신이 반복적으로 존재하는 서열에 대한 연구를 개시하였고, 다양한 pH 및 이온이 포함된 환경에서 이형핵산구조 형성에 대한 단서를 찾기 시작했습니다. 연구를 전개해 나아가는 과정에서, 반복되는 아데닌 사이토신 염기서열에서 두 쌍의 2중 나선 구조가 엇갈려 있는 형태의 4중 나선 DNA　구조가 형성됨을 발견하였고, 이의 기능을 규명하기 위한 실험을 계속해서 수행하게 되었습니다.         

  

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

본 연구는 성균관대학교 의과대학 박사과정 학생이었던 허정환 박사의 박사학위 연구의 일환으로 수행되었습니다. 허정환 박사는 성균관대학교 의학과 석박통합 과정 학생으로서 지난 2012년 대학원에 입학한 후, 8년간의 연구를 통해 의미 있는 연구결과를 얻었고, 2019년 2월에 박사학위를 수여 받았습니다. 허정환  박사는 박사과정의 주 연구주제로써 본 연구를 처음부터 끝까지 주도적으로 진행하였습니다. 광주과학기술원 박진주 교수님은 NMR 기반의 핵산 구조생물 연구분야의 전문가로서 이성진 박사와 함께 AC-motif의 NMR 실험 설계 및 구조 분석을 담당하셨고, 한양대학교 배상수 교수님은 CRISPR 기반 유전자 교정 전문가로서 유지현 박사 및 강찬영 학생과 함께 CRISPR 기술을 이용하여 CDKL3 프로모터 내에 존재하는 AC-motif를 구성하는 염기서열의 편집을 담당하셨습니다. 이와 같이 다양한 분야의 기술을 융합하여 보다 폭넓은 연구를 수행할 수 있었으며, 본 연구에서 얻은 결과들을 바탕으로 새로운 핵산 구조 및 세포 내 기능에 대한 구체적인 증거를 제시할 수 있었습니다.  

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

이번 연구는 생물물리학, 계산화학, 구조생물학, 유전체분석 및 교정 등 다학제적인 연구가 유기적으로 결합된 융합 연구의 성과라고 할 수 있습니다. 배경이 다른 연구분야를 융합하여 연구를 진행하면서 보고되지 않았던 새로운 핵산 구조와 그 기능에 대해 많은 전문가들로부터 수많은 질문을 받았지만, 여러 분야에 전문성을 지닌 연구자들과 함께 본 연구를 함께 수행함으로써 질문들에 대한 해답을 제시할 수 있었습니다.  

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

60억 개의 염기로 구성된 유전체는 일반적으로 B-DNA의 구조를 이루고 있지만, 세포가 외부 환경에 반응하여 다양한 기능을 수행함에 따라서 크로모좀에 단단하게 포장되어 있거나 이중나선이 풀리는 등 동력학적으로 매우 활발한 변화를 하고 있습니다. 그리고 이러한 과정에서  염기 배열에 따른 여러 가지 다양한 구조를 이를 것이라 예측됩니다. 하지만 아직 이러한 염기서열과 외부환경 변화에 따른 핵산구조변화가 세포의 기능에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 많이 이루어지지 않았고, 따라서 많은 부분이 베일에 싸여 있습니다. 저희는 본 연구를 통해 새로운 이형핵산의 구조를 발굴하고 그 기능을 밝힘으로써, 이형핵산 연구를 개척할 뿐 아니라 관련 된 후속 연구를 통해 이 분야 연구를 선구할 수 있을 것으로 기대합니다.

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

 

본 연구는 유전체 내에 아데닌과 사이토신이 반복되는 염기서열에서 형성될 수 있는 새로운 핵산구조인 AC-motif의 구조와 유전자 발현 조절 기능에 대한 근거를 제시한 논문입니다. 이러한 근거를 토대로 AC-motif와 특정 질병과의 연관성에 대한 추가 연구가 필요하며, AC-motif에 특이적으로 작용하는 화합물 및 고분자물질에 대한 연구도 병행되어야 한다고 생각합니다. 또한, AC-motif는 pH 및 마그네슘 변화에 민감한 핵산 구조로서 임상적인 접근이 어려운 질병을 진단할 수 있는 진단키트로의 개발이 가능하다고 생각합니다.  

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

유전자 치료에 대한 이해도를 높이려면, 유전자 발현 조절에 대한 이해가 더 많이 필요합니다. 본 연구를 통해 밝혀낸 AC-motif 이외에도 세포 내 다양한 환경에 의해 형성 또는 와해되는 핵산 구조가 더 많이 존재할 것으로 생각하고 있으며, 이를 통해 유전자 발현 조절에 대한 폭넓은 이해를 할 수 있을 것으로 기대합니다. Watson-Crick 염기쌍으로만 이루어진 핵산 구조를 넘어, 특이적인 염기쌍을 통해 형성될 수 있는 더 많은 이형핵산구조가 발견될 가능성이 있다고 생각합니다. 저의 연구실은 다양한 이형핵산구조의 구조와 기능에 대한 연구를 수행함으로써 유전자 발현 조절에 대한 이해도를 높이고자 합니다.