상동재조합

상동재조합(homologous recombination)은 유사하거나 동일한 서열을 가진 한 쌍의 DNA 사이에 유전적 교환이 일어나는 것을 말한다. 상동재조합은 세포에서 다양한 용도로 사용되지만 생체 내에서 두 가지의 중요한 용도가 있다. 첫 번째, 상동재조합은 DNA 이중가닥 절단(Double Strand Break, DSB)을 수리하기 위한 DNA 회복 기작 중 하나이다. 상동 염기서열을 갖는 DNA와의 염기서열 교환을 통해 손상되어 제거된 DNA를 복구하는데 상동재조합이 이용된다. DNA 이중가닥 절단 시, 세포는 상황에 따라 상동재조합 또는 비상동성 말단결합(Non-homologous end joining, NHEJ)  기작을 통해 손상된 DNA를 회복하는데, 상동재조합이 오류를 훨씬 덜 발생시키기 때문에 세포에서 더 널리 사용된다.   두 번째, 상동재조합은 진핵 생물에서 동물의 정자와 난자와 같은 생식 세포를 만드는 과정인 감수분열의 염색체 교차 과정에서 염색체 간 유전 물질의 이동을 가능하게 하여 유전적 다양성을 증가시키는데 중요한 역할을 한다.

목차

상동재조합은 유기체와 세포 유형에 따라 다양하게 일어나지만, 기본 단계는 상당히 유사하다. 즉, 감마선 노출 등으로 인해 DNA 이중가닥에 절단이 발생하면, 절단 부위의 양쪽  5'-말단 부분에서 DNA가 제거된다. 이로 인해 단일가닥이 된 3'-말단 DNA는 절단되지 않은 정상의 상동 염색체 DNA에 침입한다. 가닥 침입 이후 이중가닥 절단 회복(double-strand break repair, DSBR) 경로 또는 합성의존성 가닥 복원(synthesis-dependent strand annealing, SDSA) 경로를 통해 남겨진 짧은 5'-말단 단일가닥 DNA는 정상 상동 염색체의 상보적  DNA를 주형으로 하여 새로운 DNA를 합성하고 마지막으로 틈을 메워 수리를 마친다 (그림 1).

상동재조합은 식물, 동물, 진균류 같은 진핵 생물의 세포 분열시, 외인성 혹은 내인성 원인으로 발생한 DNA의 이중 가닥 절단을 복구하는 매우 중요한 기작이다. 이중 가닥 절단이 복구되지 않은 상태로 남아있으면 체세포 염색체의 대규모 재배치를 유발할 수 있으며, 이는 암으로 이어질 수도 있다. 또한 감수분열시 나타나는 상동재조합은 유전적 다양성을 생산하는데 도움이 된다. 상동염색체 사이에서 완전히 동일하지 않은 DNA 교환이 일어나는 염색체 교차는 새롭고 유익한 유전자 조합을 만들 수 있기 때문에 자손에게 진화의 이점을 줄 수 있다.

진핵생물 세포에 DNA 이중 가닥 절단이 발생하면 3개의 단백질로 이루어진 MRX 복합체(인간에서는 MRN 복합체)가 절단된 DNA의 양쪽에 결합한다. MRX 복합체는 Sae2 단백질을 동원해 잘린 DNA의 양쪽의 5'-말단부를 조금 더 잘라 내서 3'-말단부에 짧은 단일가닥  돌출부를 만든다. 그 다음 Sgs1 헬리케이즈가 이중 가닥 DNA를 풀고 핵산분해효소인 Exo1과 Dna2가 5'→3' 방향으로 추가 DNA 절제를 진행한다.

절제 후 노출된 3'-말단 돌출부의 단일 가닥 DNA에는 단일 가닥 DNA에 대해 높은 친화성을 갖는 RPA 단백질이 결합한다. Rad51 단백질(감수분열 시는 Dmc1)이 RPA로 코팅된 DNA 단일 가닥에 결합하여 필라멘트 구조를 형성한다. 이 DNA-단백질 필라멘트는 3'-말단 돌출 가닥 DNA와 유사한 DNA 서열을 찾기 시작한다. 유사한 서열을 찾은 후, 단일 가닥의 DNA-단백질 필라멘트는 가닥 침입(strand invasion)이라는 과정을 통해 유사 서열을 포함한 DNA 이중가닥으로 침입한다. 유사분열(mitosis)을 통해 분열하는 세포에서 침입을 당하는 DNA 이중가닥은 일반적으로 손상된 DNA의 자매 염색 분체이며 이전에 절단되어 사라진 5'-말단부 DNA의 복구를 위한 주형을 제공한다. 감수분열에서는 염기서열이 유사하지만 반드시 일치하지 않는 상동 염색체도 침입 대상 DNA가 될 수 있다.

3'-말단 돌출 가닥의 침입으로 인해 타겟 상동염색체서 원래 염기쌍을 이루던 DNA 단일 가닥이 분리되어 D자형 고리(D-loop)가 형성된다. 또한, DNA 중합효소가 침입한 3'-말단 단일 가닥에 새로운 DNA를 합성함으로써 3'-말단을 연장시킨다. 그러면 D자형 고리가 홀리데이 접합(Holliday junction)으로 알려진 십자형 구조로 바뀐다. 이어서, 침입한 단일 가닥 DNA의 3'-돌출부에 더 많은 DNA 합성이 일어나서 새롭게 합성된 DNA와 가닥의 침입에 의해 벌어져 노출된 상동염색체의 주형 가닥의 염기쌍 결합이 일어난다.

침입 DNA와 상동염색체 주형 DNA 사이의 염기쌍 결합 후 DNA 회복 과정에는 두 가지 주요 모델이 존재한다. 첫째는 이중 가닥 절단 수리(double-strand break repair, DSBR) 경로(때로는 이중 홀리데이 접합 모델이라고도 함)이고, 둘째는 합성 의존성 가닥 어닐링(synthesis-dependent strand annealing, SDAA) 경로이다.

1. 이중 가닥 절단 수리(double-strand break repair, DSBR) 경로

DSBR 과정이 시작되기 위해서 최초 침입한 3'-말단 단일 가닥과 정상 상동염색체의 홀리데이 교차점의 반대편 반대쪽 상동염색체 부위에 침입을 하지 않는 나머지 절단부 DNA의 5'-돌출 가닥이 홀리데이 교차점을 형성한다. 이렇게 생긴 홀리데이 교차점과 3'-돌출 가닥 침입 시 생긴 홀리데이 교차점 두 곳은 한쪽 DNA 가닥을 절단하는 닉 엔도뉴클레아제(nick endonuclease)에 의해 잘린 다음 다시 이어져 재조합 DNA로 전환된다. 이 때 염색체 교차 여부는 이중 홀리데이 교차점의 절단 양상에 의해 결정된다. 즉, 한 개의 홀리데이 교차첨에서 침입 가닥이 절단되고 나머지 홀리데이 교차점에서 타겟 가닥이 절단되면 염색체 교차가 발생한다 (그림 1 아래 왼쪽 경로에서 한쪽에서는 보라색 화살표 방향이고 다른 한쪽에서는 오렌지색 화살표 방향의 조합). 그러나, 두 개의 홀리데이 교차점 모두에서 침입 가닥이 절단되면 크로스 오버가 없는 염색체가 생산된다 (그림 1 아래 왼쪽 경로에서 양쪽 모두 보라색 화살표 방향의 조합).

2. 합성 의존성 스트랜드 어닐링(Synthesis-dependent strand annealing, SDSA) 경로

SDSA 경로를 통한 상동재조합은 세포의 유사분열 및 감수분열 시에 주로 일어나며 비교차 재조합을 만든다. 이 모델에서는 침입한 3'-돌출 가닥이 DNA의 연장 이후 가지 이동(branch migration)이라 불리는 과정을 통해 침입 가닥과 타겟 가닥 사이의 홀리데이 교차를 푼다. 침입 과정을 통해 새롭게 합성된 침입 가닥의 3'-말단은 상보적인 염기쌍을 통해 최초 절단된 DNA의 나머지 3'-돌출부의 염기들과 상보적인 결합을 한다. 두 가닥의 DNA가 상보적으로 결합하여 손상된 DNA가 복구되면 마지막의 틈은 DNA 리가제에 의해 메워진다.

그림 1. DSBR 와  SDSA 경로. 두 경로는 초기에는 동일한 단계를 거치지만 그 이후에는 서로 다른 경로를 거치게 된다. DSBR 경로는 종종 염색체 교차 (왼쪽 아래)를 초래하는 반면, SDSA는 항상 비 교차된 결과로  (오른쪽 하단) 마무리된다. (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:HR_schematic_diagram.svg)

DNA 이중 가닥 절단 시  상동재조합을 사용할지 비상동 말단봉합을 사용할지 여부는 주로 세포가 위치한 세포주기에 의해 결정된다. 상동재조합은 세포주기의 S 및 G2 단계에서 DNA 복제 중 혹은  DNA 복제 직후에 주로 발생한다. 이와 달리, 비상동 말단봉합은 세포주기의 G1 단계에서 우세하게 나타난다. 따라서, Cycline-dependentkinase(CDK) 인산화 효소가 진핵 생물에서의 상동재조합의 중요한 조절 인자가 된다.

상동재조합은 박테리아의 주요 DNA 복구 과정이다. 박테리아의 이중 가닥 DNA 절단은 상동재조합의 RecBCD 경로에 의해 복구된다. 그리고, 단일 가닥 틈(single-strand gap)으로 알려진 두 개의 DNA 가닥 중 하나에서만 발생하는 단절은 RecF 경로에 의해 복구되는 것으로 생각된다. RecBCD와 RecF 경로는 모두 DNA의 교차점에서 단일 DNA 가닥이 교환되는 가지 이동이 일어나고, 교차점에서 절단되고 다시 결합하여  정상 상태로 복원되는 과정을 거친다.

1. RecBCD 경로

RecBCD 경로는 많은 박테리아에서 DNA의 이중 가닥 절단을 복구하는 데 사용되는 주요 재조합 경로이다. DNA 이중가닥 절단 시, RecBCD라 불리는 3개의 서브유닛 효소 복합체는 이중 가닥 DNA에서 평활 말단(blunt end)에 결합한다.  RecB 및 RecD 서브유닛은 헬리케이즈 활성을 통해 DNA 이중가닥을  풀어준다. 또한, RecB 서브유닛은 핵산분해효소 도메인도 가지고 있어  DNA 이중나선 해체를 통해 노출된 DNA 단일 가닥을 절단할 수 있다. 이러한 DNA 이중나선 해체는 RecBCD가 Chi 부위로 알려진 염기서열(5'-GCTGGTGG-3')을 만날 때까지 계속된다. Chi 부위를 만나면 RecBCD 효소의 활성이 급격히 변해 DNA 풀기가 몇 초간 중지 된 다음, 초기 속도의 절반 속도로 다시 DNA 풀기를 시작된다. 풀기 속도가 느려진 RecBCD 효소는 Chi DNA 가닥을 절단하고, 이를 통해 새로 생성된 3'-말단 단일 가닥 DNA에 RecA 단백질들이 결합한다. 그 후 과정은 진핵세포 상동재조합과 유사하게 3'-말단 단일 가닥이 상동염색체의 유사 염기서열 부위로 침입하여 D자형 고리를 형성하고 홀리데이 교차점을 만든다. RuvABC 또는 RecG의 일부 조합에 의한 홀리데이 교차점은 두 개의 상반되는 유전물질을 가진 재조합 DNA 분자를 생성할 수 있다.

그림 2. 상동재조합의 RecBCD 경로. (출처:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:HR_schematic_diagram.svg)

2. RecF 경로

RecF는 DNA의 단일 가닥 틈(single strand gap)을  복구하는데 사용되지만, RecBCD 경로가 돌연변이에 의해 불활성화 되면 DNA 이중 가닥 절단 복구에 사용되기도 한다. RecF 경로에서는 RecQ 헬리케이즈가 DNA를 풀어주고 RecJ 핵산분해효소가  5'-말단을 분해하여 3'-말단이 돌출된 단일 가닥 DNA를 생성한다. RecA 단백질은 이 돌출된 단일 가닥 DNA 3'-말단에 결합하며 RecF, RecO 및 RecR 단백질에 의해 안정화된다.

상동 재조합에 결함이 생기면 염색체는 감수 분열에서 부정확하게 정렬하고 또 제대로 분리되지 않아 정자와 난자가 너무 적거나 너무 많은 염색체를 가질 수 있다. 다운 증후군은 21 번 염색체가 하나 더 많은 것에 기인하는데, 감수 분열에서의 상동재조합 실패로 인한 많은 이상 중 하나이다. 또한, 상동재조합의 결함은 인간의 암 형성과도 밀접하게 관련되어 있다. 블룸증후군(Bloom's syndrome), 워너증후군(Werner's syndrome), 로스문드-톰슨증후군(Rothmund-Thomson syndrome)과 같은 암 관련 질환은 BLM, WRN, RECQL4와 같은 상동성 재조합의 조절에 관여하는 RecQ 헬리케이즈 유전자의 결함 때문에 발생한다. 유방암과 난소암의 위험증가와 관련이 있는 종양 억제 유전자인 BRCA1과 BRCA2가 결여된 세포는 상동재조합 비율이 감소하고, 전리 방사선에 대한 감수성이 증가한다. 

상동재조합 과정은 유전적으로 변형된 생물체를 만들기 위해 특정 DNA 서열을 생명체에 도입하는 방법으로도 유용하게 사용된다. 유전자 적중(gene targeting)이라고도 하는 이 방법은 특히 효모와 생쥐 유전학에서 자주 사용된다. 녹아웃 마우스(knock-out mouse)의 유전자 적중 방법은 생쥐의 배아 줄기 세포를 사용하여 상동재조합의 원리에 의해 표적 유전자에 외부 DNA를 전달한다. 배아 줄기 세포를 통해 생쥐에 유전적 변형을 도입하는 연구를 통해 마리오 카페키(Mario Capecchi), 마틴 에반스(Martin Evans) 및 올리버 S. 스미시즈(Oliver S. Smithies)는 2007 노벨 생리 의학상을 수상했다.

DNA 회복(DNA repair), 가지 이동(Branch migration), 홀리데이 교차 (Holliday junction)

1. Wikipedia ( )

2. 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.

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