1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

 진핵 생물은 선형 염색체를 가지고 있으며, 그 끝부분은 TTAGGG 반복서열로 구성된 텔로미어 (Telomere)라고 합니다. 텔로미어는 특이한 T-loop 구조를 형성하여 염색체의 끝 부분을 DNA 이중나선 절단 (DNA Double-strand break)으로 인식되지 않도록 보호하고, 다른 염색체와의 결합을 방지하는 등의 중요한 기능을 합니다. DNA 복제는 5’에서 3’의 한쪽 방향으로만 진행되며, 선도 가닥 (Leading strand)과 달리 지연 가닥 (Lagging strand)은 짧고 불연속적 조각인 오카자키 절편 (Okazaki fragment)으로 합성됩니다. 지연가닥의 끝 부분에서는 RNA 프라이머가 DNA로 합성되지 못하는 DNA 복제 기구의 한계로 인해 매 세포분열마다 텔로미어의 50~200개의 염기서열이 손실되는데, 이를 3’ 말단 복제 문제 (End-replication problem)라고 합니다.

 정상 세포에서는 세포분열을 거듭할수록 텔로미어 길이가 짧아져 세포 분열의 횟수를 제한하고, DNA 돌연변이가 축적되기 전에 세포가 사멸합니다. 반면, 암세포는 무한히 분열하기 위해 짧아진 텔로미어 길이를 극복하여 그 길이를 유지하는 기작이 있습니다. 대부분 (약 85%)의 암은 텔로머레이즈 (Telomerase)라는 역전사효소를 이용해 텔로미어 길이를 유지하지만, 골육종 (Osteosarcoma)과 같은 약 15%의 암은 텔로머레이즈 없이 대안적 텔로미어 유지 (Alternative lengthening of Telomeres, ALT) 기작을 사용합니다. ALT 기작은 절단-유도 복제 (Break-induced Replication, BIR)라는 텔로미어 재조합 과정을 통해 이루어지는데, 텔로미어 복제 스트레스가 BIR을 유도 하는 것으로 알려져 있습니다. 하지만 BIR이 정확히 어떠한 메커니즘을 통해 유도되어 ALT 암세포에서의 텔로미어 길이를 유지할 수 있는지는 아직 구체적으로 이해되지 않고 있습니다.

   대안적 텔로미어 유지 (Alternative lengthening of telomeres, ALT) 기작의 핵심 역할을 하는 절단-유도 복제 (Break-induced replication, BIR).

 이번 Nucleic Acids Research에 발표된 논문은 “ALT 암세포에서 BIR이 어떻게 유도되는가?”에 대한 과학적 질문을 바탕으로 그 분자적 메커니즘을 규명했습니다. DNA 복제 스트레스를 유도하는 몇 가지 약물들이 BIR을 유도한다고 알려져 있었기에, 저희는 진핵 생물의 복제 클램프이자 DNA 복제의 핵심 단백질인 PCNA (Proliferating cell nuclear antigen)와 그 유비퀴틴화/탈유비퀴틴화가 BIR 과정에 미치는 영향을 연구했습니다. 한편, PCNA는 복제 과정 중 DNA 손상 부위를 우회하기 위해 RAD18 Ubiquitin Ligase에 의해 단일 (Mono) 유비퀴틴화되고, 상황에 따라 UBE2N-hRAD5에 의해 다중 (Poly) 유비퀴틴화 되기도 합니다. 유비퀴틴화된 PCNA는 ATAD5-UAF1-USP1 탈유비퀴틴화 효소 복합체에 의해 탈유비퀴틴화 됩니다.

 본 연구에서, 저희는 PolyUb-PCNA가 ALT 암세포 특이적으로 텔로미어에서 절단-유도 복제 (Break-induced Replication, BIR) 과정의 시작에 중요한 역할을 한다는 것을 분자 및 세포 생물학적 방법으로 규명했습니다. 기전적으로, ALT+ 암세포에서 다중 유비퀴틴화된 PCNA (PolyUb-PCNA)는 G2기 동안 SLX4 및 관련 제한효소들 (SLX1, MUS81, XPF)을 텔로미어에 불러들여 텔로미어 DNA를 절단시키고, 이는 ALT관련 PML 소체 (ALT-associated PML bodies, APBs) 형성과 이후의 BIR 과정을 유도한다는 것을 밝혔습니다.

 텔로머레이즈를 이용하는 암세포와 ALT 기작을 이용하는 암세포를 비교 실험하여 관찰한 주요 발견 사항은 다음과 같습니다. 1) RAD18을 결핍시키거나 UBE2N을 억제하여 PCNA 유비퀴틴화를 감소시켰을 때, ALT 세포에서 텔로미어 합성이 일어나는 장소인 ALT-관련 PML 소체 (ALT-associated PML body, APB)의 개수가 감소했습니다. 2) G2 세포주기에서 USP1을 저해하거나 ATAD5 단백질을 분해하여 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화를 억제했을 때, Ub-PCNA가 축적된 텔로미어에서 DNA 손상이 증가하고 APB 개수가 증가했습니다. 3) Ub-PCNA 축적에 의해 유도된 APB 개수 증가가 RAD18, UBE2N, SLX4, 및 SLX4 관련 제한효소 (SLX1, MUS81, XPF)에 의존적임을 확인했습니다. 4) Ub-PCNA가 텔로미어에 축적되었을 때, ALT+ 암세포에서만 텔로미어와 염색체 취약부위 (Common fragile sites, CFS)에서의 분열기 DNA 합성 (Mitotic DNA synthesis, MiDAS)이 증가함을 확인했습니다. 5) SLX4 제한효소가 텔로미어에 위치하기 위해서는 RAD18, UBE2N, 및 SLX4 유비퀴틴 결합 도메인이 중요함을 확인했습니다. 6) Ub-PCNA 탈유비퀴틴화에 중요한 ATAD5 결핍이 ALT+ 암세포 특이적으로 텔로미어 길이를 증가시키고, 텔로미어 자매 염색분체 교환 (Telomere sister-chromatid exchange, T-SCE) 및 C-circle과 같은 ALT 표현형들을 증가시킴을 관찰했습니다. 7) 텔로미어 특이적 DNA 절단 시스템 (TRF1-FokI)을 이용하여 유도한 텔로미어 절단부에서의 DNA 합성 또한 RAD18 결핍 시 감소하고, ATAD5 또는 USP1 저해 시 증가함을 확인했습니다.

 ALT 암을 표적으로 하는 항암제는 아직 개발되지 않았기에, 이를 타겟으로 하는 연구 분야는 여전히 활발합니다. 앞으로도 연구 역량을 키워 ALT 항암 및 치료 분야에 대해 더 깊게 연구해보고 싶습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

 이번 연구를 진행했던 기초과학연구원 (IBS) 유전체 항상성 연구단 (CGI)은 DNA Repair 분야에서 저명하신 명경재 단장님과 Orlando D. Scharer 부단장님, Anton Gartner 교수님의 지도 아래, 실력 있는 박사님들과 연구원들이 모여 우수한 연구들을 활발히 진행하고 있는 열정적인 연구단입니다. 울산과학기술원 (UNIST) 내에 위치해 있는 저희 연구단은 DNA 복제와 손상 복구, 재조합, 손상에 대한 반응에 대한 기전을 분자생물학, 세포생물학, 생화학, 동물 모델을 이용하여 연구하고 있습니다. 센터 내에서는 “유전체 항상성 유지를 통한 암 발생 억제”라는 공통된 관심사를 가지고, CRISPR를 통한 암세포 특이적 표적 치료법 개발, 합성 치사 기전 연구 등, 다양한 분야의 연구도 이루어지고 있습니다. 무엇보다도 수평적인 연구 문화 덕분에 자유롭고 활발하게 토의할 수 있는 즐거운 분위기가 조성되어 있습니다. 실험실 생활을 하면서는 각 구성원들이 책임감을 가지고 자신의 프로젝트를 수행하는 모습을 보면서, 열정적인 연구단의 일원임에 큰 자부심과 즐거움을 느꼈습니다 (ibscgikorea.wixsite.com/my-site). 이 기회를 빌려 훌륭한 연구 환경과 소중한 추억을 만들어 주신 모든 CGI 연구원 분들께 감사의 말씀을 전하고 싶습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

 우선, 학위 과정동안 공들여 연구했던 R-loop (PMID: 32542338)과 Telomere (PMID: 39291733) 프로젝트들이 모두 한빛사 논문으로 소개될 수 있어 개인적으로 큰 영광으로 생각합니다. 약 4년전 인터뷰에서 말씀드렸던 ‘계획과 실천, 성실성, 끊임없는 고민과 동료 연구자들과의 활발한 토의’ 등이 여전히 중요하다고 생각하고 노력을 기울이고 있습니다. 초심을 잃지 않고 연구자로서 잘 성장해 나가려 노력하고 있다는 점에 뿌듯함을 느낍니다.

 이번 Telomere 연구를 시작하면서는 실험실에 처음 세팅해야 하는 실험이 많았습니다. 조건을 잡는 데에만 1년이 넘게 걸리는 실험도 있었고, 분석의 까다로움 때문에 밤 늦게까지 분석하는 등의 힘든 시간도 많았습니다. 하지만, 학술대회에 참석했을 때, 논문에서 이름만 보던 대가 분들께서 연구에 많은 관심을 가져 주시고, Post-doc 제안을 주실만큼의 과분한 칭찬을 해 주셔서 큰 보람을 느꼈던 것이 가장 기억에 남습니다. 염색체 복제 및 복구 이상으로 초래되는 관련 질병 치료에 대한 기초를 마련하는 연구를 하고 있다는 점에서 큰 기쁨과 보람을 느낍니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

 분자 생물학의 핵심 분야인 DNA 복제, 수리, 재조합, 그리고 손상반응은 유전체 항상성 유지를 통한 암 발생 억제와 밀접한 관련이 있습니다. 상동재조합 결핍 (Homologous recombination deficiency, HRD) 암세포에서 PARP 저해제의 합성치사와 내성 극복 연구를 넘어, 현재는 신경 퇴행성 질환이나 면역 반응 활성화 분야까지 확장되어 여전히 국내외에서 활발하게 연구되고 있는 매력적인 분야입니다.

 저 또한 많은 시행착오를 겪고 있어 말씀드리기 조심스럽지만, 생명과학 연구는 특히 긴 호흡이 필요한 것 같습니다. 과학적 질문을 통한 가설 설정부터 실험 조건 수립, 실험 디자인, 데이터 획득 및 분석, 글쓰기, 참고 문헌을 바탕으로 한 연구 방향 수립이 여전히 저에게는 쉽지 않습니다. 연구의 시행착오를 줄이기 위해, 최근에는 제가 답하고자 하는 근본적 과학적 질문이 무엇인지 끊임없이 고민하려 하고 있습니다. 또한, 연구는 함께하는 것이기에 동료 과학자들에게 주저 없이 조언과 도움을 구하고자 노력하고 있습니다. 당장은 자신의 연구주제와 관련 없어 보이는 세미나나 미팅에서도 집중하고 활발한 질문을 한다면, 생각하지 못했던 연구 방향을 발견할 수도 있습니다. 마지막으로, 저는 Academic Twitter (x.com/SanginKim95)를 활용하고 있는데, 최신 연구 트렌드를 파악하며 새로운 연구들을 유연하게 받아들이는 데에 큰 도움을 얻고 있습니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

 현재 저는 유전체 항상성 분야를 더 깊이 연구하고 독립적으로 연구를 진행할 수 있는 역량을 기르기 위해 미국 펜실베니아 의과대학 (University of Pennsylvania, Perelman School of medicine)의 Roger A. Greenberg 교수님 연구실에서 박사후 연구원으로 연구하고 있습니다 (https://www.med.upenn.edu/greenberglab/). 최근 저희 그룹에서 발표한 SPATA5-SPATA5L1-C1orf109-CINP (55LCC) complex (PMID: 38554706)의 Protein quality control의 역할에 대한 후속연구를 진행중이며, DNA 손상과 면역 활성화의 상호 연관성에 관한 연구도 함께 진행하고 있습니다. 박사 후 연구원 과정 동안 유전체 안정성과 면역 분야의 접목을 통해 신경 퇴행성 질환과 특정 암의 치료제 개발을 위한 기초과학적 근거를 제시하고 싶습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

 돌이켜 보면, 매 순간 많은 분들로부터 받은 진심 어린 가르침과 도움 덕분에 지금의 성과가 있었다는 것을 시간이 지날수록 더 깊이 느끼고 있습니다. 특히, 항상 연구에 전념할 수 있도록 열정적으로 든든한 가르침 주시는 한림대학교 의과대학 이규영 교수님과 명경재 단장님께 깊은 감사의 말씀을 드립니다. 앞으로도 두 분께 배운 과학적 사고와 연구에 대한 소중한 가르침을 되새기며 좋은 연구자로 성장하도록 노력하겠습니다. 오랜 기간 옆에서 실험적으로 잘 가르쳐 주시고, 리비전 과정에서 많은 노력을 해 주신 박수형 박사님, 연구와 응원으로 늘 함께해 주신 강나래, 라재선 선생님께도 깊이 감사드립니다. 기초과학연구원 유전체항상성연구단 (IBS-CGI) 구성원들과, 20대 청춘을 함께 보낸 소중한 동료들께도 깊은 감사의 말씀을 드립니다. IBS-CGI에서 만나 귀중한 인연을 맺은 모든 분들 덕분에 활기찬 연구 생활을 할 수 있었고, 아낌없이 주신 도움과 응원 잊지 않고 좋은 기억으로 간직하겠습니다. 학부, 대학원 생활동안 충실히 제대로 가르쳐 주신 UNIST 생명과학과 교수님들께도 진심 어린 감사의 말씀을 드리며, 연고도 없는 필라델피아에서 저를 귀여워 해주시고 적응에 많은 도움 주시는 UPenn에 계신 여러 박사님들께도 깊은 감사의 말씀드립니다.

 끝으로, 10년째 함께 해 준 소중하고 사랑하는 여자친구 나영이와 따뜻하게 응원주시는 가족분들, 항상 든든하게 지켜봐 주고 누구보다 많은 관심과 사랑을 주시는 든든한 울타리인 아버지, 어머니, 누나에게도 깊은 사랑과 감사를 전합니다. 앞으로도 좋은 연구할 수 있도록 열심히 고민하고 노력할 것이라 다짐해 봅니다.