도로가 사고로 막히면 차량은 속도를 늦추고 멈춰 서거나 간격을 벌리며 위험을 피한다. 이후 상황이 정리되면 다시 이동을 시작한다. 이처럼 세포 속 DNA도 복사 과정에서 문제가 생기면 속도를 늦추거나 잠시 멈출 뿐 아니라, 일부는 한 발 물러나듯 구조를 바꿔 시간을 확보한 뒤 손상을 복구한다.

기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 김영덕) 유전체 항상성 연구단(단장 명경재) 연구팀은 세포가 위기 상황에 대응하는 과정에서 ‘HELQ’라는 단백질이 DNA 구조를 일시적으로 바꿔 복사를 잠시 멈추고, 손상을 복구할 시간을 확보하는 역할을 한다는 사실을 밝혔다.

우리 몸의 세포는 분열 과정에서 DNA를 복사하는데, 이 과정이 중단되거나 지연되면 돌연변이, 염색체 손상, 나아가 세포 사멸로 이어질 수 있다. 연구팀은 이러한 위기 상황에서 HELQ의 역할을 다양한 실험을 통해 관찰했다.

우선 DNA 손상 시, 세포 내 DNA 복사 속도를 측정하여 정상 세포에서는 복사 속도가 일시적으로 느려졌지만 HELQ가 없는 세포에서는 속도 변화가 충분히 나타나지 않는다는 사실을 확인했다.

이어, 연구진은 전자현미경을 이용해 DNA 구조를 직접 관찰했다. 그 결과, 정상 세포에서는 손상 시 DNA가 잠시 뒤로 물러나 형태를 바꾸는 모습이 관찰된 반면, HELQ가 없는 세포에서는 구조 변화가 현저히 적게 발생하는 것으로 나타났다. 또한, HELQ가 없는 세포는 손상된 DNA를 안정적으로 처리하는 능력도 떨어지는 것으로 확인됐다. 이러한 결과는 HELQ가 단순히 손상에 반응하는 수준을 넘어, DNA 구조 변화를 유도하며 복사 과정의 속도와 안정성을 조절하는 핵심 역할을 한다는 것을 보여준다.

나아가, 연구팀은 DNA 복구를 돕는 다른 단백질의 기능이 약해진 조건에서 HELQ의 역할을 추가로 살펴봤다. 이를 위해 HELQ가 있는 경우와 없는 경우를 비교한 결과, HELQ가 없을 때 DNA 손상이 제대로 처리되지 않는 모습이 더 뚜렷하게 나타났다. 이는 HELQ가 혼자 작동하기보다 다른 복구 단백질들과 함께 협력해 손상 대응 과정에 관여한다는 점을 보여준다. 특히 전체 복구 능력이 떨어진 상황일수록 HELQ의 중요성이 더욱 커지는 것으로 확인됐으며, 이는 HELQ가 DNA 손상 대응을 보조하는 역할을 넘어 전체적인 DNA 복구 과정을 조율하는 역할을 한다는 것을 보여준다.

교신저자 다카타 케이치(Kei-ichi Takata) 연구위원은 “이번 연구는 암 연구의 관점에서도 의미가 크다. 세포가 항암제에 의해 생긴 DNA 손상을 어떻게 견디고 복구하는지를 이해하는데 중요한 단서를 제공한다.”라며, “특히 HELQ 단백질의 역할을 밝힘으로써 암세포가 약물에 저항하는 과정을 설명하는데 도움될 수 있으며, 향후 이러한 DNA 복구 과정을 정밀하게 조절할 수 있는 지점을 찾아 항암 효과를 높이는 새로운 치료 전략으로 이어질 것을 기대한다.”라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 Nucleic Acids Research에 4월 29일(KST) 온라인 게재되었다.

연구추가설명

논문 The DNA helicase HELQ promotes replication fork reversal in coordination with BRCA2- and FANCD2-mediated repair pathways

저널 Nucleic Acids Research

저자 Yerkin Dunbayev(UNIST/IBS), Yen-Ju Chen, Lorenzo Sassi, Eun-A Lee, Jae Sun Ra, Moonjung Choi, Anirban Mukherjee, Karen M. Vasquez, Vincenzo Costanzo, Peter Chi, Kei-ichi Takata(IBS)

연구내용 보충설명
- HELQ는 독성이 매우 높은 DNA 가닥간 교차결합으로부터 세포를 보호한다
 - HELQ는 멈춰 선 복제 포크에서 역행을 직접 촉진한다
 - HELQ 결손은 이 보호 반응을 손상시켜 교차결합 유도제에 대한 감수성을 높인다
 - HELQ의 헬리케이스 활성은 포크 재편에 필수적이다
 - 이번 연구는 화학요법 관련 DNA 손상에 대한 내성 기전을 이해하는 데 새로운 관점을 제공한다

연구의 의의
DNA 교차결합 유도제는 화학요법에 널리 사용되는 동시에 정상 세포의 DNA에도 심각한 손상을 준다. 세포, 특히 암세포가 이러한 손상을 어떻게 복구하는지를 이해하는 것은 치료 반응과 약물 내성을 해석하는 데 중요하다.

연구 이야기

[연구 과정]
본 연구는 근본적인 질문에서 출발했습니다. 심각한 DNA 손상으로 인해 DNA 복제가 차단될 때, 인간 세포는 어떻게 DNA 복제를 보호하는가? 우리는 DNA 손상 내성과 연관되어 있지만 인간 세포에서의 정확한 역할이 아직 불분명한 DNA 이중가닥을 분리하는 효소인 헬리카제인 HELQ에 주목했습니다.
이 질문에 답하기 위해, 우리는 HELQ 결핍 및 돌연변이 인간 세포, DNA 섬유 분석, 전자 현미경, 생화학적 분석을 포함한 유전학적, 세포생물학적, 구조적 접근법을 결합하여 사용했습니다. 이러한 상호보완적인 실험을 통해, 우리는 HELQ가 복제 포크 역전(replication fork reversal)을 촉진함으로써 세포가 DNA 이중 가닥 교차결합에 반응하도록 돕는다는 것을 발견했습니다. 복제 포크 역전은 스트레스를 받은 복제 포크가 안정화되고 회복될 수 있도록 하는 보호적인 재구성 과정입니다. 또한, 우리는 HELQ가 BRCA2 및 FANCD2 복구 경로와 협력하여 작용한다는 것을 밝혀냈으며, 이는 HELQ가 더 광범위한 DNA 손상 반응 네트워크에 어떻게 관여하는지를 보여줍니다.

[어려웠던 점]
가장 큰 어려움 중 하나는 HELQ가 복제 포크 재구성 과정에 직접적인 역할을 하는지, 아니면 하류 DNA 복구 결함을 통해 간접적으로만 영향을 미치는지를 입증하는 것이었습니다. 복제 스트레스에 대한 세포 반응은 여러 경로가 중첩되어 있어 특정 인자의 기여도를 규명하기 어려웠습니다.
또 다른 어려움은 복제 포크 역전 현상이 매우 역동적이고 기술적으로 까다로운 연구 과정이라는 점이었습니다. 단 하나의 실험만으로는 이를 확실하게 입증하기에 충분하지 않았습니다. 따라서 여러 독립적인 방법을 결합하고 다양한 시스템에서 얻은 결과를 신중하게 비교해야 했습니다. 일관된 기전 모델을 구축하기 위해서는 광범위한 검증, 반복적인 실험, 그리고 유전적 및 구조적 데이터의 긴밀한 통합이 필요했습니다.

[성과 차별점]
본 연구의 주요 성과는 HELQ가 인간 세포에서 복제 포크 역전을 촉진하는 인자임을 밝혀낸 것입니다. HELQ는 이전에 DNA 손상 내성과 관련이 있는 것으로 알려져 있었지만, 정체된 복제 포크에서 HELQ의 기전적 역할은 명확하게 규명되지 않았습니다. 본 연구는 HELQ가 단순한 일반적인 복구 인자가 아니라, 스트레스 상황에서 복제 포크 구조를 재구성하는 데 적극적으로 관여하는 인자임을 보여줍니다.
또한, 본 연구는 HELQ를 BRCA2 및 FANCD2 관련 복구 네트워크 내에 위치시켜 세포가 복제 스트레스 상황에서 게놈 안정성을 보호하는 기전을 보다 완벽하게 이해할 수 있도록 했습니다. 이는 HELQ를 복제 포크 보호 및 복구에 관여하는 기존 경로들과 연결하는 데 기여합니다.
이번 연구 결과는 의학적 관점에서도 중요합니다. DNA 이중 가닥 교차결합은 독성이 매우 강한 손상이며, 시스플라틴을 비롯한 여러 항암제에 의해 발생합니다. 세포가 이러한 손상에 어떻게 반응하는지를 규명함으로써, 본 연구는 암 치료 반응 및 내성에 대한 이해를 높이는 데 기여할 수 있을 것입니다.

[향후 연구계획]
앞으로 우리는 HELQ가 분자 수준에서 어떻게 복제 포크 역전을 촉진하는지 더 자세히 조사할 계획입니다. 특히, HELQ의 헬리카제 활성, DNA 결합, 그리고 다른 복구 단백질과의 상호작용이 이 과정에 어떻게 기여하는지 규명하고자 합니다.
또한, HELQ 기능 장애가 유전체 불안정성과 약물 반응에 미치는 영향을 분석하여 암 관련 맥락으로 연구를 확장할 계획입니다. 장기적으로 이러한 연구를 통해 DNA 복구 메커니즘을 활용하여 암 진단 및 치료를 개선할 수 있는 새로운 방법을 발견할 수 있기를 기대합니다.