DNA 수선 기작

인간을 포함하여 모든 생명체는 DNA를 유전정보로서 보유하고 있다. 하지만 이 중요한 DNA는 세포 분열과정에서의 실수나 자외선*방사선과 같은 환경요인에 의해 손상이 발생할 가능성에 항시 노출되어 있다. 예를 들면, 세포 하나당 매일 1,000개에서 1,000,000개에 달하는 염기의 손상이 발생하고 있다고 한다. DNA 수선 기작이란 세포가 자체적으로 이러한 중차대한 DNA 분자의 손상을 인지하고 교정하는 과정 전반을 가리킨다. 따라서, 세포의 DNA 수선 기작은 DNA 손상에 따른 다양한 변이가 발생할 상황을 미연에 방지하면서 유전정보를 지켜내고 나아가 세포의 정상적인 기능을 유지하는 데 필수적이다. DNA 손상의 원인과 결과가 다양한 만큼 이에 대응하는 다양한 DNA 수선기작이 존재한다.

목차

DNA 복제 실수 수선 (출처: Molecular Biology of the Gene (왓슨 분자생물학 번역본 6판) (옮긴이 양재섭 외 14인))

DNA 복제 과정에서 염기의 잘못된 짝지움(mismatch)에 따른 손상이 발생할 수 있다. 이 경우에 잘못짝지움 수선계(mismatch repair system)가 이러한 mismatch를 탐지하여 수선한다. 잘못짝지움 수선 단백질인 MutS는 이량체 단백질로 mismatch를 탐지하여 결합한다. 결합 후 MutS는 DNA에 비틀림을 일으키고, 이 후 다른 단백질들인 MutL과 MutH와 결합한다. MutL은 MutH를 활성화시키는데, MutH는 mismatch 부위 인근의 DNA 한가닥을 절단하여 틈을 만들게 된다. 그런 후 핵산말단분해효소가 개입하여 mismatch 부위를 가로질러 절단된 가닥을 분해한다. 마지막으로 DNA 중합효소가 분해되어 생성된 DNA단일가닥 간극을 채우면서 mismatch는 제거되게 된다.

DNA 단일가닥의 손상을 간단히 역으로 뒤집어서 수선하는 기작의 하나이다. 광회복은 UV 조사로 형성된 티민 2량체를 DNA photolyase가 빛에너지를 이용하여 두 피리미딘 염기의 연결을 절단하여 복구한다.

광회복 (출처: Molecular Biology of the Gene (왓슨 분자생물학 번역본 6판) (옮긴이 양재섭 외 14인))

손상된 염기를 복구하기 위하여 잘못된 염기를 제거하고 대체하는 수선 방식이다. 염기절제 수선에는 글루코실라아제(glycosylase)가 관여하는데, 글루코실라아제는 손상된 염기를 인지하여 염기와 라이보스사이의 글리코시드 결합을 가수분해함으로써 염기를 제거한다. 그 결과 남게 되는 염기가 없는 당은 핵산내부분해효소와 핵산말단분해효소에 의하여 완벽히 제거된다. 그 결과 생성된 간극은 DNA 중합효소에 의하여 손상되지 않은 DNA 가닥을 주형으로 하여 채워지게 된다.

염기 절제 수선 (출처: Molecular Biology of the Gene (왓슨 분자생물학 번역본 6판) (옮긴이 양재섭 외 14인))

뉴클레오타이드 절제 수선의 경우 손상된 DNA의 염기 구조에 따른 DNA 이중나선 구조의 왜곡을 인지한다. UvrA와 UvrB 단백질이 복합체를 이루어서 DNA를 스크린하면서 나선의 왜곡을 탐지하게 된다. 왜곡부위에 결합하면 UvrA는 단백질 복합체로부터 해리되고, UvrB가 DNA 왜곡 부위 주변을 열어서 단일가닥의 DNA 버블을 만들게 된다. 그 후 UvrB는 UvrC를 동원하여 단일가닥 버블 주위로 5’쪽과 3’쪽의 절단을 유도한다. 절단된 DNA는 방출되며 결과적으로 형성된 DNA 단일가닥은 간극은 DNA 중합효소에 의하여 손상되지 않은 DNA 가닥을 주형으로 하여 채워지게 된다.

뉴클레오타이드 절제 수선 (출처: Molecular Biology of the Gene (왓슨 분자생물학 번역본 6판) (옮긴이 양재섭 외 14인))

비상동말단 연결 (출처: Molecular Biology of the Gene (왓슨 분자생물학 번역본 6판) (옮긴이 양재섭 외 14인))

DNA 단일가닥 손상의 경우 손상된 DNA를 대체하기 위하여 손상되지 않은 다른 쪽 가닥을 주형으로 하여 복구할 수 있다. 하지만 DNA 이중가닥이 모두 손상된 경우는 상황이 더욱 복잡해진다. 이럴 경우 이중가닥 절단 수선 경로(Double-Strand break(DSB) repair pathway)가 관여하게 된다.

DSB 즉 DNA의 이중절단이 발생할 경우 자매염색체에 존재하는 유전정보를 이용하여 복구될 수 있다. 하지만 아직 복제되지 않은 염색체에 절단이 일어날 경우는 주형으로 이용할 자매염색체가 존재하지 않게 된다. 이 경우 비상동말단이라고 하는 다른 장치가 작동한다. NHEJ는 절단된 말단을 이어 붙이는 기작인데 그 과정에서 불가피하게 돌연변이가 유발된다. 하지만 DSB를 그냥 방치하는 것보다는 유해성이 떨어지기 때문에 차선책으로 활용되게 되는 것이다. NHEJ과정은 Ku70-Ku80으로 된 이종 이합체 및 다양한 단백질들이 활용된다.

복제 중인 DNA 주형 가닥의 손상은 활용할 주형이 존재하지 않는다는 점에서 DNA 이중가닥 손상의 하나로 간주될 수 있다. 이 경우 DNA 중합효소가 수선되지 않은 손상부위를 맞닥뜨리게 되면 DNA 중합효소의 진행에 장애가 된다. 이럴 경우 장애관통 DNA합성이라고 하는 안전장치가 손상된 부위를 가로질러 복제하게 되는 독특한 기작이다.

최윤이/고려대학교, 남인현/한국지질자원연구원

차선신/이화여자대학교

Molecular Biology of the Gene (왓슨 분자생물학 번역본 6판) (옮긴이 양재섭 외 14인)