뉴클레오티드 절제회복

뉴클레오티드 절제회복은  DNA 회복  기작 중의 하나로 자외선 등에 의해 생기는 DNA의 티민 이합체(thymine dimer)에 손상 회복에 특히 중요하다. NER 단백질의 유전적 돌연변이는 색소건피증(Xeroderma pigmentosum)이나 코카인 증후군(Cockayne syndrome)과 같은 심각한 유전 질환을 유발한다.

목차

뉴클레오티드 절제회복에서 손상된 염기를 포함한 뉴클레오티드가 절단되어 DNA 이중나선으로부터 분리되어 나간 후, 해당 부위는 손상되지 않은 주형을 기반으로 새로운 뉴클레오티드로 대체된다. 이 회복 시스템은 자외선뿐만 아니라 부피가 큰 화학적 부가물에 의해 형성된 티민 이합체와 같은 변형 뉴클레오티드를 제거하는데 사용된다.

뉴클레오티드 손상은  DNA 나선구조의 국지적 변형을 일으킨다. 따라서, 뉴클레오티드 절제회복에 관여하는 효소는 DNA의 이중 나선 구조의 변형을 인식한 후, 손상부위 주변 DNA 한쪽 가닥을 절단하여 손상된 뉴클레오티드를 포함한 DNA 단일 가닥 부위를 제거한다. 제거된 부분은 DNA 중합 효소가 남아 있는 DNA 한가닥을 주형으로 해 새롭게 합성해 채우고, DNA 리가아제가 기존 DNA와 새로 생성된 DNA 사이의 틈을 채워 DNA 회복을 완료한다.

대장균(E.coli)의 뉴클레오티드 절제회복은 UvrA, UvrB, UvrC로 구성된 UvrABC 엔도뉴클레아제 효소 복합체와 UvrD DNA 나선효소(helicase)에 의해 이루어진다. 평소 두개의 UvrA와 하나의 UvrB로 이루어진 복합체(UvrA-UvrB 복합체)가 DNA 구조 이상을 모니터하는데, 이 중 UvrA 서브유닛은 티민 이합체와 같은 DNA 이중나선 구조의 변형을 인식할 수 있다. 손상된 DNA 부위에 결합후, UvrA는 DNA를 구부려 UvrB를 DNA 손상부위에 이동시킨 다음 DNA로 부터 해리된다. UvrA가 해리되면 그 자리에 UvrC가 들어와 새로 UvrB-UvrC 복합체를 형성한다. UvrC는 엔도뉴클리아제 효소활성을 가지고 있어 손상된 DNA 부위를 중심으로 약 13개의 뉴클레오티드 양쪽을 절단한다. UvrC는 DNA 나선효소인 UvrD와 상호작용을 하고 있어, UvrD가 UvrC에 의해 절단된 DNA 영역 내에 있는 염기 사이의 수소결합을 해리하여 양쪽 끝이 절단된 13 뉴클레오티드 DNA 단일사슬 절편이 DNA 이중나선에서 분리되게 한다. 단일사슬 DNA의 절제로 인해 노출된 반대편 DNA 단일 가닥을 주형으로 DNA 중합 효소가 새롭게 DNA를 합성해서 절제 부위를 채우면 이를 DNA 리가아제가 기존 DNA와 이어서 DNA 이중 가닥이 복구된다.

일반적인 진핵생물의 뉴클레오티드 절제회복의 과정은 원핵생물과 유사하나, 진핵생물은 그 과정이 원핵생물에 비해 좀 더 복잡하다. 포유류 세포의 뉴클레오티드 절제회복에는 색소건피증의 원인 단백질(Xeroderma pigmentosum, complementation group A(XPA), XPB, XPC, XPD, XPE, XPF, XPG)들과 코카인 증후군 원인 단백질 (Cockayne syndrome group A (CSA)와 CSB)들이 관여한다. 진핵생물의 뉴클레오티드 절제회복은 DNA 손상 인식 방법에 따라, 전체 게놈 뉴클레오티드 절제회복(Global Genome NER, GG-NER)과 전사결합 뉴클레오티드 절제회복(Transcription Coupled NER, TC-NER) 등으로 분류된다. 이들 두 경로에서는 초기에 DNA 손상을 인식하는 단백질들은 다르지만 DNA 절제하고 수리하는 과정은 동일하다. 이들 유전자들의 단일염기 다형성(SNP)이나 생식세포에서의 돌연변이는 암이나 조기 노화 발생과 밀접한 관련이 있다 (그림 1).

그림 1. 전사결합 뉴클레오티드 절제회복(TC-NER)과  전체 게놈 뉴클레오티드 절제회복(GG-NER) 경로 (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleotide_Excision_Repair-journal.pbio.0040203.g001.png).

1. 손상 인식 과정

손상의 발생 위치에 관계없이 모든 DNA에서 발생한 손상을 복구한다. 이 경로에서는 DNA 손상 결합 단백질(DNA-damage binding, DDB)와 XPC, Rad23B로 구성된 DDB-XPC-Rad23B 복합체가 DNA에 발생한 손상을 감지하는 센서 단백질로 사용된다. 이들 센서 단백질은 항상 DNA를 모니터하고 있으며, 손상 부위를 인식한 후 복구 단백질들을 손상 부위로 유도한다. 전체 게놈 뉴클레오티드 절제회복에 관여하는 유전자에 돌연변이가 생기면 색소건피증과 같은 유전질환을 유발할 수 있다.

그림2. 전체 게놈 뉴클레오티드 절제회복 (출처:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleotide_Excision_Repair-journal.pbio.0040203.g001.png) 

전사 결합 뉴클레오티드 절제회복은 전사가 일어나고 있는 게놈에서 DNA 손상을 인식하고 치료 회복하는 과정으로, 전사가 일어나지 않는 게놈에서의 손상보다 빠르고 정확하게 손상을 복구하는 특징이 있다. 전사과정 중에 DNA의 티민 이합체등 손상부위를 만나면 RNA 중합효소가 손상을 인식하고 전사를 멈춘다. 그리고 CSA 및 CSB 단백질을 손상부위로 유도하고 RNA 중합효소는 전사 진행의 반대 방향으로 이동하여 멈춘다. RNA 중합효소가 전사 중 오랜 시간 정지한 채 존재하면 세포주기의 정지 및 세포 사멸 등으로 이어질 수 있으므로, 전사 결합 뉴클레오티드 절제회복은 빠르고 정확하게 일어나야 한다. 전사 결합 뉴클레오티드 절제회복 과정에 관여하는 유전자에 돌연변이가 생기면 털유황이상증(Trichothiodystrophy, TTD) 와 코카인 증후군(Cockayne syndrome)과 같은 유전질환을 유발할 수 있다

그림3.전사 결합 뉴클레오티드 절제회복 (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleotide_Excision_Repair-journal.pbio.0040203.g001.png)

2. DNA 절개 진핵생물에서 손상부위 절개는  전사인자 II-H (transcription factor II-H, TFIIH) 가 관여한다. DNA 손상 인식 단백질 복합체들에 의해 인식된 DNA 손상 부위로 TFIIH와 XPG가 유도되면 XPG는 TFIIH를 안정화시킨다. TFIIH를 구성하는 XPD(ERCC2라고도 불림)와 XPB(ERCC3이라고도 불림) 서브유닛은 각각의 5'->3' 및 3'->5' 헬리카아제 활성을 이용하여 DNA 이중가닥을 풀고, 전사 과정의 DNA에서는 전사 버블 주변의 이중 가닥 DNA와 단일 가닥 DNA 사이의 교차점을 만든다. 손상된 DNA 부위의 3'쪽은 XPG가 자르고,  5'쪽은 XPF(ERCC4라고도 불림)-ERCC1 단백질 복합체가 자른다. 이러한 이중 절개로 손상부를 포함한 약 25-30개의 뉴클레오타이드의 DNA  단일가닥이 제거되면, 이 복합체는 TFIIH와 함께 DNA 이중 사슬에서 해리된 후 분리되고, 그 대신 복제단백질-A(Replication protein A, RPA)이 손상 부위에 결합한다. RPA는 XPA와 함께 TFIIH가 DNA 손상부위에 결합하기 이전에 DNA 손상을 확인하고 손상부에 위치하면서 단일 DNA를 보호하는 역할을 하고 있다. 이를 통해 절제회복 과정에서 단일 가닥의 DNA가 노출되는 시간을 최소한으로 줄이는 역할을 한다.

3. 새로운 DNA 합성을 통한 DNA 틈 메우기 손상부가 제거된 DNA 부위에 복제 인자-C(RFC)에 의해 PCNA(Proliferating Cell Nuclear Antigen)가 이동하여 결합하면 DNA 회복에 관련된 DNA 중합효소(델타(δ), 입실론(ε), 카파(κ) 등)가 반대편 가닥 DNA를 주형으로 새로운 DNA를 합성한다. 마지막으로 DNA 리가제I 및 Flap 엔도뉴클리아제-1 또는 DNA 리가제III-XRCC1 복합체가 새롭게 합성된 DNA와 기존 DNA 사이 틈을 메우면서 뉴클레오티드 절제회복을 완료한다.

염기 절제 회복(Baseexcision repair,BER). 미스매치회복(DNAmismatch repair, MMR), 색소건피증(Xerodermapigmentosum , XP), 코카인 증후군(Cockaynesyndrome) 

1. Wipipedia (

2. Griffiths AJF, Wessler SR, Carroll SB, Doebley J. (2015) Introduction to Genetic Analysis (10th edition) Macmillan Learning, New York, NY.

3. Craig N, Cohen-Fix O, Green R, Greider C, Storz G, Wolberger C. (2010) Molecular Biology: Principles of Genome Function. Oxford University Press, Oxford, UK.