활성산소(reactive oxygen species, ROS)¹⁾는 우리 몸에서 양날의 칼과 같은 역할을 한다. 세포를 보호하기도 하지만, 과잉 생성되면 DNA를 손상하여 노화와 암을 유발하기 때문이다. 이때 우리 몸은 DNA 상해를 복구하는 시스템(damage repair)을 가동해서 대응한다. 하지만 이 과정의 마무리 단계인 ‘복구 DNA 합성(repair DNA synthesis)’ 기전은 알려진 바가 많지 않았다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 유전체 항상성 연구단(단장 명경재) 이규영 연구위원팀은 암 억제 단백질 ATAD5²⁾가 활성산소로 손상된 DNA의 복구 마무리를 조절하는 원리를 규명했다.

연구팀은 이전 연구에서 ATAD5 단백질이 DNA 복제 스트레스(replication stress)를 해소하고, DNA 내부 이상 구조를 제어하여 안정적인 DNA 복제를 돕는다는 사실을 밝혔다. 이번 연구에서는 활성산소로 인해 발생한 DNA 단일나선 절단 부위에서 ATAD5 단백질이 DNA 합성을 조절해 복구를 마무리함을 밝혔다. 나아가 ATAD5가 유전체 불안정을 야기하는 ‘DNA 틈(nick)’ 노출을 줄여 유전체 안정성을 유지하는 원리도 함께 규명했다.

연구진은 우선 ATAD5 단백질을 형광 단백질로 표지한 후 여러 DNA 상해에 적용했다. 그 결과 활성산소에만 특이적으로 ATAD5의 DNA 결합 형광신호가 증가했다. DNA 합성을 돕는 PCNA³⁾ 단백질도 같은 반응을 보였다. 활성산소가 DNA를 손상하면 PCNA 결합이 활발해져 DNA 합성을 촉진해 복구하고, 이 과정에서 ATAD5 활성 또한 높아진다는 의미다. 더불어 활성산소로 인한 단일나선 절단(single-strand break)이 DNA 합성으로 이어지는 주된 상해 유형임도 확인했다.

ATAD5가 DNA 복구의 마무리 과정인 DNA 합성에 핵심 역할을 담당함도 밝혔다. 정상적인 DNA 복구 과정에서는 PCNA가 손상된 DNA에 결합하여 DNA 합성을 돕고, ATAD5 단백질에 의해 분리된다. 그런데 ATAD5 양을 줄이면 PCNA가 축적되고 DNA 합성이 늘어나 DNA 중합효소의 멈춤(stalling) 현상이 늘어났다. 이는 DNA 틈 노출 빈도를 증가시켜 세포 사멸을 유도한다. 활성산소로 인한 DNA 상해의 복구 과정에서 ATAD5가 부족해 DNA 합성이 지나치게 길어지면, 유전체 안정성을 해치게 된다는 의미다.

▲ [그림 1] 활성산소에 의한 복구 DNA 합성은 ATAD5 단백질 결핍 시 늘어난다..과산화수소를 처리해서 세포내 활성산소 농도를 높이면 PCNA와 DNA 중합효소의 DNA 결합 및 복구 DNA 합성이 일어난다. ATAD5 단백질 결핍 시 PCNA가 DNA에 축적되고, 복구 DNA 합성이 더욱 늘어난다.

▲ [그림 2] ATAD5 결핍세포에서 활성산소 기인 복구 DNA 합성이 연장되었을 때 유전체 불안정성을 일으키는 메커니즘(a) 복구 DNA 합성 중 PCNA에 결합한 DNA 중합효소가 또 다른 DNA 상해 부위(빨간색 세모)에서 멈추면, DNA 틈이 노출된다 (a.i). PCNA 유비퀴틴화(분홍색 원) 및 TLS 중합효소에 의해 DNA 상해 부위를 넘어서 DNA 합성이 계속 진행되고 (a.ii-iii), 이후 PCNA는 ATAD5에 의해 DNA에서 떨어진다 (a.iv). 남겨진 DNA 상해를 복구하는 과정이 새롭게 다시 진행된다. (b) ATAD5 결핍 시 PCNA 축적에 의해 DNA 합성이 연장되면, DNA 중합효소가 멈추어서 DNA 틈을 노출하는 빈도가 증가하고, 이것이 DNA 이중나선절단 및 유전체 불안정성으로 이어진다.

이규영 연구위원은 “ATAD5가 활성산소로 인한 DNA 상해 복구를 조절한다는 새로운 기능을 밝혔다”며 “활성산소는 암을 포함한 각종 질병 및 노화의 주범으로 꼽히는 만큼, 향후 암 치료제, 노화 억제제 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 전했다.

▲ 사진 1. 이번 연구에 참여한 IBS 유전체 항상성 연구단 주요 연구진들.좌측부터 IBS 유전체 항상성 연구단 이규영 연구위원(교신저자), 박수형 연구기술원(공동1저자), 김유영 학생연구원(공동1저자), 명경재 단장

이번 연구성과는 국제 학술지 핵산 연구(Nucleic Acids Research, IF 16.97) 온라인 판에 11월 1일 게재되었다.

IBS 커뮤니케이션팀
박유진

1) 활성산소(reactive oxygen species, ROS) : 화학적 반응성이 높은 산소 기반 구조체로, 과생성시 광범위한 DNA의 염기 산화(base oxidation) 및 단일나선절단(single-strand break)을 일으킨다.

2) ATAD5(ATPase family AAA domain-containing protein 5) 단백질 : ATAD5 단백질은 4개의 단백질(RFC2,3,4,5)과 복합체를 형성하여 PCNA를 조절하는 복제 조절 단백질이다.

3) PCNA(Proliferating Cell Nuclear Antigen, 증식성세포핵항원) : DNA에 결합하여 DNA 합성을 돕는 단백질. DNA 합성 과정에서 여러 단백질을 끌어와 합성을 돕고, 이후 ATAD5에 의해 DNA와 분리된다.