세포가 DNA 복제 스트레스(DNA replication stress)를 해소하는 방법이 밝혀졌다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 유전체 항상성 연구단(단장 명경재) 이규영 연구위원팀은 ATAD5 단백질¹⁾이 DNA 복제 스트레스로 멈춰버린 DNA 복제가 다시 시작되도록 촉진함을 밝혔다.

DNA에는 모든 생명활동에 필요한 유전정보가 저장되어 있어, 세포는 DNA 복제를 통해 동일한 유전정보를 후대에 전달한다. 유전정보를 안정적으로 후대에 전달하기 위해서는 DNA를 오차 없이 복제하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 DNA를 구성하는 핵심물질인 뉴클레오티드²⁾와 복제를 조절하는 단백질이 안정적으로 공급될 필요가 있다. DNA 복제에 필요한 물질이 충분히 공급되지 않거나 세포가 유해물질에 노출되었을 때 DNA 복제가 멈추는 것을 ‘DNA 복제 스트레스’라고 한다. 사람이 스트레스를 해소하지 못하면 각종 질병에 취약해지는 것처럼 세포가 복제 스트레스를 적절히 해소하지 못하면 유전정보 안정성이 떨어지고 암 발생으로까지 이어질 수 있다.

유전체 항상성 연구단은 이전 연구를 통해 세포 내 ATAD5 단백질이 DNA 복제 조절에 관여하는 단백질임을 밝힌 바 있다. 이번 연구에서는 ATAD5 단백질이 복제 스트레스를 해소하면 중간에 멈춘 DNA 복제가 다시 시작되어 안정적으로 완료된다는 것을 규명했다.

연구진은 먼저 인간 세포 내 뉴클레오티드 양을 감소시켜 복제 스트레스를 가했다. 이후 옥신-유도 데그론 시스템³⁾과 siRNA⁴⁾를 도입하여 ATAD5 단백질 양을 줄였다. 복제 스트레스를 해소하면 DNA 복제가 재시작 되어야 한다. 하지만, ATAD5 단백질 양을 줄이면 복제 스트레스를 해소하더라도 DNA 복제가 재시작 되지 않았다. ATAD5 단백질이 DNA 복제 재시작에 중요하다는 것을 밝힌 것이다.

추가적으로 연구진은 DNA 복제 재시작에 있어 ATAD5 단백질의 분자생물학적 작동원리를 규명했다. 우선 면역침강법⁵⁾을 이용해 ATAD5 단백질이 RAD51 단백질⁶⁾과 단백질–단백질 상호작용함을 확인한 후, ATAD5 단백질이 결핍된 경우 RAD51 단백질이 복제가 멈춘 DNA쪽으로 접근하지 못함을 관찰했다. 이는 ATAD5 단백질이 RAD51 단백질과 상호작용하여, 복제 스트레스를 겪고 있는 DNA쪽으로 RAD51 단백질을 데리고 오는 방식으로 복제 재시작에 관여함을 의미한다.

복제 스트레스가 제대로 해소되지 않아, DNA 복제 재시작이 적절히 이뤄지지 않으면 암이 발생할 확률이 높아진다. ATAD5 단백질이 결핍된 생쥐에서 암이 발생하고, 다수의 암세포에서 ATAD5 단백질의 돌연변이가 발견되는 것으로 보아, ATAD5 단백질이 복제 스트레스 해소 작용을 통해 ‘암 억제 단백질’로서 기능함을 알 수 있다.

명경재 단장은“이번 연구로 ATAD5 단백질이 DNA 복제 조절뿐만 아니라 DNA 복제 스트레스 해소에도 관여한다는 새로운 사실을 밝혔다”며 암 발생의 주요 원인인 복제 스트레스를 조절하는 작동원리 규명을 통해, 향후 암 치료제 연구 및 개발로 나아갈 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878) 12월 16일 19시(한국시간) 온라인 판에 게재됐다.

그림설명

▲ 그림 1. 복제 스트레스 상황에서 ATAD5 결핍 시 복제 재시작이 줄어든다.복제 중인 DNA를 Cl-dU(녹색)로 라벨하고 히드록시우레아(Hydroxyurea, HU) 처리를 통해 복제 스트레스를 가하면 복제 재시작을 나타내는 I-dU(빨간색) 라벨이 감소한다. ATAD5를 줄인 경우에는 복제 중지(흰색 별)가 증가한다.

▲ 그림 2. DNA 복제 스트레스(DNA replication stress) 상황에서 ATAD5 단백질의 복제 재시작 조절 메커니즘복제 스트레스에 의해 복제가 중지되면 ATAD5는 i) 우선 복제 스트레스를 받는 DNA 부위에서 PCNA를 떼어내고, 동시에 ii) 동시에 단백질 상호작용을 통해 RAD51 단백질을 소집한다. iii) RAD51 단백질은 DNA를 결합하며 DNA를 안정적인 구조로 변화시킨다. iv) 이후 MUS81/SLX4을 통해 DNA 절단 및 재조합이 일어나며 v) DNA 복제가 재시작 된다. 이처럼 ATAD5 단백질은 복제 스트레스를 겪는 DNA를 안정적으로 유지하고, 복제가 잘 마무리 되도록 한다.

▲ 그림 3. 이번 연구에 참여한 유전체 항상성 연구단 주요 연구진들.왼쪽부터 이규영 박사(공동교신저자), 황선영 연구원, 이은아 연구원, 박수형 박사(제1저자), 강나래 연구원, 라재선 연구원, 명경재 단장(공동교신저자).