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사람 DNA 복제의 ‘결정적 과정’ 최초로 가시화시켜

DNA 복제에 관련하는 중합효소와 다른 부속단백질이 결합하면
활성이 최적화되는 형태 관찰

사람 DNA 복제의 ‘결정적 과정’ 최초로 가시화시켜

미국 펜실베이니아 주립대학의 연구자들이 처음으로 사람 DNA 복제의 포착하기 어려운 결정적 과정을 가시화 시켰다. 펜주립대학의 화학과 석좌교수이며 이 논문의 책임저자인 스테판 벤코빅 교수와 연구자들은 사람 DNA 복제의 중요한 과정이 어떻게 구성되는지를 발견하였는데, 이 결과는 오픈저널인 eLife(공익적 의학연구로 유명한 영국 웰컴재단이 발행) 4월 2일자에 발표되었다.

사람 몸 약 60조 세포

사람의 몸은 약 60조의 세포로 이루어져 있다. 하늘의 별 수 만큼 어마어마한 수로 구성되어 옛 사람들의 말씀 대로 인체를 소우주라고 부를 만 하다. 각 세포의 몇 마이크론 크기의 핵 내에는 세포분열, 신호전달, 영양의 중심인 유전체(게놈, genome)가 있고, 게놈은 23개 염색체(반수체, haploid)로 30억 개의 염기서열로 이루어져 있고, 가장 이상적 방법으로 핵 안에 치밀하게 겹쳐져 있다. 유전형질과 유전자, DNA가 후손에 전달되는 과정은 복제(replication)이며, 단백질 합성 등 표현형질을 나타내는 과정은 RNA의 전사(transcription) 과정을 거친다. 초등학교에서부터 누구나 배우는 생물학적 지식이고, 세포는 세포분열을 통해서만 다음 세포로 유전형질이 복제되는 건 두말할 필요가 없지만 이 과정이 구체적으로 어떤 형태를 취하면서 일어나는지는 1994년 이전에는 형태학적으로 밝혀진 바 없었으며, 보다 확실하게는 20년이 지난 올해 2013년에 이르러서 상세한 형태를 알게 되었다.

▶ PCNA trimer(3량체, 중합체)가 적색 코일의 DNA 나선구조를 둘러싸며 복제를 하는 모식도(Cell, 1994).

▶ 스테판 벤코빅을 비롯한 벤코빅 연구팀이 DNA 복제 동안 clamp loader 효소의 중요성을 연구하였다. 이 모식도에서 clamp loader(가운데의 손)가 clamp(PCNA, 황색 원형 밴드)를 DNA 이중 나선구조(적색, 청색)에 올려 놓는 형태이다.

DNA 복제 과정 단순하지 않아

이와 같이 DNA 가 복제되는 과정이 단순히 이중 나선구조가 helicase에 의해 분리되고 single strand binding protein, DNA polymerase(중합효소), topoisomerase, helicase, primase 등 효소의 연결로 이루어지는 것이 아니다. DNA의 primer와 template 사이에 sliding clamp단백질인 PCNA(proliferating cell nuclear Antigen, 증식세포핵 항원)를 끼워 넣어야 하고, clamp loading protein(RPC)과 결합하여야만 이중 나선구조에 끼워지게 된다. 이후 운반체인 RPC는 분리되고 DNA 중합효소 등에 의해 PCNA는 DNA 복제를 시작하게 된다. 20년 전인 1994년 Krishna 등은 Cell 지(79:1233-1243)에 이과정의 결정구조 및 모식도를 제시한 바 있었다.

그러나 구체적으로 가시화된 형태를 보여준 것은 이번 연구가 최초이다.


벤코빅 연구팀의 박사후 연구원인 메리 헤글린은 sliding clamp는 손목시계줄처럼 DNA를 둘러싸는 단백질로, 이sliding clamp가 없으면 DNA 중합효소는 염기를 카피할 수 없다. 이 clamp에 중합효소가 안치되면 비로서 중합효소가 수 천 개의 염기를 복사해낸다. Clamp 즉 PCNA는 원형의 막힌 구조이기 때문에 DNA 나선 가닥에 올리기 위해서 clamp loader인 RFC(replication factor C)가 있어야만 한다. 그러나 어떤 방법으로 clamp와 clamp loader 가 상호작용하고, clamp 가 DNA와 결합하거나 분리되는 시기는 항상 의문인 채로 남아 있었다. 중합효소와 clamp loader 가 동시에 sliding clamp에 결합하지는 않는다.

따라서 loader 가 sliding clamp를 DNA에 결합시킨 후 떠나 있다가 DNA중합효소가 작용을 끝낸 다음 재사용하기 위하여 clamp를 분리하기 위하여 돌아온다는 가설을 세웠다.

이와 같은 가설을 검정하기 위하여 연구자들은 Förster resonance energy transfer (FRET) 라는 기술을 사용하여 단백질과 DNA에 형광물질을 부착시켰다. 적절한 위치에 부착시켜서 완전효소(전효소, holoenzyme) 형성 즉 DNA 복제에 관련하는 중합효소와 다른 부속단백질이 결합하면 활성이 최적화되는 형태를 관찰하였다.

DNA중합효소 결합 작용

연구결과 중합효소가 없을 경우 DNA 줄기에 sliding clamp가 올려질 때 마다 clamp loader가 clamp를 제거하여 단독으로 DNA에 결합되지 않게 하였다. 그러나 중합효소가 있는 경우에는 sliding clamp를 잡아들이고, clamp loader는 DNA 줄기로부터 분리시킴을 발견하였다. 아울러 clamp loader와 clamp가 모두 DNA에 결합할 때는 서로 밀접하게 결합되지 않는 점을 관찰하였다. 오히려 loader가 clamp를 DNA에 넘겨주어 중합효소가 clamp를 붙잡을 수 있도록 허용하여 전효소가 완성되고, 그 다음 clamp loader가 DNA로부터 분리되었다.

▶ 사람 DNA polymerase holoenzyme 의 단계적 조합과정.

(1)clamp loader인 RFC•ATP 가clamp인 PCNA와 결합하여 DNA에 접촉한다. (2) PCNA · RFC · ATP complex 가 이중 나선 DNA와 결합한다. (3)홈이 파인 스크류캡 배열을 한다. (4)RFC가 ATP를 가수분해하여 PCNA 반지가 닫히고 DNA에 끼워진다. (5)중합효소가 없는 경우에는 PCNA는 DNA결합 RFC로부터 분리될 수 없으며, RFC에 의해 다시 수용상태로 바뀐다. (6)ADP를 버리고 ATP가 되면서 PCNA를 방출시키고, 사이클이 반복된다. (7) DNA 중합효소가 있는 경우에는 중합효소가 DNA 결합 RFC로부터 PCNA를 붙잡고(캡쳐), (8) 그 다음에 RFC는 분리되고, 기능적 완전효소인 중합효소와 PCNA가 DNA 합성을 시작하고 완료되면 핵분열이 완성된다.

Clamp 재활용 방법 제공

이 연구는 DNA 중합효소 전효소는 오로지 clamp와 DNA polymerase로 이루어지며, clamp loader는 전효소의 구성성분이 아니고, 중합효소가 clamp를 결합한 후 clamp loader는 DNA로부터 분리된다는 점을 입증하였다. 벤코빅 교수는 이 기전이 세포가 복제에 사용하지 않는 부족한 clamp를 재활용하는 방법을 제공한다고 설명하였다.
[사이언스데일리 2013.3]

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