[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

DNA 복제는 사람의 생명 활동에서 핵심으로, 유전정보를 다음 세대로 전달한다. 그리고 DNA가 가진 유전정보는 전사(transcription)를 통해서 RNA로 변환되고, 다시 변역(translation)을 통해 단백질로 바뀌어 생명 활동을 영위한다. 전사과정은 DNA가 복제되는 중에도 진행되기 때문에 DNA 복제기구(replisome)가 RNA 전사 사이에 충돌이 일어나서 DNA 복제가 멈출 수 있다. 이를 'DNA 복제 스트레스'라고 하고, DNA 복제 스트레스가 해소되지 않으면 암, 신경계 질환, 발달장애 및 노화 등이 유발된다.

특히, 전사가 정상적으로 이루어지지 않을 때, 이중나선 DNA 사이에 RNA 한 가닥이 들어가서 세 가닥의 핵산 구조를 가진 알룹(R-loop)이 형성되는데, 이 알룹이 DNA 복제를 방해한다고 알려져 왔다. 하지만 실제로 DNA 복제와 알룹 혹은 전사체가 충돌했을 때 어떤 일이 일어나는지는 정확하게 밝혀져 있지 않았다.

2. 연구내용

본 연구에서는 DNA 복제가 알룹 및 전사체와 충돌하는 과정을 단분자 이미징 기법인 ‘DNA 커튼‘을 사용하여 실시간으로 이미징을 함으로써 DNA 복제가 알룹 혹은 전사와 충돌할 경우 어떻게 되는 가를 직접적으로 관찰하였다.

2-1. 본 연구에서는 박테리오파지 Phi29의 DNA 폴리머라아제(Phi29 DNAp)의 DNA 복제 과정을 단분자 수준에서 실시간으로 이미징 하였다. 이를 통해서 Phi29 DNAp의 복제 속도와 복제 능력을 정확하게 측정하였다.

2-2. Phi29 DNAp와 단일 알룹과의 충돌을 직접적으로 관찰하였으며, 하나의 알룹이라도 DNA 복제를 멈출 수 있음을 확인하였다. 놀랍게도, RNA가 주형 가닥에 붙어있을 경우는 Phi29 DNAp가 복제를 계속 진행하였으며, 주형의 반대 가닥에 붙어있을 경우에 복제를 멈추었다. 이는 주형의 반대 가닥에 형성된 RNA-DNA 결합이 구조적으로 Phi29 DNAp의 복제를 막기 때문이다. 그리고 알룹이 텔로미어에서 형성될 때, G-quadruplex 구조가 알룹에 동시에 형성되는데, 이 G-quadruplex가 알룹에 의한 DNA 복제를 더욱 방해한다는 것을 규명하였다.

2-3. 박테리오파지 T7의 RNA 폴리머라아제(T7 RNAp)를 이용하여 전사를 구현하여, Phi29 DNAp와 T7 RNAp 전사와 충돌을 직접적으로 이미징하였다. 이를 통해서 RNA 폴리머라아제가 있을 경우, DNA 복제가 훨씬 더 방해를 받는다는 것을 밝혔다.

3. 기대효과

알룹 혹은 전사와 DNA 복제기구와의 충돌은 세포 활동에 직접적인 영향을 미친다. 특히 알룹은 백혈병을 비롯한 다양한 암과 밀접한 관련이 있으며, 노화 및 신경 질환과 관련이 있다. 본 연구는 이러한 알룹이 분자 수준에서 어떻게 질병을 야기할 수 있는가를 이미징을 통해서 보다 정확하게 밝혔으며, 이는 분자 수준에서 질병을 치료할 수 있는 기반을 제공한다.

또한, DNA 복제와 전사는 모든 생명활동의 가장 기본적이고 핵심적인 분자 기전이다. 따라서 본 연구에서 개발된 DNA 복제 및 전사 과정의 실시간 이미징 기법은 DNA 복제와 관련된 수많은 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. DNA 복제기구 (DNA replisome)

하나의 이중나선 DNA가 두 개의 이중나선 DNA로 만들어지는 과정을 DNA 복제(DNA replication)라고 하며, 이를 통해서 세포분열 이후에 동일한 개수의 DNA를 가질 수 있으며, 유전정보가 다음 세대로 전달된다. 이러한 DNA 복제는 여러 단백질들이 함께 상호작용을 하여 이루어지는데, 이러한 단백질들의 복합체를 DNA 복제기구(리플리솜)이라고 함.

2. DNA 복제 스트레스 (DNA replication stress)

다양한 원인에 의해서 DNA 복제를 방해 받거나 멈추는 경우.

3. 알룹 (R-loop)

이중나선 DNA가 풀린 상태에 한 가닥의 DNA가 상보적인 RNA와 결합하여, RNA-DNA 하이브리드와 단일나선 DNA 이렇게 3 가닥으로 이루어진 핵산 구조. 알룹은 불완전한 전사, DNA 손상 등에 의해서 발생하며, 면역, 염색체 분리 등에서 중요한 역할을 하며, DNA 복제를 방해한다고 알려져 있음.

4. Phi29 DNA 폴리머라아제 (Phi29 DNA polymearse)

박테이아 B. subtilis에 특이적으로 감염되는 바이러스인 박테리오파지 Phi29의 DNA 폴리머라아제

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림1. DNA 커튼을 이용한 DNA 복제와 알룹 충돌 이미징

(위) 실시간 DNA 복제를 할 수 있는 단분자 DNA 커튼의 측면도 DNA 커튼의 개략도. DNA 분자들은 슬라이드 유리 표면의 나노미터 크기의 우물 구조에서 정렬되어 펼쳐진다. DNA의 복제가 진행되면서 Phi29 DNA 폴리머라아제(Phi29 DNAp)가 DNA 이중나선을 풀면서 합성을 진행하고, 풀려진 단일 나선 가닥에 형광단백질(eGFP)가 표지된 단일나선 DNA 결합단백질이 붙고, 이를 전반사형광 이미징 기법을 사용하여, DNA 복제를 실시간 이미징. (가운데) 하나의 Phi29 DNAp와 알룹과의 충돌에 대한 개략도. (아래) 알룹에 의해서 DNA 복제가 멈추는 것을 보여주는 데이터. 시간이 지남에 따라서 DNA 복제가 되어서 녹색 선이 점점 길어지지만, 알룹 위치에서 더 이상 진행되지 못하고 멈춰있음.

그림2. Phi29 DNAp와 알룹의 충돌 과정

Phi29 DNAp와 알룹이 충돌할 경우, (위) RNA가 주형 DNA에 반대에 결합이 되어 있으면 Phi29 DNAp의 복제를 막지만, (아래) RNA가 주형 DNA와 결합하고 있으면 Phi29 DNAp가 알룹을 통과해서 복제를 진행한다.