암의 근본원인이 되는 유전체 돌연변이의 발생 메커니즘이 규명됐다. 기초과학연구원(IBS) 유전체 항상성 연구단은 던디 대학, 유럽 분자생물 연구소(EMBL), 영국 웰컴 생어 연구소와의 공동연구로 발암 물질로 인한 DNA 손상과 함께 DNA 복구 메커니즘이 돌연변이 발생 양상을 결정함을 밝혔다. 이는 암 발생과정 이해의 이론적 토대를 마련한 것으로, 새로운 암 치료법 개발 가능성을 제시하였다.

DNA에는 모든 생명활동에 필요한 유전정보가 저장되어 있어 이를 잘 보존하는 것이 중요하다. 그러나 DNA는 자외선, 화학물질, 방사능 등 여러 외부 자극에 지속적으로 노출되어 각기 다른 방식으로 손상된다. 이에 대응하여 우리 몸은 망가진 DNA를 고치려는 DNA 복구(DNA Repair)전략을 사용한다. 그러나 DNA 복구에 문제가 생기면 돌연변이가 세포에 축적될 수 있고, 이는 암을 유발하는 근본원인이 된다.

▲ 영화 시리즈의 미스틱은 자기 몸의 원자와 분자를 변형시켜 다른 사람과 똑같이 변신하는 돌연변이 능력을 갖고 있다. 그러나 영화는 영화일 뿐, DNA 복구기능에 문제가 생겨 돌연변이가 쌓이면 암, 유전적 장애와 같은 치명적인 문제가 발생한다. (출처 : 영화)

돌연변이는 DNA 염기서열의 변화, 일부 서열의 손실 등 다양한 양상으로 일어나는데 이를 ‘돌연변이 시그니처(Mutational Signature)’라고 한다. 담배의 니코틴, 타르 성분이 DNA를 손상시킨다고 반드시 폐암을 일으키지는 않듯, 돌연변이 시그니처는 DNA 손상물질 외에도 여러 요인이 작용하여 결정된다고 알려졌지만 정확한 기작은 밝혀지지 않았다.

연구진은 실험과 분석을 통해 돌연변이 시그니처 양상을 결정하는 메커니즘을 밝혀냈다. 우선 DNA 변이를 결정짓는 유전적 요소를 찾고자 전체 게놈 시퀀싱을 이용해 예쁜꼬마선충 2,700여 마리의 유전체를 대대적으로 분석하였다.

▲ 예쁜 꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 우아한 움직임 (출처 : Bio-Rad Laboratories)선형동물의 일종으로 몸길이는 약 1mm정도다. 예쁜꼬마선충은 배양하기 쉽고 냉동보관 할 수 있으며, 발생 단계가 비교적 단순하다는 장점이 있어 실험동물로 널리 사용된다.

우선 12가지 DNA 독성물질을 150가지 조합으로 제작한 뒤, 이를 다양한 DNA 복구 기능에 결함이 있는 여러 꼬마선충에 노출시켰다. 분석 결과, 연구진은 DNA 손상물질의 종류와 함께 DNA 복구 기능이 돌연변이 시그니처 양상을 결정함을 규명했다. 가령, 예쁜꼬마선충을 아플라톡신(간암을 일으키는 독성물질)에 노출시킨 경우 염기인 시토신(C)이 티민(T)으로 치환되지만, 감마선에 노출되면 티민(T)이 아데닌(A)이나 시토신(C)으로 치환되는 등 다양한 돌연변이가 일어났다. 또 같은 손상물질에 노출되더라도 DNA 복구 기능에 결함이 있으면, 정상인 경우에 비해 돌연변이 시그니처 발생이 급격히 증가했다.

▲ DNA 손상물질 종류에 따라 생성되는 돌연변이 시그니처 양상DNA 손상물질의 종류에 따라 각기 다른 돌연변이 시그니처가 일어남을 알 수 있다. 예를 들어 아플라톡신에 노출되는 경우 C>T 염기치환(시토신(C)에서 티민(T)으로의 염기 서열 변화)가 일어나는 반면, 감마선에 노출되면 T>A, T>C 변화 등 다양한 종류의 돌연변이가 생겨날 수 있다.

▲ 정상 예쁜꼬마선충과 손상된 DNA 복구기능을 가진 예쁜꼬마선충에 DNA 독성 물질을 노출시켜 비교한 결과연구진은 정상 예쁜꼬마선충(위)과 DNA 복제과정에서 중요한 역할을 하는 Polk DNA 복구 기능에 결함이 있는 예쁜꼬마선충(아래)에 독성물질 MMS(메틸-메탄 술폰산염)을 노출시켰다. 그 결과 DNA 복구 기능에 문제가 있는 꼬마선충에서 T>A 염기치환이 30배 증가했다. DNA 손상 요인의 종류 뿐 아니라 DNA 복구 기능이 돌연변이 발생에 중요한 요인이라는 의미다.

돌연변이 시그니처는 암 발생의 근본적인 과정을 이해하고, 개인 맞춤형 암 치료법을 개발할 실마리가 될 수 있다. 돌연변이 시그니처를 분석하면, 어떤 물질로 인해 암이 유발됐는지, 어떤 DNA 복구 기능이 손상되었는지 알아낼 수 있기 때문이다.

안톤 가트너 부연구단장은 “이번 연구로 암의 근본원인인 돌연변이의 종류를 결정하는 원리를 밝혔다”며 “향후 암 진단 및 치료법 개발에 새로운 이정표가 될 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구성과는 국제 학술지 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878) 5월 1일 온라인 판에 게재됐다.

(※논문 명: Mutational signatures are jointly shaped by DNA damage and repair)

IBS 커뮤니케이션팀
박유진