스파게티 가닥을 이용한 DNA 수리 기전

유전자 돌연변이가 어떻게 암을 유발하는지를 규명한 최근의 연구결과로 DNA 파손 수리의 메커니즘을 근본적으로 이해할 수 있게 되었다. 데이비스에 소재한 캘리포니아 대학 미생물학자인 니일 헌터는 스파게티를 모델로 이용해서 암을 유발하는 유전자 돌연변이를 설명하고 있다. 즉 DNA의 가닥이 스파게티와 유사하기 때문이다.

희귀한 유전질환인 블룸증후군 환자는 보통 20대에 암이 생긴다. 그 근본원인은 Blm이란 유전자의 돌연변이인데, Blm은 DNA의 가닥을 풀어내는 효소인 RecQ 계통의 한 가지인 헬리카제를 만드는 데 관여한다. 그리고 효소인 헬리카제는 DNA를 수리하는 데 관여한다.

효모의 DNA 파손 수리 시스템

헌터교수의 연구진은 헬리카제의 대응물인 효모의 SGS1을 연구해보았다. SGS1에 결함이 생기면 효모 염색체가 자기네들끼리 더 잘 결합해서 DNA가 파손된 것을 수리하려는 것을 발견했다. 정상적으로는 손상된 DNA를 수리하려면 온전한 염색체가 일종의 원판으로 이용되어 딱 들어맞는 염색체들이 자기네끼리 서로 결합을 해서 수리를 하게 된다.
즉 DNA 가닥들을 서로 맞바꾸어서 “홀리데이 합체”란 4가닥의 구조물을 형성하게 되고, 그 다음 단계에서 이 4가닥의 구조물이 원래 있던 염색체는 그대로 두거나 혹은 염색체 팔을 서로 맞교환해서 하나의 교차를 이루게 되어 수리가 완료된다.

효모나 인간의 세포는 둘 다 똑같이 염색체의 사본을 2개씩 가지고 있다. 즉 모세포에서 각각 1개씩 물려받아서 2개씩 가지고 있는 것이다. 또 세포가 분열하면 개개 염색체는 복사가 되고 그로인해 일시적으로는 사본이 각각 4개씩 존재하게 된다.

현재 생물학 교과서에는 손상된 DNA의 한쪽 끝만 “원판인 염색체”와 가닥을 서로 교환하고 다른 한쪽 끝은 수동적으로 가만히 기다리고 있는 것으로 묘사되고 있다. 그러나 이번의 연구결과로 양쪽 끝이 모두 독자적으로 “원판인 염색체”를 낚아챌 수 있는 것이 분명하게 밝혀졌다. 게다가 SGS1에 결함이 생기면 존재하는 4개의 상응하는 염색체들이 모두 서로 뒤엉켜서 복합적인 염색체의 “홀리데이 합체”가 형성되는 것도 밝혀졌다.

이런 DNA의 수리과정은 지금까지 생각해왔던 것보다는 훨씬 더 어수선하다. 그러나 손상된 DNA의 양쪽 끝이 모두 “원판인 염색체”와 가닥을 서로 교환할 수 있는 능력이 있기 때문에 수리과정이 더 효율적일 수가 있다. 그러나 이런 수리과정에는 위험부담이 더 커지는 결점이 있다.

즉 복합적인 염색체의 “홀리데이 합체”가 해소되면서 DNA 수리가 완료되지만 이 과정에 염색체를 재편해야 하는 위험성이 수반되고 그로 인해 DNA 덩어리가 자리를 잘못 잡을 수가 있다. 바로 이렇게 DNA가 자리를 잘못 잡게 되면 그로 인해 암이 생길 수가 있게 되는 것이다.

정상적인 상태에서는 SGS1과 블룸 단백질은 뒤엉킨 염색체를 분리해서 엉뚱하게 교차가 되는 것을 막을 수가 있다. 그러나 DNA에 손상이 생겼을 때 이를 수리하는 과정에 문제가 생기면 암이 생길 수가 있게 된다.

헌터교수에 의하면 이번의 실험은 효모를 대상으로 이루어졌지만 그 연구결과가 그대로 인간의 세포에도 적용될 수 있을 것이라고 한다. 즉 DNA 파손 수리 메커니즘의 기본적인 과정은 효모나 인간 세포나 마찬가지로 보고 있다.

참고로 “홀리데이 합체”란 “휴일의 교차로”에 비유해서 생각할 수 있다. 즉 휴일 날 사거리교차로에 자동차들이 뒤엉킨 것과 유사하고 그렇게 뒤엉킨 것이 풀리고 해소되는 것이 DNA 수리가 완료되는 것으로 볼 수가 있다.

출처:
S. D. Oh et al., “BLM Ortholog, Sgs1, Prevents Aberrant Crossing-over by Suppressing Formation of Multichromatid Joint Molecules”Cell, Vol 130, 259-272, 27 July 2007