도로 복구가 이뤄질 때는 차량 통행을 제한하도록 표지만을 둔다. 우리 몸속 유전체도 장애가 발생하면 정상적인 복제가 재개될 때까지 손상 우회 신호를 보내고, 재개되면 신호를 중단한다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 유전체 항상성 연구단(단장 명경재) 강석현 연구위원 연구팀은 DNA 손상 우회 신호의 종료를 정교하게 조절하는 단백질을 ‘알파폴드¹⁾’ 등을 통해 규명하고, 유전체 안정성을 유지하는 메커니즘을 확인했다.

활성 산소에 의한 스트레스로 염색체 복제 장애가 발생하면, 복구 단백질인 증식세포핵항원(PCNA)이 유비퀴틴 단백질(Ub)과 결합(Ub-PCNA)해 손상 우회 신호를 보낸다. 장애가 복구되면, 우회 신호를 끄고 정상적인 염색체 복제가 재개되며 이때 Ub-PCNA를 PCNA로 환원시키는 탈유비퀴틴화 과정이 일어난다. 유전체 항상성 연구단은 선행 연구에서 암 억제 단백질로 알려진 ATAD5가 탈유비퀴틴화의 핵심 역할을 함을 밝힌 바 있다. 하지만 이 과정이 어떻게 적절한 정도로 정교하게 조절되는지에 대해서는 추가 연구가 필요했다.

이에 IBS 연구팀은, 단백질체 분석과 단백질 구조 예측 인공지능(AI)인 ‘알파폴드’를 이용해 탈유비퀴틴화 과정에서 일종의 속도 조절 스위치 역할을 하는 단백질을 찾아냈다. ATAD5의 탈유비퀴틴화 효소 결합 부위 부근에 BAZ1B 단백질의 N-말단부위 구조체가 결합함을 확인했고 이를 통해, BAZ1B가 ATAD5와 탈유비퀴틴화 효소 간의 결합을 저해하여 탈유비퀴틴 속도를 조절함을 밝혔다.

반면, BAZ1B와 결합하지 못한 ATAD5 돌연변이 세포는 산화 스트레스 상황에서 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화가 비정상적으로 빠르게 일어났다. 해당 세포는 Ub-PCNA의 양이 적고, 스트레스 상황에 훨씬 취약하여 높은 세포사멸률을 보였다. 이로써 BAZ1B가 ATAD5와의 결합 상호작용을 통해 탈유비퀴틴화 정도를 정교하게 조절하고 이 조절이 유전체 항상성 유지에 필수임을 확인할 수 있었다.

강석현 IBS 연구위원은 “향후, 염색질 리모델링 활성 및 염색질의 구조가 염색체 복제나 손상 복구 과정에서 어떤 영향을 미치며 그 조절 과정이 손상될 경우 일어날 수 있는 질병들과의 연관성을 탐색할 예정이다.”라며 앞으로의 연구계획을 밝혔다.

이 연구 결과는 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.7)에 2024년 12월 3일 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림1] BAZ1B와 ATAD5 단백질에 의한 Ub-PCNA 탈유비퀴틴화 조절 PCNA의 유비퀴틴화는 손상 부위를 우회하는 데 필수적이다. ATAD5는 탈유비퀴틴화 효소와 함께 작용하여 손상 우회가 완료된 후 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화를 촉진함으로써 정상적인 DNA 복제 과정의 재개를 유도한다. BAZ1B는 ATAD5와 상호작용하여 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화가 지나치게 빠르게 일어나는 것을 방지함으로써 손상 우회 과정이 원활히 진행되도록 조절한다.

[그림 2] 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 확인된 single-stranded DNA gap이 증가하며, 이는 유전체 불안정성을 초래한다.

1) 알파폴드: Google 딥마인드에서 만든 인공지능 기반 단백질 구조 예측 프로그램이다. 구글 딥마인드 CEO가 알파폴드를 개발한 공로로 2024년 노벨 화학상을 받은 바 있다. 단백질의 구조가 아직 규명되지 않은 ATAD5나 BAZ1B와 같은 단백질들의 아미노산 서열을 입력하면, 기존에 구조가 알려진 단백질들의 데이터를 기반으로 입력한 단백질들의 삼차원 구조와 상호작용 부위를 예측한다.