우리 몸의 세포는 활성산소와 같은 대사 부산물들의 공격이나 자외선, 방사선 등 외부 환경에 의해 손상된 DNA를 스스로 복구한다. 뉴클리오티드 절제 복구(Nucleotide excision repair, NER)는 자외선 등에 의한 DNA 손상을 제거하여, DNA를 복구하는 대표적인 복구 과정이다. 이 복구 과정에 결함이 있는 사람은 자외선으로 손상된 DNA를 복구하지 못해 색소건피증이 나타날 수 있으며, 색소건피증 환자는 정상인에 비해 피부암이 발생할 확률이 1,000~2,000배나 높다.

과학기술정보통신부 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 유전체 항상성 연구단(단장 명경재) 올란도 쉐러(Orlando D. Schärer) 부연구단장 연구팀은 세포 내 색소건피증 단백질 A(Xeroderma pigmentosum A, XPA)과 복제 단백질 A(Replication protein A, RPA)의 상호작용이 NER 과정에서 DNA를 복구하는 단백질 집합체 형성에 중요하다는 것을 밝혔다.

NER은 30개 이상의 단백질이 관여하는 매우 복잡하고 역동적인 DNA 복구 기작이며, 이 과정은 단백질-단백질 및 단백질-DNA 상호작용에 의해 유도된다. DNA에 손상이 일어나면 세포 내 DNA 회복에 관련된 단백질들에 의해 손상을 인식하고, 손상이 인식된 DNA 부위는 곧바로 수리를 담당하는 단백질 복합체에 의해 회복에 들어간다. 단백질 복합체는 손상부위의 DNA 양 가닥을 벌어지게 한 뒤 손상된 DNA를 포함한 한쪽 가닥을 절개하여 제거한다. 제거된 부분은 나머지 DNA 한 가닥을 주형으로 새롭게 합성되어 채워진다.

연구팀은 여러 복구 단백질 중 XPA와 RPA가 NER 과정에서 절개 전 NER 복합체 형성에 필수적이고, XPA가 RPA와 결합하는 두 범위(RPA 단백질의 32 서브유닛과 70 서브유닛)의 상호작용에 따라 각기 다른 역할을 수행하는 것을 밝혔다. XPA가 RPA32와 복합체 주변부에서 결합하여 상호작용함으로써 DNA 손상 초기에 복구 단백질이 손상 부위에 결집하는 것을 가능하게 한다. 한편, XPA는 RPA70과 복합체 중심부에 결합하고, 이 둘의 상호작용은 손상된 DNA 제거를 위해 벌어진 가닥을 안정화하고, 벌어진 DNA 가닥을 가깝게 구부려 U자형으로 만든다. 이는 손상된 DNA 절개를 수행하는 단백질들이 복합체에 자리 잡는 것을 돕고, 손상된 DNA의 두 절개 부위를 근접하게 위치시켜 절개 반응을 유도한다.

연구팀은 XPA-RPA-DNA 복합체의 구조적 연구를 통해 두 단백질의 상호작용이 어떻게 NER 복합체를 형성하고 손상 제거를 촉발하는지 밝혔다. 이러한 NER 과정은 손상된 DNA를 복구하여 종양 형성을 억제할 뿐만 아니라 항암치료에도 중요한 역할을 수행한다. 시스플라틴과 같은 많은 항암제들이 DNA 손상을 일으키기 때문이다. 이 때 손상된 DNA가 NER 과정으로 복구되어, NER은 암 치료 결과를 개선하기 위한 치료제의 주요 표적으로 주목받고 있다.

올란도 쉐러 부연구단장은 “이번 연구로 XPA와 RPA의 상호작용을 통해 NER 복합체의 형성과 작용 기작을 보여주었다”며, “이 상호작용의 중단으로 NER이 억제되는 것을 밝혀냈다”고 전했다. 또한, “두 단백질의 상호작용에 대한 연구결과는 암 치료 효과 개선을 위한 후속 연구의 청사진을 제공했다”고 밝혔다.

연구성과는 세계적 학술지 미국국립과학원회보(PNAS, IF 11.205)에 8월 15일 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림 1] NER에서 XPA-RPA32 및 XPA-RPA70 상호작용의 구별되는 역할
세포에 자외선을 조사하고 30분, 4시간의 회복시간 후 자외선 손상 부위와 함께 XPA 단백질을 형광 현미경으로 시각화하였다. DNA 손상은 빨간색 화살표로 표시되고, 손상된 DNA에 XPA의 결합은 노란색 화살표로 표시된다. 정상세포(WT-XPA)에서는 자외선에 의한 손상 초기(30분)에 손상 부위에 XPA가 결합하고(노란색 화살표), 4시간 후 NER 과정이 진행된 뒤에는 DNA 손상과 결합해 있지 않았다(빨간색 화살표). 그러나 XPA-RPA32 돌연변이 세포(M32-4)에서는 XPA가 결합하지 못해 DNA의 손상(빨간 화살표)만 탐지할 수 있다. 반면, XPA-RPA70 돌연변이 세포(M70-6)에서 XPA가 손상된 부위에 4시간이 후에도 오랜 시간 결합을 유지했다. 이는 XPA가 결합된 후 다음 과정이 처리되지 않는다는 것을 보여준다. 따라서, XPA와 RPA32의 상호작용은 DNA 손상과 XPA의 결합에 중요한 반면, XPA와 RPA70의 상호작용은 NER의 완성에 중요하다.

[그림 2] NER 복합체의 구조
XPA와 RPA32는 상호작용 부위는 복합체 주변에 위치하고, XPA는 RPA70과 상호작용 부위는 NER 복합체의 중심에 있다. XPA와 RPA32는 사이의 상호작용은 DNA 손상 초기 손상 부위에 복구 단백질이 조립되는 것을 용이하게 하고, XPA와 RPA70 사이의 상호작용은 절개 전 복합체를 안정화하고, DNA 손상을 제거하기 위해 복합체의 활성 형태로 보이는 U자형으로 DNA를 수축시킨다.

[사진 1] 이번 연구를 이끈 IBS 유전체 항상성 연구단 연구진들.
위 Orlando D. Schärer 부연구단장(교신저자), 아래 좌측부터 정은우 연구원, 김현숙 선임연구기술원(제 2저자), 김미현 학생연구원(제1 저자)