보도자료

2019. 06. 06 (목) 조간
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DNA 자를까 RNA 자를까, 금속으로 결정하는 신기한 효소

이창욱(UNIST)-이현우(서울대) 교수팀, 핵산 말단 가수분해 효소 구조 규명
금속 보조인자에 따른 유전물질 선택과 분해 기작 밝혀… NAR 논문 발표

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.

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UNIST(총장 정무영) 생명과학부 이창욱 교수팀과 서울대학교(총장 오세정) 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.

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.

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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.

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.

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. (끝)

(논문명: The structure of human EXD2 reveals a chimeric 3´ to 5´ exonuclease domain that discriminates substrates via metal coordination)

자료문의

대외협력팀: 장준용 팀장, 정윤조 담당 (052)217-1232

생명과학부: 이창욱 교수 (052)217-2543

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

세포에서 유전자 정보를 담고 있는 디옥시리보핵산(DeoxyriboNucleic Acid, DNA)의 손상을 인지하고 교정하는 과정을 DNA 수선(DNA repair)이라고 한다. 여기에 관여한다고 알려진 핵산 외부 가수분해 효소 중 하나인 EXD2 (3’-5’ EXonuclease Domain containing protein 2) 단백질이 핵이 아니라 미토콘드리아라는 세포 소기관에 위치한다는 것이 최근에 밝혀졌다. 또 EXD2 단백질은 기존 효소와 다르게 금속 특이성과 기질 선택성을 가진다고 알려져 있다. 그러나 EXD2 단백질이 금속과 기질에 특이적으로 결합하는 매커니즘은 여전히 미지의 영역으로 남아 있다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 APEX2 단백질을 이용한 전자현미경 분석법과 근접 표지법 (proximity labeling)을 통해 EXD2 단백질이 미토콘드리아 외막에 존재하는 단백질임을 밝혀냈다. 또 EXD2 단백질이 다양한 금속과 기질과 결합한 고해상도 3차원 구조를 규명해 EXD2 단백질의 금속 특이성과 기질 선택성 메커니즘을 풀어냈다.

연구팀은 EXD2 단백질이 기존 효소와 달리 똑같은 분자 두 개가 중합된 ‘동형이량체’라는 걸 보였다. 또 이량체 형성에 중요하게 관여하는 아미노산 돌연변이 실험을 통해 효소 활성을 위해서 이량체 형성이 꼭 필요하다는 걸 증명했다.

EXD2 단백질이 다양한 금속이나 기질과 결합하는 3차원 구조를 분석해, 이량체 형성이 효소 활성뿐 아니라 금속 특이성과 기질 선택성에 중요하다는 것도 알아냈다. 다른 효소에는 존재하지 않는 추가적인 C 말단의 구조적 요소(C-segment)에 의해 어떤 금속 보조인자가 어떤 기질에 적합한지 결정된다는 것도 증명했다.

3. 기대효과

이번에 연구한 EXD2 단백질은 다양한 종류의 기질을 금속에 따라 인식해 DNA와 RNA 둘 다 선별적으로 절단할 수 있는 핵산 외부 가수분해 효소다. 이 단백질의 매커니즘을 X-ray 구조법을 사용해 원자 수준의 높은 해상도로 관측함에 따라 금속 특이성과 기질 선택성에 대한 이해를 높였다.

또 C-말단 루프 구조를 제거한 돌연변이를 이용해 공간적 제약이 없이 다양한 금속이 결합해 비특이적으로 두 종류의 유전물질을 다 분해할 수 있다는 걸 밝혔다. 한 종류의 단백질로 금속에 따라 기질을 선택할 수 있어 쉽고 빠르게 유전자를 조작해 다양한 연구에 새로운 발판을 마련할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 핵산 외부 가수분해 효소: 핵산 분해효소 중 분자 사슬의 5‘ 또는 3’ 말단에서 인산 디에스테르 결합을 가수분해해 모노 뉴클레오타이드를 생성하는 효소군. ‘핵산 말단 가수분해 효소’라고도 불림.

2. 금속 보조인자: 체내에서 효소에 첨가돼 효소의 작용을 돕는 화학적인 금속 물질. 단백질 효소에 붙어 효소가 활성을 나타내도록 도움.

3. 디옥시리보핵산(DNA): 뉴클레오타이드의 중합체인 2개의 긴 가닥이 서로 꼬여 이중나선 구조로 된 고분자화합물. 시토신(C), 구아닌(G), 아데닌(A), 티민(T) 4종의 핵 염기(뉴클레오타이드)가 중합을 통해 연결됨. 오탄당이 리보스의 2‘탄소에서 산소 원자가 하나 없는 디옥시리보스로 이루어짐. DeoxyriboNucleic Acid, DNA라 불리며 스스로 복제할 수 있고 유전정보를 보관하고 있음.

4. 리보핵산(RNA): 오탄당의 일종인 리보스를 기반으로 뉴클레오타이드를 이루는 핵산의 한 종류. 하나의 나선이 길게 꼬여있는 구조를 가지며 DNA 일부가 전사돼 만들어짐. 시토신(C), 구아닌(G), 아데닌(A), 우라실(U) 4종의 핵 염기로 이뤄져 있으며, 자체적으로 상보적 염기쌍을 형성해 접힘으로써 고유의 입체 구조를 가질 수 있음.

5. DNA 수선: 세포가 자신의 유전체를 암호화하는 DNA 손상을 인지하고 교정하는 과정 전반을 의미함. 체내 활동과 자외선, 방사선 같은 환경적 요인 모두 DNA 손상을 일으키며 이런 손상은 DNA가 암호화하는 유전자를 전사하는 세포 능력을 변형시킬 위험이 있으므로, DNA 수선은 유전체의 온전한 상태, 더 나아가 세포와 전체 개체의 정상 기능을 유지하는 데 필수임.

6. 근접 표지법(Proximity labeling): 관심 있는 단백질과 공간적으로 근접한 부위에 있는 단백질들에 무작위적으로 표지를 붙여 분리시킨 후 질량분석법으로 파악하는 방법.

7. 효소 활성 부위: 효소의 한 부분으로서 기질이 결합해 화학 반응을 일으키는 곳. 활성 부위에서 직접 촉매반응을 하는 잔기(아미노산)를 활성 부위 잔기라고 부름.

[붙임] 그림설명

그림1. X선 회절법으로 규명한 EXD2 단백질의 고해상도 3차원 구조.

(A) 동형이량체(똑같은 분자 두 개가 중합돼 만들어진 물질)인 EXD2 단백질에서 핵산 외부 가수분해 효소 도메인과 이량체 형성이 필수적인 활성 부위를 나타낸 그림이다. 이량체 형성으로 인해 구조적 유연성이 생기면서 두 종류의 기질과 결합할 수 있다.

(B) 활성 부위 근처에 자리한 추가적인 카복시(Carboxyl) 말단의 구조(C-segment). 활성 부위의 공간적 제약을 만들어 비특이적으로 금속이 결합하는 것을 방해하면서 금속 특이성과 기질 선택성에 기여한다.

그림2. 이량체 형성과 C-말단으로 인해 생긴 금속 특이성과 기질 선택성.

이량체 형성으로 인한 구조적 유연성과 C-말단의 구조로 인한 공간적 제약으로 금속 특이성과 기질 선택성을 가지는 EXD2 단백질. 망간과 마그네슘만 금속 보조인자로 사용되며 특히 DNA가 기질일 때는 망간만 보조인자로 사용되고, RNA가 기질일 때는 망간과 마그네슘 둘 다 보조인자로 사용된다.

그림3. C-말단 루프 구조로 인한 공간적 제약이 EXD2 단백질의 금속 특이성 유도.

(A) C-말단 루프가 존재하면 DNA가 기질일 때, 마그네슘이 활성 부위에 완전하게 결합하지 못하지만, C-말단 루프를 제거하면 공간적 제약이 없어져 효소 활성화에 필요한 마그네슘 두 개가 완전히 결합한다.

(B) C-말단 루프에 의해 마그네슘이 불완전하게 결합하면 DNA 절단이 불가능하지만, C-말단 루프 제거 시 마그네슘 두 개가 완전히 결합해 DNA 절단이 가능해진다.

UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr