기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 유전체 항상성 연구단의 강석현 연구위원팀은 울산과학기술원(UNIST) 김하진 교수팀이 공동으로 염색체 복제 및 손상 복구 과정의 종료에 관여하는 단백질의 핵심 작동원리를 밝혀냈다고 합니다. <Nature Communications>에 게재된 논문에 따르면 염색체 복제가 끝나면 DNA와 결합했던 PCNA(증식성세포핵항원)가 ATAD5-RLC 단백질에 의해 분리되는 메커니즘을 분자 수준에서 규명했다고 합니다.
염색체 복제와 PCNA
염색체 복제는 유전정보를 정확하게 복사하기 위한 정교한 과정으로 복제과정에서 많은 단백질 복합체들이 DNA 상에 결합합니다. PCNA(증식성세포핵항원)는 염색체 복제에 필수적인 단백질로써 복제 과정에서 관련 효소와 단백질들을 DNA 상으로 모이게 하는데 중요한 역할을 합니다. 따라서, PCNA의 염색체 결합과 분리는 염색체 복제 및 손상복구 과정의 조절에 매우 중요합니다.
RFC(Replication Factor C, 복제인자C)가 PCNA와 먼저 결합합니다. 그 다음 PCNA가 DNA와 결합하면서 염색체 복제가 시작되죠. 복제가 끝나면 PCNA는 DNA와 분리되죠.
PCNA는 닫힌 고리구조를 가집니다. PCNA는 DNA 결합 및 분리 시에 고리가 열리는 과정이 필요합니다. 염색체 복제 시작 과정에서 PCNA의 고리구조를 열어 DNA 상에 결합시키는 과정에 대한 연구는 많이 있는데요. 하지만 염색체 복제가 끝난 후 PCNA를 DNA로부터 분리시키는 과정에 대한 연구는 부족하다고 합니다.
복제 종료 시점에서 염색체로부터 PCNA의 분리는 유전체 항상성 유지에 중요한데요. ATAD5-RLC 단백질 복합체가 PCNA의 분리에 관련이 있을 것이라는 추측은 있었지만 정확한 생화학적 기작에 대해서는 밝혀진 바가 없었습니다.
어떻게 연구했는가
기초과학연구원 유전체 항상성 연구단의 명경재 박사 연구팀은 이전 연구에서 PCNA가 DNA에서 정상적으로 제거되지 않을 경우 오히려 염색체가 돌연변이를 일으키고 암이 유발될 수 있음을 확인했습니다. 하지만 PCNA가 임무를 끝낸 뒤 DNA에서 떨어져 나가는 원리는 제대로 밝혀지지 않았죠.
연구진은 ATAD5-RLC 단백질이 DNA와 PCNA의 분리에 관여할 것으로 예측하고, 이를 규명하기 위해 연구를 시작했습니다. 연구진은 규명하는 과정에서 단분자 형광 이미징 실험법을 고안해냈는데요. 단분자 형광 이미징 실험법은 각각의 단분자들을 형광물질로 표지하여 각 분자의 각 분자의 상호작용을 현미경 아래서 실시간으로 분석하는 방법을 말합니다.
연구진은 ATAD5-RLC 단백질 복합체의 생화학적 활성을 연구하기 위해 정제된 단백질을 이용하여 DNA로부터 분리되는 PCNA를 추적할 수 있는 시스템을 구축했습니다. 그 결과 연구진은 ATAD5-RLC가 DNA에서 역할을 끝낸 PCNA의 고리 구조를 열어 PCNA를 DNA로부터 분리시키고 염색체 복제를 종료시킨다는 것을 발견했습니다. 또한 ATAD5-RLC이 정상적인 염색체 종료 뿐만 아니라 염색체 손상에 의해 변형된 PCNA도 DNA로부터 분리시켜 염색체 손상 복구 종료에도 관여한다는 것을 밝혀냈습니다.
앞으로의 전망
기초과학연구원 유전체 항상성 연구단의 단장 명경재 박사는 "증식성세포핵항원과 DNA의 결합 및 분리는 생명체의 필수 대사과정인 염색체 복제를 이해하기 위해 중요한 정보로, 이번 연구로 인해 생명의 근원을 이해하는 데 한 걸음 다가가게 됐다"며 "염색체 복제가 정확하게 종료되지 않으면 암과 같은 질환이 발생할 수 있는 만큼, 이번 연구가 유전 정보의 이상으로 발생하는 질환의 근본적인 원인을 규명하고 궁극적인 치료법을 개발하는 데 기여할 것으로 기대한다"고 말했습니다.
##참고자료##
- Regulation of PCNA cycling on replicating DNA by RFC and RFC-like complexes(2019).
