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DNA 내부 이상 구조 제어법 발견…암 억제 활용 기대
생명과학 기초과학연구원 (2020-07-02)

세포가 DNA 내부의 이상 구조를 제어하는 방법이 밝혀졌다. 기초과학연구원(IBS) 유전체 항상성 연구단(단장 명경재) 이규영 연구위원팀은 암 억제 단백질 ATAD5 가 DNA 내 이상 구조 형성과 해소를 조절하여 유전체 안정성을 유지하는 원리를 규명했다.

우리 몸의 세포는 생명 유지를 위해 DNA 복제·전사·복구 등 다양한 대사 활동을 한다. 이때 RNA가 DNA 이중나선의 한 가닥에 결합한 ‘R-루프(R-loop)’가 일시적으로 형성되어 대사 과정 일부를 도운 후 해소된다. R-루프가 해소되지 않고 장시간 유지되면, RNA 전사 단백질이 DNA 복제 단백질과 충돌하는 ‘전사-복제 충돌’이 일어난다. 이 경우 DNA 복제와 전사가 완료되지 못한 채 멈춰버린다. 이 상태에서 세포분열이 진행되면 DNA가 손상되어 유전정보 안정성이 떨어지고 암으로 이어질 수 있다.

유전체 항상성 연구단은 이전 연구에서 ATAD5 단백질이 DNA 복제 스트레스를 해소하여 안정적인 DNA 복제를 돕고 암 억제에 기여한다는 것을 밝혔다. 이번 연구에서는 ATAD5 단백질이 DNA 복제 과정에서 R-루프 형성을 제어하여 전사-복제 충돌을 해결함으로써 유전체 안정성을 유지하는 방법을 규명했다.

연구진은 우선 ATAD5 단백질이 R-루프 형성에 미치는 영향을 이해하기위해 siRNA를 이용하여 인간 세포 내 ATAD5 단백질 양을 줄였다. 그 결과 DNA 복제가 진행 중인 세포에서만 R-루프의 양이 증가했다. ATAD5 단백질이 R-루프 형성 억제에 핵심 요소라는 의미다. 또한 염색체 복제를 도와주는 PCNA 단백질이 과다 축적되어 RNA 전사 단백질과 전사-복제 충돌을 일으키고 새로운 R-루프가 형성되었다. 이를 통해 ATAD5 단백질이 DNA 복제 부위에서 PCNA 단백질을 분리하여 새로운 R-루프 형성을 미리 차단한다는 것을 알 수 있다.

추가적으로 연구진은 면역정제-질량분석법을 이용해 ATAD5 단백질이 R-루프를 풀어주는 DNA-RNA 풀림효소 단백질들과 상호작용함을 확인했다. ATAD5 단백질이 결핍되면 이 작용이 저해되어 DNA 복제 부위의 DNA-RNA 풀림효소 양이 줄어들었다. ATAD5 단백질이 DNA-RNA 풀림효소 양을 유지하여 복제 중인 DNA에 존재하는 R-루프를 제거한다는 의미다.

이규영 연구위원은 “이번 연구로 ATAD5 단백질이 DNA 복제 조절, DNA 복제 스트레스 해소뿐 아니라 DNA 내 이상 구조 제어 기능을 갖는다는 새로운 사실을 밝혔다”며 “R-루프는 암 발생과 밀접한 관련이 있는 DNA 복구, 노화와 관련된 텔로미어(Telomere) 길이 조절에도 중요하기 때문에 향후 암 치료제, 노화 억제제 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 전했다.
이번 연구성과는 국제 학술지 핵산 연구(Nucleic Acids Research, IF 11.15)온라인 판에 6월 15일 게재되었다.

 

연 구 추 가 설 명

논문명
ATAD5 restricts R-loop formation through PCNA unloading and RNA helicase maintenance at the replication fork
저자정보

Sangin Kim1,2, Nalae Kang1, Su Hyung Park1, James Wells3, Taejoo Hwang4, Eunjin Ryu1,2, Byung-gyu Kim1, Sunyoung Hwang1, Seong-jung Kim1,2, Sukhyun Kang1, Semin Lee4, Peter Stirling3,5, Kyungjae Myung1,2, and Kyoo-young Lee*, 1

연구이야기

[연구 배경]
‘R-루프(R-loop)’란 RNA가 DNA 이중 나선의 한 가닥에 결합하고 나머지 DNA 한 가닥이 루프를 형성하는 구조를 말한다.  R-루프는 세포 내 다양한 DNA 활동 과정 및 DNA 복제스트레스(replication stress) 상황에서 일시적으로 형성되는데, 이것이 적절히 해소되지 않으면 DNA 단일 가닥 손상과 ‘전사-복제 충돌 (transcription-replication conflict)’이 일어나 유전체 안정성이 저해된다.
아직까지 전사-복제 충돌에서 R-루프가 조절되는 기작과 그 과정에서 DNA 복제 조절 단백질 ATAD5이 수행하는 역할은 밝혀지지 않았다. 연구진은 이전 연구에서 ATAD5 단백질이 DNA 복제 스트레스를 해소하여 멈춰버린 DNA 복제가 다시 시작하도록 촉진함을 밝힌 바 있다. 이에 착안하여 DNA 복제 스트레스가 일으키는 R-루프가 조절되는 과정에 ATAD5 단백질이 관여하는지에 대한 연구를 시작하였다.

[연구 과정] 연구진은 우선 ATAD5 단백질이 R-루프에 미치는 영향을 여러 세포주기의 세포에서 관찰하고자 siRNA를 이용해 인간 세포 내 ATAD5 단백질을 감소시켰다. 그 결과 DNA 복제가 진행 중인 세포에서 PCNA와 RNA 전사 효소 간 충돌, R-루프 증가, RNA 전사 감소, PCNA 주변의 R-루프 형성 등이 나타났다. ATAD5 단백질이 PCNA를 DNA에서 분리함으로써 새로운 R-루프 형성을 차단한다는 의미다.
추가적으로 연구진은 면역정제-질량분석법을 이용해 ATAD5 단백질이 R-루프를 풀어주는 DNA-RNA 풀림효소들과 단백질-단백질 상호작용을 한다는 것을 확인하였다. ATAD5 단백질과 DNA-RNA 풀림효소와의 상호작용이 결핍된 경우 DNA 복제 부위의 DNA-RNA 풀림효소 양이 줄어들고 DNA 복제가 저하되었다. ATAD5 단백질이 DNA-RNA 풀림효소들과의 결합을 통해 DNA-RNA 풀림효소의 양을 유지함으로써 복제 중인 DNA에 존재하는 R-루프를 제거한다는 것을 알 수 있다.

[어려웠던 점] ATAD5 단백질은 DNA 복제 과정에서 중요한 역할을 한다고 알려진 반면, DNA-RNA 풀림효소는 RNA 전사 과정에서 중요시되었다. 때문에 연구 방향을 설정하고 ATAD5 단백질과 DNA-RNA 풀림효소 간 단백질-단백질 상호작용의 생물학적 의미를 이해하기 쉽지 않았다. 그러나 여러 연구진의 노력으로 DNA 복제와 RNA 전사 과정이 R-루프를 매개로 연결됨을 밝힐 수 있었다.
또한 R-루프 측정을 위한 항체의 고유한 특성 때문에 이를 이용한 세포 내 R-루프 측정이 기술적으로 매우 까다로웠다. 많은 시행착오 끝에 과학적으로 신뢰할 수준의 측정 조건을 확립하여 성공적으로 연구를 마무리할 수 있었다.

[향후 연구계획] R-루프는 DNA 복제 뿐 아니라 DNA 이중 나선 절단 복구 및 텔로미어(Telomere) 길이 조절 과정에 중요하다. 이번 연구에서 밝혀낸 ATAD5 단백질의 R-루프 조절이 이들 과정에서 어떤 의미가 있는지 연구하고자 한다.

R-루프 (R-loop) 구조

그림 1. R-루프 (R-loop) 구조
 RNA(빨간색)가 DNA(파란색) 이중 나선의 한 가닥과 결합하고 나머지 한 가닥은 단일 나선 형태로 존재하는 DNA-RNA 혼성구조

DNA 복제 과정에서 ATAD5 단백질의 R-루프 조절 메커니즘

그림 2. DNA 복제 과정에서 ATAD5 단백질의 R-루프 조절 메커니즘
 정상세포의 DNA 복제과정에서는 ATAD5 단백질이 PCNA 단백질을 분리해내고, DNA/RNA 풀림효소를 끌어와 R-루프를 제거한다. 반면 ATAD5 단백질이 결핍된 세포의 경우 DNA에 PCNA 단백질이 과다하게 쌓여 전사-복제 충돌이 일어나고 새로운 R-루프가 형성된다.

이번 연구에 참여한 IBS 유전체 항상성 연구단의 주요 연구진들

사진 1. 이번 연구에 참여한 IBS 유전체 항상성 연구단의 주요 연구진들
좌측 상단부터 시계방향으로 IBS 유전체 항상성 연구단 명경재 단장, 이규영 연구위원(교신저자), 강나래 연구원(제2저자), 김상인 연구원(제1저자), 박수형 연구원(제3저자)

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