향후 유전체 조작기술에 새로운 발판을 마련할 것으로 기대되는 효소의 작동원리가 밝혀졌다. 이 효소는 결합한 금속 보조인자의 종류에 따라 분해할 하나의 유전 물질을 선택하게 되는데, 서로 다른 유전 물질인 DNA와 RNA를 모두 분해할 수 있기에 주목을 받고 있다.
UNIST 생명과학부 이창욱 교수팀과 서울대학교 화학과 이현우 교수팀은 DNA와 RNA 둘 다 분해할 수 있는 핵산 외부 가수분해 효소인 EXD2(3’-5’ EXonuclease Domain containing protein 2)의 작동 원리를 규명했다. 고해상도 3차원 구조를 통해 EXD2에 결합한 금속 보조인자의 종류에 따라 분해하게 될 DNA나 RNA가 선택된다는 것을 확인했다.
DNA는 내외부 요인으로 인해 손상을 입게 되면 세포 스스로 그 손상을 인지해 교정하는 수선 기능(DNA repair)을 가지는데, 이때 사용되는 효소들 중 하나가 이번 연구에 사용된 EXD2이다. EXD2는 DNA 이중 가닥 둘 다 절단, 분해하는 양 가닥 절단(double-stand break)에 관여한다고 알려졌는데, 그 위치가 DNA가 있는 세포핵이 아니라 세포핵 외부에 있는 ‘미토콘드리아’라는 가능성이 나오면서 그 위치와 기능에 관해 연구할 필요성이 제기됐다.
X선 회절법으로 규명한 EXD2 단백질의 고해상도 3차원 구조
이창욱-이현우 교수팀은 APEX2(Ascrobate PEroXidase) 단백질을 이용한 전자현미경 분석법과 근접 표지법(proximity labeling)을 통해 EXD2의 위치를 찾았고, EXD2는 DNA가 포함된 세포핵이 아닌 미토콘드리아 외막에 존재하는 막단백질로 밝혀졌다.
EXD2의 구조를 분석하기 위해서 X선 회절 분석법을 이용했다. 그 결과, EXD2는 동일 분자 두 개가 중합된 동형이량체(同形二量體, homodimer)로 밝혀졌으며, 이 구조로 인해 효소 활성 부위가 완성되어 DNA와 RNA를 모두 분해하는 것이 가능하게 된다.
이량체 형성과 추가적인 C-말단으로 인해 생긴 금속 특이성과 기질 선택성
EXD2 효소가 활성화 될 때 주변에 ‘C 말단의 나선 구조와 루프(C-segment)’가 추가된다. 그러면서 공간적 제약이 생기면서 DNA를 분해할 때는 망간만, RNA를 분해할 때는 망간과 마그네슘만 결합할 수 있다. 이는 다른 핵산 외부 가수분해 효소와는 다르게 EXD2 단백질 효소가 특정 금속에만 활성을 띄는 금속 특이성을 가지고 있는 것을 확인한 것이다. 즉, C-말단 루프 구조를 제거한 돌연변이를 이용하면 공간적 제약이 없이 다양한 금속이 결합해 비특이적으로 두 종류의 유전물질을 다 분해할 수 있다는 걸 밝혔다.
C-말단 루프 구조로 인한 공간적 제약이 EXD2 단백질의 금속 특이성을 유도한다는 것이 밝혀졌다.
이창욱 교수는 “EXD2가 다른 핵산 외부 가수분해 효소들과 다르게 금속에 따라 DNA와 RNA를 모두 분해할 수 있는 원리를 밝혀낸 중요한 연구”라며 “EXD2과 결합하는 금속 특이성에 따른 유전물질 선택 원리를 이용하면, 특정 유전물질만 선택적으로 분해할 수 있는 유전체 조작 기술의 새로운 발판이 될 것”이라고 기대했다.
이번 연구 결과는 영국 옥스퍼드대학 출판사에서 발행하는 국제적인 생물학 저널 ‘뉴클레익 에시드 리서치(Nucleic Acids Research, IF: 11.56)’ 5월 25 일자 온라인판에 게재됐다.
(논문명: The structure of human EXD2 reveals a chimeric 3´ to 5´ exonuclease domain that discriminates substrates via metal coordination)
