^*DNA 커튼(DNA Curtain): 수백 개의 DNA를 커튼처럼 펼친 후에, 각 DNA와 단백질을 형광을 이용해 이미지를 관찰함으로써, DNA 위에서 단백질들이 어떻게 움직이는가를 실시간으로 관찰하는 방법. 단백질과 DNA의 상호작용을 연구할 수 있는 첨단 기술이다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

DNA는 유전정보를 담고 있는 생체분자다. 사람의 DNA는 대략 30억 개의 염기쌍으로 구성돼 세포핵 내부에 존재한다. DNA는 다양한 요인들에 의해서 손상을 입게 되는데, 특히 자외선 혹은 화합물질 등에 노출되면 염기쌍에 변화가 생긴다. 이러한 염기쌍의 변화는 유전정보를 변형해, 암이나 유전병과 같은 심각한 질병을 유발한다.

우리 몸은 이를 막기 위해 염기쌍의 변화를 원래대로 복구하는 DNA 손상 복구 기전을 진화적으로 보존해왔다. 특히, 자외선에 의해서 변형된 염기쌍의 변화는 ‘뉴클레오타이드 절제 복구(Nucleotide Excision Repair, NER)’이라는 과정에 의해서 복구된다. NER은 다양한 단백질들이 복합체(Complex)를 이뤄, 여러 단계를 거치며 진행된다.

이중 가장 중요한 단계는 염기쌍의 손상 부위를 인식하는 것이다. 이 역할을 맡는 단백질은 XPC-RAD23B이다. 이 단백질은 30억 개에 달하는 사람의 유전자를 살피고 이중 변형된 한두 개의 염기쌍을 찾는다. 오랜 시간이 걸릴 것 같지만, 실제 XPC-RAD23B는 세포 내에서 이를 빠르고 정확하게 수행한다. 하지만 현재까지 이 단백질이 어떻게 이런 빠르고 정확한 인식을 할 수 있는지는 알려진 바가 없었다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 XPC-RAD23B를 정제한 후, 이를 단분자 분광학 기법인 ‘DNA커튼’ 기술을 이용해 관찰한 것이다. 연구진은 이를 통해 XPC-RAD23B가 DNA 위에서 어떻게 움직이는지 실시간으로 관찰할 수 있었다.

DNA커튼 기술은 나노공정기술, 마이크로유체제어기술, 형광이미징 기술을 융합한 고속대량(High-throughput) 이미징 기술로, 직접적으로 단백질과 DNA의 상호작용을 관찰할 수 있는 시스템이다. 이 때문에 특정한 단백질들에 국한되지 않고, 수많은 단백질을 보편적으로 관찰할 수 있는 플랫폼을 제공한다.

연구진은 DNA 커튼을 이용해, XPC-RAD23B가 DNA 위를 1차원 확산을 통해서 움직이는 것을 확인했다. 나아가 XPC-RAD23B가 DNA 위를 미끄러지듯이 움직이는 것이 아니라 깡충깡충 뛰면서 움직인다(Hopping)는 것을 관찰했다. 뛰면서 움직인다(Hopping)는 것은 이 단백질이 DNA에 계속 붙어있는 것이 아니라, 미시적으로 DNA에서 떨어졌다 다시 붙는 방식으로 움직인다는 것을 말한다. DNA에서 떨어졌다 다시 붙는 이런 움직임 덕분에 XPC-RAD23B는 DNA 위에 결합된 다른 단백질들을 통과(Bypass)해서 움직였고, 그 결과 더 빠르게 DNA 손상 부위를 탐색할 수 있었다.

이번 연구에서는 실제 XPC-RAD23B와 다른 단백질의 충돌실험을 진행해 움직이는 과정에서 다른 단백질을 통과할 수 있음을 직접 증명하기도 했다. 더불어 NER에 의해 복구되는 염기쌍 손상, ‘CPD(Cyclobutane Pyrimidine Dimer)’가 포함된 DNA를 제작해 XPC-RAD23B가 1차원 확산을 통해 이를 인식하는 것도 확인했다. 또 이 과정을 정량적인 데이터를 통해서도 확인했다.

3. 기대효과

이번 연구는 NER에 의한 DNA 손상 복구 과정에서 XPC-RAD23B가 어떤 분자 기전으로 DNA 손상 부위를 발견하는가를 단분자 분광학 기술인 DNA커튼을 이용해 밝혔다는 데 의미가 있다. XPC-RAD23B의 복구 과정을 밝힌 것은 이를 통해 심각한 유전질환인 색소성건피증, 피부암 등을 유전적으로 치료할 수 있는 분자생물학적 기반이 될 수 있다.

한편 DNA커튼 시스템은 다양한 DNA-단백질의 상호작용을 연구할 수 있는 보편적인 시스템이다. 이를 이용하면 체내에서 일어나는 수많은 DNA 대사 작용들의 분자생물학적인 기전을 밝힐 수 있어 다양한 관련 연구를 진행할 토대를 마련했다고 볼 수 있다.

[붙임] 용어설명

CPD(Cyclobutane Pyrimidine Dimer)

DNA를 이루는 네 개의 염기 중 하나인 싸이민(thymine)이, 염기서열에서 연속적으로 두 개가 있을 때, 자외선은 이 두 개의 싸이민을 공유결합으로 연결한다. 특히 싸이민을 이루는 링 구조가 평행하게 결합하면서 연결된 형태를 CPD라고 한다. CPD는 DNA의 복제를 막거나 복제 과정 중에 염기서열의 변형을 야기한다.

단분자 분광학(Single-molecule Spectroscopy)

전통적인 생화학 및 분자생물학적인 방법은 한 튜브 내에 다수의 분자를 넣고 그 평균적인 효과를 측정한다. 이러한 측정법은 전반적인 경향성을 파악하는 데 주효하지만, 분자들이 가지는 세부 상태나 동역학적 변화를 관찰하기는 쉽지 않다. 단분자 분광학은 생체분자 각각을 관찰하는 새로운 실험기법으로, 기존의 측정방법에서 관찰할 수 없었던 세부 특성을 관찰할 수 있으며, 쉽게 동역학적 정보를 얻을 수 있다. 나아가 분자들의 움직임과 분자들 사이의 상호작용을 직접 관찰할 방법을 제공한다.

뉴클레오타이드 절제 복구(Nucleotide Excision Repair, NER)

DNA 손상복구 기전 중 하나로 자외선에 의해서 발생하는 CPD 혹은 DNA 염기에 결합된 화합물 등을 제거하여 염기쌍을 원래대로 복구하는 기전이다. 이 기전이 정상적으로 작용하지 않으면, 색소성건피증(Xeroderma Pigmentosum)이라는 질병에 걸리는데, 이 질병은 낮에 햇볕(자외선)을 쬐면 피부가 심각하게 손상되며, 피부암 발병률이 수십 배 높다. 이 기전은 손상된 염기가 있는 DNA 가닥을 도려낸 후에, 반대편 가닥을 이용해서 새로이 염기쌍을 형성함으로써, 유전정보의 손실 없이 DNA 손상을 복구한다.

[붙임] 그림설명

.그림1. DNA커튼을 이용한 XPC-RAD23B의 움직임 관찰과 충돌 실험

(A) DNA커튼 시스템의 개략도. 다수의 DNA가 나노 장벽 사이에 잘 배열돼 있으며, 형광체가 표지된 XPC-RAD23B를 넣어 DNA 위에서의 움직임을 형광 이미징으로 관찰한다.

(B) XPC-RAD23B 분자 하나의 시간에 따른 DNA 위에서의 움직임. XPC-RAD23B가 1차원 확산과정을 통해서 DNA 위를 움직인다는 것을 볼 수 있다.

(C) XPC-RAD23B와 다른 단백질의 충돌실험에 대한 개략도(위)와 실제 XPC-RAD23B가 폴짝폴짝 뛰어다니며 다른 단백질을 넘어가는 것을 보인 움직임(아래)

그림 2. XPC-RAD23B가 DNA위에서 손상부위(CPD)를 찾는 과정을 그린 개략도