핵산절단효소의 유전자 손상복구 기전규명
핵산절단효소의 유전자 손상복구 기전규명
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.07.15 03:00
  • 조회수 1673
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유전자 돌연변이를 유발할 수 있는 DNA 염기손상을 복구하는데 관여하는 핵산절단효소의 새로운 기능이 분자수준에서 밝혀졌습니다. 자르기만 하는 것이 아니라 적극적으로 복구를 위한 구조를 만드는 것인데요. 자외선이나 산화스트레스 등에 의한 DNA 염기손상이 축적되면 유전자 돌연변이를 낳아 암세포를 유발할 수 있습니다. 이에 신속한 손상복구가 모든 생명체에서 필수적입니다. 

 

한국연구재단(이사장 노정혜)은 이광록 교수(광주과학기술원) 연구팀이 DNA 손상 복구과정에서 AP 핵산절단효소가 손상부위를 단순히 절단하는 것이 아니라 연속적으로 분해하여 DNA 틈새 구조를 생성, 복구과정을 조절하는 기전을 알아냈다고 밝혔습니다.

 

암세포에서 AP 핵산절단효소가 많이 생성된다는 기존 보고 등에 더해 이번 연구결과가 암 진단을 위한 바이오마커이자 약물개발의 표적으로서 AP 핵산절단효소를 바라보는 실마리가 될 것으로 기대됩니다. 연구팀은 핵산절단효소와 DNA 중합효소의 상호작용을 단일분자 형광관찰* 기술을 이용하여 실시간으로 관찰했는데요. 기존에는 전기영동(Electrophoresis)을 이용한 생산물 변화를 정량화하여 결과를 유추하였으나 이번 연구는 염기손상복구 과정동안 일어나는 효소간의 상호작용과 DNA와 효소간의 상호작용을 실시간으로 단일분자수준에서 관찰, 그 복구기전을 규명했습니다. 

*단일분자 형광관찰 : FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer)이라는 물리현상을 이용한 방법으로 실제 분자 하나-하나의 움직임을 나노미터 수준에서 관찰할 수 있는 형광기법

AP 핵산절단효소(AP endonuclease/ExoIII)와 DNA 중합효소(DNA polymerase)가 손상된 유전자의 염기를 복구하는 과정을 나타내는 모식도. (a) 염기가 없는 손상된 DNA (AP 부위)를 AP 핵산절단효소가 인식한다. (b) AP 핵산절단효소는 앵커 기반 작동기전 (anchor-based mechanism)으로 AP 자리에 강하게 고정되어 연속적으로 최소한의 DNA를 분해하여 DNA 틈새 구조를 만든다. (c) DNA 틈새 (gap)구조 형성 후 DNA 하단(downstream)에서 분산적으로 DNA를 분해하는 AP 핵산절단효소와 DNA 중합효소 (pol I)가 경쟁을 하다가 (d) DNA 중합효소가 결합하면 중합반응을 시작한다. (f) DNA 중합효소가 DNA 공백을 채우면 DNA 접합효소 (DNA ligase)가 수선을 마무리한다. 그림 및 그림설명 제공 : 광주과학기술원 이광록 교수
AP 핵산절단효소(AP endonuclease/ExoIII)와 DNA 중합효소(DNA polymerase)가 손상된 유전자의 염기를 복구하는 과정을 나타내는 모식도. (a) 염기가 없는 손상된 DNA (AP 부위)를 AP 핵산절단효소가 인식한다. (b) AP 핵산절단효소는 앵커 기반 작동기전 (anchor-based mechanism)으로 AP 자리에 강하게 고정되어 연속적으로 최소한의 DNA를 분해하여 DNA 틈새 구조를 만든다. (c) DNA 틈새 (gap)구조 형성 후 DNA 하단(downstream)에서 분산적으로 DNA를 분해하는 AP 핵산절단효소와 DNA 중합효소 (pol I)가 경쟁을 하다가 (d) DNA 중합효소가 결합하면 중합반응을 시작한다. (f) DNA 중합효소가 DNA 공백을 채우면 DNA 접합효소 (DNA ligase)가 수선을 마무리한다. 그림 및 그림설명 제공 : 광주과학기술원 이광록 교수

복구는 핵산절단효소가 특정 부위(AP 부위)를 절단함으로써 시작되고 그 후 AP 부위에 강하게 결합하여 손상부위로부터 DNA를 빠르게 제거(~ 1초 이내)하며, 단일가닥 DNA의 강성(rigidity)에 의해 최소한의 DNA 틈새 크기로 조절됨을 관찰했습니다. 무작위로 DNA를 분해하는 일반 핵산절단효소와 달리 AP 핵산절단효소는 AP 부위에 강하게 고정되어 해리되지 않고, 연속적으로 DNA를 분해하여 빠르게 DNA 틈새를 만든다는 것입니다. 나아가 일시적으로 생성된 DNA 틈새 구조는 DNA 중합효소가 작동할 공간을 제공하였고 이 과정이 정교하게 시공간적으로 조절됨을 규명했습니다.

 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 및 기초연구실 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 7월 14일 온라인 판에 게재되었습니다.

논문명 : The Mechanism of Gap Creation by a Multifunctional Nuclease During Base Excision Repair

 

#주요내용 설명

1. 연구의 필요성

DNA 복구과정은 생명유지의 필수적인 요소임. DNA 염기손상* 복구 과정에서 손상된 염기가 모두 AP 부위로 전환되기 때문에 AP 부위 수선은 핵심과정임. AP 부위를 복구하는 AP 핵산분해효소의 기작을 연구하는 것은 매우 중요함.

*유전자 염기손상복구 (Base Excision Repair): DNA 손상복구 기전 중 하나로 세포주기 전반에 걸쳐 손상된 DNA 염기를 여러 효소들이 인지하여 복구하는 기전

DNA 손상의 지속적인 축적은 당뇨, 골다공증, 암과 같은 대부분의 질병과 밀접한 관계가 있음. 또한 암세포에서 AP 핵산분해효소의 발현 양이 정상세포보다 크게 증가됨.

 

2. 연구내용 

단일분자 형광 이미징 기술을 이용하여 AP 핵산절단효소 (AP endonuclease / ExoIII)와 DNA 중합효소 (DNA polymerase)의 상호작용을 실시간으로 관찰함.

*AP 핵산절단효소 (AP endonuclease/ExoIII): DNA 염기손상으로 생긴 AP 부위 (AP site)를 인지하여 절단하고 난 후 연속적으로 DNA을 분해하는 다기능 핵산절단/분해효소

*DNA 틈새 구조 (DNA gap structure): 효율적인 유전자 복구를 위해 이중 가닥의 DNA를 단일 가닥 DNA로 만드는 과정

AP 핵산절단효소가 AP 부위 (AP site)에 강하게 고정되어 해리되지 않고, 연속적으로 빠르게 DNA를 분해하여 DNA 틈새를 만드는 앵커-기반 작동기전(anchor-based mechanism)을 발견함.

*AP 부위 (AP site, apurinic/apyrimidinic site): 당, 인산, 염기로 구성된 DNA가 세포 대사과정에 발생하는 여러 화학 물질 혹은 자외선에 의해 다양한 형태로 손상된 염기가 DNA glycosylase에 의해 염기가 제거된 DNA 부위 

AP 핵산절단효소가 앵커-기반 작동기전을 이용하여 염기손상부위를 빠르게 제거 후 최소한의 DNA 틈새를 만들어 DNA 중합효소가 작동할 수 있도록 유도하였고 이 과정이 정교하게 시공간적으로 조절됨을 규명함.

 

3. 기대효과

다른 DNA 손상복구 관련된 효소들의 작동기전 연구의 새로운 통찰력 제공.

새로운 AP 핵산절단효소 작동기전을 바탕으로 새로운 신약개발 표적을 제공.


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