한빛사 인터뷰
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
DNA 복제 중 발생하는 손상은 세포 유전체 안정성을 위협하는 주요 요인으로, 이를 극복하지 못할 경우 돌연변이 및 세포 사멸을 초래할 수 있습니다. 세포는 이러한 손상 부위를 우회하여 복제를 지속하기 위해 TLS(Translesion Synthesis)라는 메커니즘을 활성화합니다. 이 과정에서 핵심적인 역할을 하는 단백질이 PCNA(Proliferating Cell Nuclear Antigen, 증식세포핵항원)입니다. 손상 부위에서 PCNA가 유비퀴틴화되어 Ub-PCNA가 형성되면, TLS 중합효소를 손상 부위로 유도하여 복제를 지속하도록 돕습니다. 하지만 TLS 중합효소는 느리고 정확성이 낮아, TLS가 필요 이상으로 지속되면 유전체 불안정성이 초래할 수 있습니다.
이를 방지하기 위해 손상 복구가 완료되면 ATAD5-UAF1-USP1 탈유비퀴틴화 효소 복합체가 Ub-PCNA의 유비퀴틴을 제거하여 TLS 활성화를 종료시키고 정상적인 DNA 합성을 재개합니다. 그러나 탈유비퀴틴화가 지나치게 빠르게 진행되면 손상 부위 복구가 완료되지 않은 상태에서 TLS가 조기 종료되어 복제 스트레스와 DNA 손상이 악화될 수 있습니다. 이 조절 메커니즘의 세부적인 작용 원리를 밝히는 것이 이번 연구의 주요 목표였습니다.
이번 연구에서는 ATAD5와 상호작용하는 새로운 단백질로 BAZ1B를 동정하였고, 이 단백질이 Ub-PCNA 탈유비퀴틴화 조절에 중요한 역할을 한다는 사실을 규명했습니다. 저희는 ATAD5와 BAZ1B의 상호작용을 구조적으로 분석하기 위해 AlphaFold 예측과 면역 침전법을 활용해 두 단백질 간의 특이적 결합 부위를 확인했습니다. 또한, in vitro pull-down 실험과 돌연변이 단백질을 활용해 BAZ1B가 ATAD5-UAF1-USP1 복합체의 탈유비퀴틴화 활성을 억제한다는 점을 밝혔습니다.
[BAZ1B와 ATAD5 단백질에 의한 Ub-PCNA 탈유비퀴틴화 조절]
이후 시험관 내 분석 시스템을 통해 BAZ1B가 Ub-PCNA 탈유비퀴틴화의 시점을 조절하여 TLS가 손상 복구 후 적절히 종료되도록 하는 정교한 메커니즘을 규명하였습니다. 특히, BAZ1B 결합 돌연변이를 가진 ATAD5 단백질에서는 이러한 조절 기능이 상실되어 Ub-PCNA가 과도하게 탈유비퀴틴화되고, 결과적으로 DNA 복제 효율이 크게 감소하며 DNA 단절이 증가했습니다. 이로 인해 해당 세포는 산화 스트레스에 민감해져 높은 세포 사멸률을 보였습니다.
[BAZ1B에 의한 Ub-PCNA 탈유비퀴틴화 조절 과정이 손상되면 유전체 불안정성이 초래된다. (위) BAZ1B 결합 돌연변이를 가진 ATAD5는 Ub-PCNA 탈유비퀴틴화 조절을 제대로 수행하지 못해 Ub-PCNA가 지나치게 이른 시점에 탈유비퀴틴화된다. 이로 인해 손상 우회 과정이 중단되고 손상 부위에서 DNA 복제가 멈추게 된다. (아래) 그 결과, 염기성 COMET 분석법으로 확인되는 single-stranded DNA gap이 증가하며, 이는 유전체 불안정성을 초래한다.]
이번 연구는 BAZ1B가 ATAD5와 상호작용하여 Ub-PCNA 탈유비퀴틴화의 타이밍을 조절하는 새로운 메커니즘을 제시했습니다. 이는 BAZ1B가 기존에 알려진 염색질 리모델링 역할 외에, DNA 손상 복구와 복제 스트레스 상황에서 TLS 과정을 정교하게 조절하는 새로운 역할을 한다는 점을 처음으로 밝혀낸 것입니다. 이러한 발견은 복제 스트레스 상황에서 TLS와 정상적인 DNA 합성 과정을 효율적으로 연계하는 데 중요한 단서를 제공하며, 향후 DNA 손상 복구 메커니즘을 기반으로 한 새로운 항암제 개발 가능성을 열어줄 것으로 기대됩니다.
저희 연구는 BAZ1B와 ATAD5의 상호작용을 이해하는 데 기여했을 뿐만 아니라, 손상 복구 과정의 정교한 조절 메커니즘이 유전체 안정성을 유지하는 데 필수적임을 강조하는 계기가 되었습니다. 앞으로도 이러한 조절 메커니즘을 더 깊이 탐구하여 다양한 스트레스 조건에서의 역할과 응용 가능성을 밝혀나갈 계획입니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
기초과학연구원(IBS) 유전체 항상성 연구단(Genome Integrity Center, CGI)은 울산과학기술원(UNIST) 내에 위치한 캠퍼스 연구단으로, DNA 복제(DNA Replication)와 DNA 손상 복구(DNA Repair)의 다양한 기전을 분자적, 세포적, 생화학적 수준에서 연구하고 있습니다. 연구단은 분자생물학, 세포생물학, 생화학, 동물 모델 등 다각적인 접근법을 통해 DNA 손상 반응, 재조합, 합성 치사 기전 등 폭넓은 주제를 다룹니다.
특히, 명경재 단장님을 중심으로 강석현 박사님을 포함한 뛰어난 연구진들이 함께하고 있으며, 각 구성원들이 책임감을 가지고 프로젝트를 수행하는 열정적인 연구 분위기가 특징입니다. 저희 연구단은 자유롭고 수평적인 문화 속에서 활발한 토론과 협업을 장려하며, 연구원들에게 즐겁고 자부심을 느낄 수 있는 환경을 제공합니다.
(https://ibscgikorea.wixsite.com/my-site)
(https://kyungjaemyungibs.wixsite.com/sukhyunkang)
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
생명과학은 다른 분야와 달리 연구 성과를 내는 데 많은 시간이 소요되고 인내심이 필요한 분야입니다. 실험이 예상대로 진행되지 않거나 결과를 해석하는 데 어려움을 겪는 경우도 빈번하지만, 이러한 과정을 통해 자신에게 쌓이는 지식과 연구를 보는 눈이 점차 밝아짐을 느낍니다. 작은 진전이라도 축적된 결과들이 하나로 이어질 때, 연구자로서의 보람과 자부심을 느낄 수 있었습니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
박사과정을 하다 보면 상상하지 못한 어려움들을 겪게 될 것입니다. 예상치 못한 실패, 반복적인 실험, 때로는 방향을 잃는 순간도 있을 수 있습니다. 하지만 어떤 어려움이 닥치더라도 포기하지 않고 끝까지 이겨내세요. 제가 연구실에서 경험하며 깨달은 점 중 하나는, 좋은 성과를 내고 인정받는 연구자들을 힘든 순간에도 '할 수 있다'는 긍정적인 태도로 최선을 다한다는 것입니다. 또한, 자신이 틀렸음을 지적받을 때 이를 기분 나빠 하기보다 빠르게 인정하고 실수를 반복하지 않기 위해 꾸준히 노력합니다. 이런 태도가 결국 지속적인 성장과 성공으로 이어지게 됩니다. 모두들 결국 해낼 수 있을 것이며, 박사 과정을 마친 뒤에는 어떤 도전도 자신 있게 맞설 수 있는 자신감을 얻게 될 것입니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
현재 DNA 손상 복구에 대한 다양한 분자생물학적 메커니즘 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 박사후연구원 과정 동안 이러한 연구들을 잘 마무리하고, 이를 기반으로 의미 있는 성과를 도출하고자 합니다. 앞으로도 지속적으로 연구에 매진하여 암 정복에 기여할 수 있는 약을 개발하고, 궁극적으로 인류를 질병으로부터 해방시키는 데 이바지하고 싶습니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
이번 성과는 결코 저 혼자만의 노력으로 이루어진 것이 아닙니다. 지금까지 저에게 가르침과 도움을 주신 기초과학연구원-유전체항상성연구단 (IBS-CGI) 연구단의 모든 연구자 분들께 깊은 감사의 말씀을 드리고 싶습니다.
우선, 훌륭한 연구 환경과 지도를 제공해주신 명경재 단장님께 감사드립니다. 묵묵히 저를 이끌어 주시며, 진정한 과학자로서의 모범을 보여주신 강석현 박사님, 연구의 기본기가 부족했던 저를 성장할 수 있도록 도와주신 강미선 박사님께도 깊이 감사드립니다. 가장 오랜 시간 옆에서 도움을 주시며, 연구실 생활을 즐겁게 만들어 주신 사수 류은진 박사님, 그리고 연구 과정에서 많은 노력을 기울여 주신 하나영 선생님께 감사의 마음을 전합니다.
또한, 이번 연구에 귀중한 데이터를 제공해 주신 김병규 박사님, 강나래 선생님, 이근일 대학원생, 유주영 대학원생께도 진심으로 감사드립니다. 연구 방향에 있어 많은 조언을 해주신 Orlando D. Scharer 교수님, 이규영 교수님, 김하진 교수님, Kei-ichi Takata 박사님께도 깊은 감사를 드립니다. 이외에도 IBS-CGI에서 함께한 모든 분들 덕분에 재밌고 의미 있는 연구실 생활을 할 수 있었습니다.
마지막으로, 대학원 생활을 함께하며 큰 힘이 되어 준 소중한 동반자이자 사랑하는 여자친구 지윤이, 언제나 따뜻한 말로 응원해 주신 아버지, 어머니, 누나에게도 진심으로 감사드립니다. 앞으로도 훌륭한 연구를 통해 인류의 건강에 기여할 수 있는 연구자가 되겠습니다. 감사합니다.
#DNA repair
# DNA replication
# PCNA Ubiquitination (Ub-PCNA)
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