과학기술정보통신부 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 유전체 항상성 연구단 명경재 단장(UNIST 바이오메디컬공학과 특훈교수) 연구팀은 손상된 유전자를 복구하기 위해 서로 다른 유전자 복구 메커니즘들이 유기적으로 상호작용하고 있음을 처음으로 밝혔다. 지금까지는 한 종류의 DNA 손상 과정을 복구하기 위해 그에 한정된 하나의 복구 메커니즘만 작용하는 것으로 알려져 있었다.

<IBS 유전체 항상성 연구단 명경재 단장, UNIST 이자일 교수, 부산대학교 오정민 교수, UNIST 강유진 박사 과정 학생>

DNA는 생명 유지에 필요한 정보를 가지고 있다. 그런데 방사능, 자외선 등의 여러 환경적 자극이나 화학물질 노출로 인해 DNA 일부분이 절단되어 손상되거나, 절단 부위가 다른 곳에 가 붙게 되는 등 변형이 올 수 있다. 이로 인해 DNA 정보에서 만들어지는 단백질이 제대로 만들어지지 않거나, 단백질의 기능에 이상이 생기게 된다. 그리고 이러한 DNA 손상과 변형이 세포에 쌓이게 되면 결국 노화와 암을 유발한다. 따라서 DNA 손상을 빠르게 복구하는 것은 생명 활동을 유지하는 데 무척 중요하다. 

세포는 DNA가 입는 여러 형태의 손상에 대해 다양한 복구 메커니즘으로 대응하고 있다. 가장 심각한 DNA 손상인 ‘DNA 이중나선절단(DNA double strand break)’은 심한 경우 세포사멸에까지 이를 수 있다. DNA 이중나선절단에 대한 복구는 세포가 어떤 복구과정을 선택하는지에 따라 다른 양상이 나타나는데, ‘상동재조합 복구(homologous recombination repair)’ 과정을 선택하면 DNA의 유전정보가 그대로 유지되지만 ‘작은 유사 염기 이용 복구(polymerase theta-mediated end-joining)’ 과정을 선택하면 일부 유전정보가 손실되어 돌연변이를 야기한다. 

따라서 DNA 유전 정보의 항상성을 유지하기 위해 어떤 DNA 이중나선절단 복구 과정을 사용하는지가 매우 중요하다. 하지만 DNA 이중나선절단 복구 과정의 선택은 어떤 단백질에 의해 이루어지고, 이 단백질이 어떻게 DNA 절단 손상을 인식하고 복구하게 되는지에 대해서는 명확히 밝혀지지 않았다. 

이번 연구는 DNA 이중나선절단 복구 과정을 구체적으로 관찰하면서, 다른 독립적인 DNA 복구기전인 ‘DNA 틀린짝 복구(mismatch repair)’의 핵심 단백질인 MSH2-MSH3가 중요하게 관여한다는 것을 최초로 밝혔다. 

연구진은 세포에 355 나노미터(nm) 레이저를 조사해 DNA 이중나선절단 부위를 만들고, MSH2-MSH3 단백질과 다른 복구 관련 단백질들을 형광단백질로 표지해 손상 부위로의 이동과 결합을 관찰했다. 그 결과, MSH2-MSH3 단백질이 염색체 구조를 풀어주는 단백질과의 결합을 통해 이중나선절단 부위로 이동해 손상부위에 결합하는 것을 확인했다. 그리고 손상 부위에서 DNA 이중나선 구조를 단일나선 가닥으로 절개하는 효소인 EXO1을 끌어온 뒤 EXO1을 활성화시켜 손상된 DNA 끝단의 절단을 증가시켰다. 이렇게 EXO1에 의해서 DNA 끝단의 절단이 이루어지면 상동재조합 복구가 유도되어 돌연변이가 감소된다.

또한, DNA 손상부위에 MSH2-MSH3 단백질이 결합함으로써 돌연변이가 유도될 수 있는 작은 유사 염기 이용 복구 메커니즘의 핵심인 POLQ 단백질의 접근을 막아 돌연변이를 억제하는 것을 발견했다.

명경재 단장은 “이중나선절단 복구, 틀린짝 복구, 작은 유사 염기 이용 복구 등 기존에 서로 완전히 독립적으로 작용할 것이라고 여겨지던 복구 메커니즘과 관련 단백질들이 서로 유기적으로 상호작용하는 것을 처음 밝힌 성과”라며, “이번 연구성과가 손상된 DNA의 복구를 막아 암세포의 비정상적인 증식을 억제하는 항암제 개발 등에 기여할 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

이번 연구에는 울산과학기술원(UNIST) 이자일 교수 연구팀과 부산대학교 오정민 교수 연구팀이 공동으로 참여했으며, 연구결과는 국제 학술지 핵산 연구(Nucleic Acids Research, IF 19.16)에 5월 4일 온라인 게재됐다.

논문/저널/저자
MSH2-MSH3 promotes DNA end resection during homologous recombination and blocks polymerase theta-mediated end-joining through interaction with SMARCAD1 and EXO1/ Nucleic Acids Research 저널(2023)
오정민, 강유진, 박주미, 성유빈, 김다영, 서유리, 이은아, 라재선, Enkhzul Amarsanaa, 박영운, 이선영, 황정미, 김홍태, Orlando Schärer, 조승우, 이창욱, Kei-ichi Takata, 이자일, 명경재

연구내용 보충설명
① MSH2-MSH3가 DNA와 히스톤(histone) 단백질로 이루어진 염색체 구조를 풀어주는 단백질인 SMARCAD1과 결합을 통해 DNA 이중나선절단 손상 부위로 이동하는 것을 밝힘.
② MSH2-MSH3는 EXO1을 DNA 손상 부위로 끌어와 결합하고, EXO1의 활성을 증가시며 DNA 끝재절단(end resection)을 증가시킴. 이것은 돌연변이가 적은 상동재조합 방법으로 복구되도록 유도
③ MSH2-MSH3가 DNA이중나선 손상부위에 결합하면 POLQ 단백질의 접근이 억제되고, 이것이 POLQ에 의한 유사 염기 이용 복구를 막는 것을 밝힘. MSH2-MSH3는 DNA 이중나선절단 복구 시 EXO1의 활성을 증가시킬 뿐만 아니라, 유사 엽기 이용 복구를 막아 돌연변이가 적은 방법으로 DNA 복구를 유도시킴을 밝힘.

연구 이야기

[연구 과정]
이번 연구는 틀린짝복구의 핵심 단백질인 MSH2-MSH3의 결핍 시 DNA 이중나선절단 복구 방법 중 하나인 상동재조합복구 방법이 감소하는 것에 착안하여, 서로 다른 DNA 상해반응을 복구하는 단백질이 상호작용을 할 수 있다는 가설에서 시작됐다. 
세포에 355nm 레이저를 조사해 DNA 이중나선절단 부위를 만들고, 이 손상 부위로 형광단백질을 표지한 MSH2, MSH3 단백질이 이동하는 것을 확인했다. 이때 SMARCAD1이 결핍된 세포의 경우, MSH2-MSH3 단백질의 DNA 손상부위로의 이동이 줄어들었다. MSH2-MSH3가 결핍된 세포에서는 EXO1가 DNA 절단 부위로 이동하는 것이 현저하게 줄어드는 것을 확인했다. 또한, MSH2-MSH3가 결핍된 경우, 이중나선절단 부위에 POLQ의 결합이 현저하게 증가하는 것을 관찰하였는데, 이는 POLQ의 결합이 MSH2-MSH3에 의해 억제됨을 의미한다.
연구진은 MSH2-MSH3, EXO1, SMARCAD1 단백질을 정제하여, DNA 손상부위를 모사하는 다양한 구조의 DNA 조각들과의 결합과 활성을 측정하는 실험을 수행하여 세포에서 관찰한 결과를 in vitro 에서도 확인했다. 이 실험에서 MSH2-MSH3와 SMARCAD1, MSH2-MSH3와 EXO1 단백질이 서로 결합한다는 것을 확인했으며, 결합에 의해서 단백질의 활성이 더 증가한다는 것을 확인했다. 그리고, MSH2-MSH3가 있는 경우, 정제된 POLQ 효소 활성이 감소하는 것을 확인했다. 또한, MSH2가 결핍된 세포에서는 POLQ에 의한 유사 염기 이용 복구가 일어나는 것을 확인하였는데, 복구 후 분석 결과 돌연변이가 대조군에 비해 현저하게 많이 발견됐다.
[어려웠던 점] 기존에 있던 작은 유사 염기 이용 복구와 관련된 실험 효율이 낮아(1% 이내) 실험결과가 획득이 쉽지 않았다. 그래서 TMEJ와 POLθ의 활성을 측정할 수 있는 다른 방법을 찾기 위해서 많은 토의를 거쳤고, 기존에 없었던 새로운 방법을 통해서 가설을 증명할 수 있었다. 크리스퍼(CRISPR) 유전자가위를 이용해 세포내 이중나선 절단 부위를 만들고, 손상 부위에 복구가 일어날 때 어느 정도의 돌연변이가 생기는지 DNA 시퀀싱을 통해 확인했다.

[성과 차별점]
기존 연구를 통해 DNA 손상에 따라 각기 다른 DNA 손상 복구 단백질이 독립적으로 작용한다고 알려져 있었으나, 이번 연구에서 하나의 복구 단백질이 다른 복구과정에도 기능한다는 것을 밝혔다. 이중나선절단 복구, 틀린짝 복구, 작은 유사 염기 이용 복구 메커니즘에 관련된 단백질들이 유기적으로 상호작용하고 있음을 최초로 규명했다.

[향후 연구계획] 
DNA 이중나선절단 복구는 유방암 및 난소암과 관련이 있으며, 틀린짝 복구는 대장암과 관련이 있다. 본 연구를 확장하여 관련된 질병에 대한 연구를 진행할 계획이다.
 

[그림 1] 새롭게 발견된 DNA 이중나선 절단 복구 방법
가장 심각한 손상인 DNA 이중나선절단이 복구될 때, 기존에 알려진 DNA 이중나선절단 복구 단백질뿐만 아니라, 틀린짝 복구 단백질인 MSH2-MSH3가 중요한 역할을 할 수 있다는 것을 밝혔다. 먼저 DNA 이중나선절단이 생기면, SMARCAD1이 MSH2-MSH3를 DNA 손상부위로 데려오고, 이는 다시 EXO1을 손상 부위로 데려오는 것을 증가시켰다. 이후 EXO1에 의한 DNA 끝재절단이 활성화된다. 결국, DNA 끝재절단이 활성화되면서 상동재조합 복구 방법으로 DNA 상해반응이 증가하는 것을 확인했다. 이때 MSH2-MSH3의 결합은 POLQ의 DNA 이중나선절단 부위로의 접근은 막아 POLQ에 의한 작은 유사 염기 이용 복구 방법이 감소하는 것을 확인했다.
 

[그림 2] SAMRCAD1-MSH2-EXO1의 순서로 DNA 이중나선절단 부위로 접근
정상세포에 355nm 레이저를 조사하여 DNA 이중나선절단 손상 부위를 만들면 (빨간색 선) 시간이 지남에 따라 형광단백질로 표지된 MSH2와 EXO1 단백질이 손상 부위로 이동하는 것을 확인할 수 있다 (왼쪽 첫 번째 그림-MEH2, 오른쪽 첫 번째 그림-EXO1). 그러나 MSH2의 상위조절 단백질인 SMARCAD1이 결핍된 세포에서는 MSH2의 접근이 억제되지만, MSH2의 하위조절 단백질인 EXO1이 결핍된 세포에서는 MSH2의 접근에 문제가 없는 것을 확인했다 (오른쪽 그림). 또한,  각각 SMARCAD1과 MSH2가 결핍된 세포에서는 EXO1의 접근이 억제됨을 확인했다 (오른쪽 그림). 따라서, DNA 이중나선절단 복구 시 각각의 단백질이 SMARCAD1-MSH2-EXO1 단백질의 순서로 손상 부위에 접근한다는 것을 알 수 있다.