보도자료

2017. 04. 11. (화) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

^*이 보도자료는 IBS 대외협력팀 주관으로 배포됐음을 알려드립니다.

노화 막는 세포 다이어트, DNA 복구 단백질(SHPRH)이 열쇠

IBS, SHPRH이 리보솜의 단백질 생산 조절하는 과정 밝혀

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 유전체 항상성 연구단 명경재 단장(UNIST 생명과학부 특훈교수)연구팀은 세포에서 단백질 생산을 줄여 건강한 다이어트를 수행하는 SHPRH 단백질¹⁾의 새로운 기능을 밝히는 데 성공했다. SHPRH 단백질은 DNA 손상을 복구하는 단백질로 알려져 있는데, 이번 연구를 통해 DNA 손상이 없는 때에는 전반적인 단백질 생산을 줄이는 세포 다이어트에 관여해 항노화‧항암 효과를 발휘하는 것으로 밝혀졌다.

¹⁾SHPRH 단백질(SNF2 histone linker PHD RING helicase): SHPRH는 효모의 Rad5 단백질에 대한 상동 단백질로, UV에 의한 DNA 손상을 치료하는 역할을 수행한다. 특히 SHPRH는 PHD domain을 가지고 있어서, 후생유전학적인 조절에 관여할 수 있다.

기존 연구에서 세포는 영양분이 부족한 경우, 엠토(mTOR)²⁾라는 인산화 효소를 이용해 단백질 생산을 줄이는 다이어트를 한다고 알려져 있다. 세포의 이와 같은 다이어트는 단백질 합성 공장인 리보솜의 DNA(rDNA) 전사(transcription)를 억제하는 방식으로 이루어진다. 다이어트 목적은 노화나 암과 같은 질병이 진행되지 않도록 대사를 조절하는 데 있다. 단식을 하거나 소식을 하면 건강에 좋다는 연구 결과들은 이러한 엠토 메커니즘을 기반으로 한다.

²⁾mTOR(mammalian Target Of Rapamycin): 포유동물에 존재하는 세린/트리오닌 단백질 인산화효소로써, 세포의 성장, 증식, 운동성, 생존, 단백질 합성, 전사를 조절한다. 또한, 엠토는 세포의 영양과 에너지 수준, 산화환원상태를 감지한다. 특히 암과 같은 질병에서 엠토 경로의 조절이 제대로 일어나지 않는 것을 발견할 수 있다. 엠토는 유기화합물인 라파마이신(rapamycin)의 세포 내 표적 단백질로, 라파마이신에 의해 억제된다. 본 연구에서도 엠토의 신호 기작을 억제하기 위해 라파마이신을 세포에 처리했다.

그러나 엠토 메커니즘은 항노화나 항암효과를 갖는 것으로 알려져 있을 뿐, 여기에 작용하는 단백질이나 구체적인 리보솜 DNA의 전사 억제메커니즘이 정확하게 알려지지 않았다. 특히 리보솜 DNA를 RNA로 전사하는 RNA 중합효소³)가 어떻게 전사 대상이 되는 DNA를 인식하는지에 대해서도 알려진 바가 없었다.

³⁾ RNA 중합효소(RNA polymerase): DNA를 주형으로 RNA를 합성하는 효소이다. 이 과정을 전사(transcript)라고 한다. RNA 중합효소는 유전자에 있는 프로모터(promoter)라는 특수한 DNA 염기서열에 결합하여 전사를 시작한다. 원핵세포에는 한 종류의 RNA 중합효소가 있으나, 진핵세포에는 세 종류(RNA중합효소Ⅰ, Ⅱ ,Ⅲ)의 RNA중합효소가 있다. 본 연구에서 SHPRH 단백질이 직접 결합하는 RNA 중합효소는 RNA중합효소 I을 말한다. RNA중합효소 I은 핵인(nucleolus)에 존재하며, 리보솜 RNA 유전자를 특이적으로 전사, 리보솜 RNA 전구체를 형성한다.

연구진은 이번 연구에서 RNA 중합효소가 DNA를 인식하도록 하는 데 SHPRH 단백질이 작용함을 새롭게 밝혔다. 세포 내 리보솜이 합성되는 곳인 핵인(nucleolus)을 염색해 SHPRH 단백질이 이곳에 위치할 수 있음을 확인하였으며, 추가 실험으로 이 단백질이 RNA 중합효소가 결합하는 리보솜 DNA의 프로모터⁴⁾ 부위에 많이 존재하는 것을 관찰했다. 또한, 엠토 효소를 억제하는 물질을 세포에 처리하자, DNA 프로모터에 결합한 SHPRH 단백질의 양이 감소하는 것을 확인했다. 종합하면, SHPRH 단백질은 엠토 효소를 이용해 DNA의 프로모터 부위에 결합하고, RNA 중합효소 복합체와 직접 결합, RNA 중합효소가 DNA를 인식하도록 도와 리보솜 DNA의 전사를 조절한다.

⁴⁾DNA 프로모터(DNA Promoter): 프로모터는 전사조절인자들이 결합하는 모든 DNA염기서열부위를 지칭하는데, 일반적으로는 전사를 조절할 대상이 되는 유전자의 유전정보를 지니고 있는 DNA염기서열 앞부분에 위치한다. 진핵생물에서는 전사조절인자(transcription factor)라고 하는 단백질들이 프로모터부분에 결합함으로써 RNA중합효소를 프로모터 부위로 끌고 오는 일에 관여한다.

또한, 정상 조건의 세포와 영양분이 부족한 세포의 SHPRH 단백질 분포 양상을 비교한 결과, 영양분이 충분한 경우에는 SHPRH 단백질이 리보솜 DNA 프로모터에 포진해있는 데 반해 영양분이 부족한 경우에는 서로 응집해 집합체를 형성하는 것을 관찰했다(그림 2 참조). 이렇게 형성된 SHPRH 단백질 집합체는 RNA 중합효소와 결합할 수 없어 리보솜 DNA의 전사과정이 억제된다. SHPRH 단백질은 세포의 영양 상태와 같은 외부환경의 변화에 따라 세포 내 분포도를 바꿔 단백질 생산을 조절한다고 볼 수 있다.

명경재 IBS 유전체 항상성 연구단장은 “SHPRH가 세포 다이어트를 조절함을 밝힘으로써 개별 세포 단위에서 이루어지는 항노화 메커니즘 규명에 한발 더 다가섰다”며, “DNA 손상이 없을 경우에는 다른 기능을 수행할 것이라 추측했던 SHPRH 단백질의 리보솜 DNA 전사 조절 기능을 발견했다는 데 의의가 있다”고 말했다. 이번 연구결과는 국제 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS, IF=9.423) 온라인판에 미국 동부시간으로 4월 11일에 게재됐다.

자료문의

IBS 유전체 항상성 연구단 명경재 단장 (052-217-5323) / 교신저자

IBS 유전체 항상성 연구단 박준홍 연구위원 (052-217-5532) / 공동저자

[붙임] 연구 추가 설명

논문명	SHPRH regulates rRNA transcription by recognizing the histone code in an mTOR-deopendent manner (PNAS, *online published*)
저자정보	Deokjae Lee, Jungeun An, Young-Un Park, Hungjiun Liaw, Roger Woodgate, Jun Hong Park, and Kyungjae Myung
연구내용 보충설명	DNA 손상 복구 참여 단백질이 DNA 손상이 없을 경우에는 다른 기능을 수행할 것이라는 추측이 많았는데, 이번 연구를 통해 SHPRH 단백질이 DNA 손상 복구 외에도 세포 내에서 리보솜의 DNA 전사를 조절하는 다른 기능을 수행하고 있다는 것을 밝힌 중요한 연구 RNA 중합효소 I은 리보솜 DNA의 전사를 담당하고, 엠토(mTOR)는 리보솜 구성 단백질의 합성이나 RNA 중합효소 I의 작용을 조절함으로써 리보솜 DNA의 전사를 활성화하는 역할을 수행 SHPRH 단백질은 RNA 중합효소 I 복합체에 직접 결합하고 엠토(mTOR)를 이용하여 DNA 히스톤 단백질 중 하나인 H3에 결합함으로써 리보솜 DNA(rDNA)의 전사를 조절한다는 것이 이 연구를 통해 밝혀짐
기타사항	[연구배경] DNA 복구 기전 단백질들이 DNA 상해가 없을 때, 세포안에서 특수한 기능을 담당할 거라는 추측이 많이 있었는데 이러한 기능을 밝히기 위해 실험을 시작했다. [어려웠던 점] RNA polymerase1은 rDNA의 전사를 담당하고 mTOR은 리보솜의 구성 단백질들의 합성이나 RNA polymerase1의 작용을 조절함으로써 rDNA의 전사를 활성화하는 역할을 한다. 하지만 RNA polymerase 1이 rDNA의 전사에 작용함이 명백함에도 이 단백질이 어떻게 전사할 rDNA를 인식하여 작용할 수 있는지는 알려져 있지 않아 많은 실험이 필요했다. [성과 차별점] 연구진은 SHPRH가 rDNA의 프로모터에 많이 존재하는 것을 확인했고 mTOR신호 기작을 억제하는 라파마이신(rapamycin)을 처리했을 때 DNA 프로모터에 결합한 SHPRH의 양이 감소함을 확인했다. 염색체는 DNA와 히스톤 단백질로 구성되어 있는데, 이들의 변형은 DNA 전사 여부를 결정한다. SHPRH 단백질은 RNA polymerase 1 복합체에 직접 결합하고 mTOR를 이용하여 히스톤 단백질(특히 히스톤 단백질 중 하나인 H3)에 결합함으로써 rDNA의 전사를 조절한다는 것이 이 연구를 통해 밝혀졌다. [향후 연구계획] SHPRH가 생체 내에서는 어떻게 작용하는지 생체모델동물을 이용하여 실험을 계속할 예정이다.

[붙임] 그림 설명

[그림 1] 정상-영양분 부족 상태의 세포내 SHPRH 단백질 분포 비교

연구진은 세포의 핵과 리보솜이 합성되는 곳인 핵인을 염색해 SHPRH 단백질의 핵 내 위치를 확인했다. DNA 염색에 쓰이는 DAPI로 파랗게 염색된 부분은 세포의 핵이고, 피브릴라린(Fibrillarin)으로 빨갛게 염색된 부분은 핵인이다. 세포의 영양이 정상인 상태일 때, SHPRH는 세포 핵 내에 전반적으로 분포하고 있으나 영양분이 부족한 상태가 되면, 서로 응집해 집합체를 형성, 두 번째 행의 첫 번째 열 이미지와 같이 녹색 점이 두드러진다. 결과적으로 염색 이미지들을 겹쳐보면, 정상 상태의 세포에 비해 영양분 부족 상태의 세포에서 SHPRH 단백질이 핵인 내에 집합체를 형성하고 있음을 알 수 있다. SHPRH 단백질이 이와 같이 집합체를 형성하면, 리보솜 DNA 전사가 억제된다.

[그림 2] SHPRH 단백질 집합체 형성에 따른 rRNA 전사 조절

세포가 영양분이 충분한 경우에는 SHPRH 단백질은 리보솜의 DNA 프로모터에 포진돼 있다. 이 단백질은 엠토 효소를 이용해 DNA 프로모터에 결합하고, SHPRH단백질에 RNA 중합효소가 직접 결합, 리보솜 DNA의 전사가 진행된다. 그러나 세포가 영양분이 부족한 경우에는 SHPRH 단백질이 서로 응집해 집합체를 형성한다. 이렇게 형성된 SHPRH 단백질 집합체는 RNA 중합효소와 결합할 수 없어 리보솜 DNA의 전사과정이 억제된다. 즉, 단백질 합성 공장인 리보솜의 생성이 억제되면서 단백질 생산량이 줄어들게 된다.

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