DNA 손상으로 복제 장애가 발생하더라도, 정상적인 DNA 합성이 재개될 수 있도록 도와주는 암 억제 단백질 ATAD5¹⁾의 새로운 역할이 밝혀졌다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 유전체 항상성 연구단(단장 명경재) 강석현 연구위원 연구팀은 ATAD5가 DNA 손상 시에도 DNA 복제는 중단되지 않도록 유도하는 손상우회 신호를 부적절하게 증폭되지 않도록 조절해, 유전체 안정성을 유지하는 역할을 함을 밝혔다.

염색체 복제 과정에서 DNA 손상으로 복제 장애가 발생하면, 합성 중인 DNA를 감싸 다양한 단백질과 DNA 간의 상호작용을 매개하는 필수 단백질 증식세포항원(PCNA, Proliferating Cell Nuclear Antigen)²⁾이 유비퀴틴 단백질과 결합하여 유비퀴틴화가 일어난다.

유비퀴틴화된 PCNA(Ub-PCNA)는 DNA 손상복구 단백질들을 손상 부위로 끌어와 복제가 계속될 수 있도록 유도하지만, 이는 부정확하고 비효율적이다. 그래서 탈유비퀴틴화 효소를 통해 Ub-PCNA에서 유비퀴틴이 제거되어야 정상적인 DNA 합성을 재개할 수 있지만, 이러한 Ub-PCNA 탈유비퀴틴 과정은 지금껏 규명되지 않아왔다.

이에 IBS 연구팀은, ATAD5가 탈유비퀴틴화의 핵심 인자임을 규명했다. 다양한 돌연변이를 이용해 ATAD5의 N-말단 부위가 DNA에 결합된 Ub-PCNA를 인식하고, 탈유비퀴틴화 효소인 UAF1-USP1 복합체를 불러들여 Ub-PCNA를 변형 전의 PCNA로 환원시키는 탈유비퀴틴화 과정을 설명했다. 특히 돌연변이 ATAD5 단백질을 발현하는 세포를 이용해, ATAD5가 PCNA 탈장착 과정과 탈유비퀴틴화 과정을 동조화시켜 핵 내에 Ub-PCNA가 쌓이지 않도록 조절함으로써 DNA 손상우회의 부적절한 증폭과 활성화를 막음을 확인했다.

또한 ATAD5 단백질과 탈유비퀴틴화 효소 USP7-USP11 간의 새로운 상호작용을 발견하여 이들이 UAF1-USP1 복합체와 함께 다중 유비퀴틴화 PCNA의 효율적 탈유비퀴틴화에 기여함을 확인했다.

더 나아가, 생쥐 모델을 통해 탈유비퀴틴화 효소와의 결합을 방해하는 ATAD5의 돌연변이가 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화를 억제하고, 생쥐 피부의 UV에 의한 DNA 손상을 증가시킴을 확인해 DNA 복제 및 손상복구 과정이 어떻게 연동되어 유전체 안정성을 유지하는지 이해하는 중요한 단서를 찾았다.

강석현 IBS 연구위원은 “향후, ATAD5와 탈유비퀴틴화 효소 복합체의 구조적 특성을 밝히고 그 생화학적 활성과 연계하여 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴 과정을 효과적으로 제어할 수 있는 방법을 찾을 예정이다.”라고 앞으로의 연구계획을 밝혔다.이 연구 결과는 세계적인 미국국립과학원회보 (PNAS, IF 9.4)에 2024년 8월 13일(한국시간 오전 4시) 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림1] ATAD5 단백질과 UAF1-USP1 탈유비퀴틴화 효소에 의한 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화 조절이 유전체 안정성에 기여함
야생형 (WT) 혹은 UAF1-USP1에 결합하지 못하는 돌연변이 ATAD5를 가진 생쥐의 피부를 UV로 조사한 후, 피부세포에서의 DNA 손상 정도를 TUNEL 분석방법으로 확인하였다. 돌연변이 ATAD5 생쥐의 DNA 손상이 약 세 배 정도 높다.

[그림 2] ATAD5 단백질은 DNA에 결합한 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화를 촉진함.
ATAD5는 UAF1-USP1 탈유비퀴틴화 효소와 상호작용하여 DNA에 결합한 Ub-PCNA의 탈유비퀴틴화를 촉진한다. ATAD5는 PCNA를 DNA로부터 분리하는 PCNA의 탈장착 복합체의 주요인자기도 하며, Ub-PCNA의 DNA 분리와 탈유비퀴틴화를 동조화시킴으로써 핵질내에 Ub-PCNA가 부적절하게 쌓이지 않도록 한다.

1) ATAD5 : 4개의 단백질(RFC2,3,4,5)과 복합체를 형성하여 PCNA를 조절하는 복제 조절 단백질이다. 염색체 복제 후 기능을 다한 PCNA를 DNA로부터 떼어내는 PCNA 탈장착 복합체의 중요한 구성 단백질이다.

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