미스매치 회복

DNA 복제 과정 중의 오류로 새로 합성된 딸 가닥(daughter strand) DNA는 종종 주형 가닥(template)과 다른 유전 정보를 포함하는데, 이 오류의 상당부분은 DNA 중합효소의 교정 기능에 의해 보정된다. 미스매치 회복은 DNA 복제과정 후에도 교정되지 않은 염기 간 미스매치 결합을 인식하고 수리하는 DNA 회복 기작이다. 또한 진핵생물에서 미스매치 회복 과정은 DNA 손상에 반응해 세포주기 정지 및 세포 사멸을 유도하는 역할도 하는 것으로도 알려져 있다. 이를 통해 미스매치 회복 기작은 DNA가 심하게 손상된 세포를 제거하여 해당 세포가 암세포 등으로 발전하는 것을 방지하는 역할을 한다.

미스매치 회복은 원핵생물에서 진핵생물까지 모든 세포에 매우 잘 보존된 DNA 회복 과정이다. 이 과정에는 미스매치를 인식하는 단백질과 손상부위를 자르는 엔도뉴클레아제가 필요하다. 손상부위 절단 이후에는 엑소뉴클리아제가 손상된 DNA를 포함하는 부위를 분해해 제거하고, 그 자리에 DNA 중합효소에 의해 새로운 DNA가 합성되면 마지막으로 DNA 리가제가 새로 생성된 DNA와 기존 DNA 사이 틈을 메운다. 미스매치 회복의 결함은 게놈 전체의 불안정성 증가, 유전성 비용종증 대장암(hereditary non-polyposis colorectal cancer, HNPCC) 같은 특정 유형의 암 발달, 특정화학 요법에 대한 저항성, 포유류에서 감수분열 이상 및 불임 등과 관련이 있다.

목차

대장균의 미스매치 회복에는 3 개의 효소(MutS, MutL, Mut)가 DNA 미스매치를 인식하고 DNA 가닥을 자르는데 필수적인 역할을 한다. 이와 더불어, DNA 나선효소 II(MutU/UvrD), 4 개의 엑소뉴클레아제(ExoI, ExoVII, ExoX 및 RecJ), 단일 가닥 DNA 결합 단백질(single strand binding protein, SSB), DNA 중합효소 III 및 DNA 리가제 등이 순차적으로 미스매치 회복 기작을 수행한다.   대장균 DNA의 대부분 d(GATC) 염기서열은 메틸화 되어 있다. 그러나 DNA 복제를 통해 새로 합성되는 딸가닥 DNA는 메틸화 되어 있지 않다. 즉 복제 후 DNA 주형은 메틸화되어 있고 새로 합성되는 가닥은 메틸화 되지 있지 않은 헤미메틸화(hemimethylation) 상태가 만들어 진다.

MutS는 헤미메틸화된 DNA에서 나타나는 DNA 염기 간 미스매치를 인식하고 결합한다. MutS는 동종 이량체(homodimer)이지만 두개의 서브 유닛이 서로 다른 DNA 결합부위를 이용해 DNA 결합하기 때문에 마치 이종 이량체(heterodimer)처럼 작용한다. MutL 동종이량체(MutL2)는 MutS와 엔도뉴클레아제인 MutH에 동시에 결합을 함으로써, MutS2-DNA 복합체와 MutH를 연결한다. MutH는 매우 약한 엔도뉴클레아제로 MutL과 결합을 통해서 활성화 된다. MutH는 메틸화되지 않은 DNA 가닥에 틈을 만들 수 있으나 메틸화된 DNA에는 틈을 만들지 못한다. 따라서 평소 MutH는 DNA 가닥에 존재하는 헤미메틸화 부위에 결합하고 있다가 MutL 이량체와 결합을 통해 MutS에 의해 인식된 미스매치 DNA 부위로 이동하여 딸 가닥 DNA를 잘라 틈을 만든다. MutL은 또한 UvrD 나선효소와도 결합이 가능해 MutH에 의해 절단된 DNA 가닥을 UvrD 나선효소가 분리하도록 해준다. 그 다음 엑소뉴클레아제가 이 MutSLH 복합체를 따라가면서 절개된 DNA 가닥의 뉴틀레오티드를 제거한다. 뉴클레오티드 제거에 이용되는 엑소뉴클레아제는 MutH에 의해 절단된 부위의 5’ 또는 3’ 쪽 중에 어느 쪽에 미스매치가 있는지에 따라 달라진다. MutH가 미스매치의 5’쪽에 틈을 만들면 REcJ나 ExoVII와 같은 5’->3’ 엑소뉴클레아제 중에 하나를 작용하고, 3’쪽에 틈을 만들면 3’->5’ 엑소뉴클레아제인 ExoI이 작용한다. 이 과정은 미스매치된 부위를 지나면 끝이 난다. 이로 인해 미스매치 부위를 포함한 주변 뉴클레오티드가 모두 제거된다. 이를 통해 생긴 DNA 가닥의 틈은 DNA 중합효소 III가 상보적인 주형 DNA 서열을 이용해 다시 합성하여 복구된다. 마지막으로 DNA 리가제에 의해 새로 생성된 DNA와 기존 DNA 가닥 사이 틈이 메워지고, DNA 메틸화효소가 딸 DNA 가닥을 메틸화시켜 양쪽 가닥 모두 메틸화된 DNA를 생성한다.

그림 1. 미스매치 회복 모식도 (출처: 한국분자·세포생물학회)

인간을 포함한 진핵생물의 미스매치 회복은 대장균과 매우 유사하게 진행된다. 다만 대장균과는 달리 진핵생물에서는 DNA의 메틸화가 일어나지 않으므로, 헤미메틸화부위에 의해 미스매치 회복의 방향성이 결정되는 대신 틈이 생기는 부위가 방향성을 결정하게 된다. 인간의 미스매치 회복에는 7개의 단백질들, 즉 RFC(replication factor C), PCNA(proliferating cell nuclear antigen), MutSα, MutLα, EXOI, RPA, DNA 중합효소δ(DNA polymerase δ) 등이 필요하다. 공통적으로 작용하는 DNA 중합효소 δ, PCNA, RFC 및 RPA 이외에, 5' 방향 수리는 MutSα 및 EXOI가 작용하는 반면, 3' 방향 수리는 MutLα를 필요로 한다.

1. MutS 대장균의 MutS는 동종이량체(MutS2)를 형성하지만 인간 MutS는 이종이량체(heterodimer)를 형성한다. 즉 인간 세포에서는 Msh2/Msh6가 결합하여 MutSα를 형성하고 Msh2/Msh3가 MutSβ를 형성한다. 이들은 모두 ATP 분해효소 활성을 가지고 있으며 미스매치를 인식하고 수리를 개시하는데 결정적인 역할을 한다. MutSα 경로는 주로 1~2개의 염기의 미스매치에 작용하고 MutSβ 경로는 보다 많은 숫자의 미스매치에 작용한다.

2. MutL 현재까지 인간에서 4개(hMlh1, hMlh3, hPms1 및 hPms2)가 MutL이 알려져 있다. hMlh1은 hPms2, hPms1, 또는 hMlh3과 결합하여 각각 hMutLα, hMutLβ, 또는 hMutLγ의 이량체를 형성한다. 이중에서 MutLα가  미스매치 회복 과정에서 조정자 및 촉진자의 역할을 수행한다. MutLα는 PCNA 및 RFC에 의존적인 Exo1을 포함하는 3'-닉 유도 미스매치 회복과정에서 주로 작용한다.

3. MutH 진핵 생물은 대장균 MutH에 대응하는 유전자를 가지고 있지는 않으며, MutL 복합체의 5’->3’ 엑소뉴클리아제인 Exo1이 그 역할을 대신 수행한다. 진핵생물에서 새로운 딸 DNA 가닥에서만 미스매치 회복이 일어나는 것은 DNA 복제 동안 오카자키 절편(Okazaki fragment)의 3'-말단이 생성되기 때문이다.

인간에서 Mut 유전자의 돌연변이는 게놈의 안정성에 영향을 미치므로 일부 암에 관련된 미세부체 불안정성(microsatellite instability, MSI)을 초래할 수 있다. 각각 MutS와 MutL에 대응하는 인간의 Msh2와 Msh1은 종양억제 인자로서 이들의 돌연변이는 유전성 비구면 대장암(hereditary nonpolyposis colorectal cancer [HNPCC] 또는 린치 증후군)을 유발한다.

염기절단 회복(base excision repair), 뉴클레오타이드 절단 회복(nucleotide excision repair)