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암을 유발시키는 이음새 DNA 변형 메커니즘 규명

  • AD 최고관리자
  • 조회 2194
  • 2013.12.18 10:49

국내 연구진이 포항방사광가속기를 이용하여 암과 같은 질병을 유발할 수 있는 이음새 DNA*의 구조변형 과정을 규명하는데 성공했다.
 * 이음새 DNA(branched DNA) : 통상 이중나선구조 모양을 갖는 1차원 DNA가 인위적으로 변형된 3,4,5개 혹은 6개의 팔(arm)을 가진 2차원 형태의 DNA로 유전자 복제나 손상치유과정, 재조합 과정 등에서 중요한 중간구조체로 주목받고 있다. 

향후 비정상 유전자를 정상 유전자로 바꾸는 DNA 손상복구와 이를 응용한 암치료 연구 등 이음새 DNA의 구조와 기능을 이용한 연구에 큰 진전을 가져올 것으로 기대된다.

포항가속기연구소(소장 조무현) 진경식 박사 연구팀이 수행한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 네이처가 발간하는 사이언티픽 리포트지(Scientific Reports) 11월 15일자 온라인판에 게재되었다.( 논문명: Robust Analysis of Synthetic Label-free DNA Junctions in Solution by X-ray Scattering and Molecular Simulation )

복제, 손상 치유 및 재조합 과정에서 이음새 DNA의 구조와 기능을 알기 위해 원자간력 현미경(AFM, Atomic Force Microscope), 형광공명에너지전달분광학(FRET, Fluorescence Resonance Energy Transfer Spectroscopy) 기법 등이 이용된다. 하지만 시료의 고정이나 화학적 처리과정으로 인체 내 상태에서의 사실적인 구조를 얻는데 한계가 있었다.

연구팀은 X-선 산란을 이용해 인체 내 환경과 같은 용액 상태에서의 이음새 DNA의 3차원 구조를 들여다보는데 성공했다. 

상온에서 이중나선형 구조를 가지는 이음새 DNA가 온도가 높아지면서 염기간 수소결합 파괴와 응집현상으로 불규칙 단일가닥으로 풀어지는 등 실시간 변화를 규명하고 이 과정에서 새로운 형태의 DNA 구조가 생체 내에 존재할 수 있음을 밝혀냈다.

실험에는 포항방사광가속기* 소각 X-선 산란 빔라인(Small-Angle X-ray Scattering)이 이용됐다.
 * 포항방사광가속기 : 전자를 빛의 속도로 가속시켜 만든 방사광으로 기초․응용과학 및 공학 등 다양한 실험을 수행할 수 있는 국가적 거대과학시설. 1994년 세계에서 다섯번째로 구축된 포항방사광가속기는 국내 유일의 3세대 방사광 가속기로 연간 3,000여명의 국내외 과학자들이 방문하여 실험을 수행하고 있다. 

이번 연구결과는 X-선 산란을 통해 전체적인 DNA의 크기와 모양 정보 뿐 아니라 DNA 나선의 방향이나 접힘 등 내부구조에 대한 정보를 얻을 수 있었기 때문에 가능했다. 

X-선 산란을 이용하면 DNA를 결정화하지 않고 생체환경과 최대한 비슷한 상태에서 DNA 외부구조를 볼 수 있는데다 X-선 회절을 이용하여 내부구조도 볼 수 있다.

진경식 박사는 “이번 연구결과가 DNA 치료 뿐만 아니라 DNA 자기조립, 나노공학 분야 분석 및 평가 기술 개발에 실마리를 제공할 것으로 기대한다”고 밝혔다.


연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

  최근 다양한 2차원 DNA 구조체가 개발되고 있고 가장 대표적인 것으로 알려진 이음새 핵산 (DNA Junction)은 인위적으로 변형되어 3, 4, 5, 또는 6개의 팔(arm)을 가진 형태로 제작되었다. 생물학적 관점에서 세포가 정상적으로 성장, 분열하려면 유전자 복제와 손상된 DNA의 치유가 정확히 이뤄져야 하는데, 이 과정에서 오류가 발생하면 비정상적인 세포가 생겨나서 암과 같은 치명적 질병을 유발하는 원인이 된다.

  특히 이 과정에서 세포 내 핵산 재조합 단계 또는 이를 복구하는 과정에서 홈을 가지는 이음새 핵산이 그 중간체로 존재하고 있음이 밝혀졌다. 분자생물학적 실험을 통해서 비정상적인 형태의 DNA를 인식하고, 정상 유전자로 치유해 나가는 DNA 손상 복구 메커니즘 규명을 위하여 많은 관심과 노력을 기울이고 있다.

  이를 위하여 기존에 X-ray crystallography(MX), nuclear magnetic resonance(NMR), cryo-electron microscopy(cryo-EM), atomic force microscopy(AFM) 기법의 조합과 이미 알려진 고해상도 individual subunit 구조의 docking과 rigid body refinement 방법을 통하여 생물학적으로 의미있는 모델을 제시하였다. 하지만 지금까지의 분석기법의 눈부신 발전은 well-defined/rigid structure에 주로 적용되었다.

  따라서 flexible DNA와 단백질의 구조 분석에 적용하기에는 많은 어려움이 있는 것이 현실이다. 고유의 flexibility를 가지고 있는 생물고분자의 경우는 결정화 자체가 어려우며, disordered loop 또는 domain의 구조를 MX 기법으로 캡처하기가 쉽지 않다. 따라서 생체 내에 존재하는 flexible/intrinsically disordered DNA와 단백질의 정량적인 분석을 위한 실험/분석 기법이 절실하다. DNA/단백질 결정학 연구를 위해 결정화시킬 수 있는 DNA/단백질이 전체의 10 % 미만이고, 생체 내에서 작용할 때는 결정의 형태보다는 용액 내에서 가지는 용액 구조일 가능성이 높음으로 DNA와 단백질의 용액 상 구조 연구는 새롭게 대두되는 큰 연구 분야라고 할 수 있다.

  생리학적인 용액 상태에서 시료의 소각 X-선 산란 (Small-angle X-ray Scattering, SAXS) 측정법은 생체분자의 생리현상이 활성화될 수 있는 고유의 환경 실험 조건 (온도, 압력, pH, 등등)과 분자량에 거의 제한이 없는 다양한 크기의 분자에 적용이 가능하며, 생리학적인 용액 조건에서 결정성 뿐만 아니라 비결경성 생물학적 분자의 구조 분석과 외부조건에 따른 구조적인 반응의 직접적인 연구가 용액에서 X-선 산란 기법을 통해 가능하다는 장점이 있다.

2. 연구내용

   본 연구의 “방사광 고 해상도 X-선 산란과 분자 동역학기법을 이용한 이음새 DNA의 열적 거동 연구”는 생명공학 분야에서 최근 많은 주목을 받고 있는 이음새 DNA 분자의 생리학적 용액 조건에서의 정확한 3차 구조를 밝혔으며, 온도에 따른 변성과 풀림의 열적 거동 현상을 방사광을 이용한 고 해상도 SAXS, WAXD 실험 기법과 순이론 모형 결정, 분자 동역학 시뮬레이션 분석 기법을 이용하여 분자 수준에서 규명하였다.

   2010-2012년에 걸쳐 PLS II 성능향상 사업에 의하여 저장링 (storage ring) 에너지의 증가와 In-Vac Undulator Insertion Device (IVU ID)의 설치로 인하여 X-선의 세기가 기존 PLS 대비 수십 배 증가하여 DNA 용액 시료 당 실험 시간이 수 초로 감소하였으며, DCM (분광기)를 통하여 18 keV (가용 범위 : 5-20 keV)의 고 에너지의 X-선을 focusing mirror (집속거울)의 사용으로 시료 위치에서 빔의 크기가 수 십 마이크로미터로 집속되었다.

  또한 시료와 검출기의 거리를 20 cm 이내로 접근시킴으로써 적당한 산란 세기를 얻기 위한 용액 시료의 60 % 이상의 높은 투과도를 확보하는 동시에 최대 3 Å의 고 분해능을 가지고 용액 상 WAXD(wide-angle X-ray diffraction) 실험을 수행할 수 있었다.

  이로 인하여 지금까지 SAXS 실험 기법을 통하여 얻을 수 있었던 용액 내 DNA 시료의 전체적인(overall) 크기와 모양 정보 뿐만 아니라, WAXD 실험 기법으로부터의 fingerprint 패턴 획득을 통하여 이음새 DNA 시료의 내부 구조 (B-, B'-, Z-DNA, double/single strand, folding/unfolding)에 대한 정보까지도 획득할 수 있었다. 또한 heating/cooling circulation control system과 sample cell/stage system을 구축하여 용매의 증발을 최소화하면서 실시간 온도 실험을 수행하였다. 따라서 기존의 분광학 (IR, CD, UV, Visible,...) 실험 장치를 통하여 얻었던 온도에 따른 2차 구조 변화의 제한된 정보를 뛰어 넘는 정확한 3차 구조를 획득할 수 있었다.

  연구결과, Y형과 X형 이음새 DNA는 상온에서 전형적인 B형 이중나선 DNA 구조를 형성하지만 약간의 비대칭적인 구조 형태로 존재하며, (1) 변성초기 단계 온도가 올라감에 따라 유전정보를 가지고 있는 염기들 사이의 수소결합의 파괴와 그로 인해 유연해진 DNA 가닥의 응집현상에 의한 구조적 변화가 발생하며, (2) 변성중간 단계에서는 이음새 DNA 분자가 각각 1개의 팔(arm)이 완전히 붕괴되어 사라지는 현상이 일어나며, (3) 변성마지막 단계에서는 부분적으로 변성된 이중나선 이음새 DNA 구조에서 단일가닥으로 이루어진 불규칙 코일(random coil) 구조로의 전이가 이루어졌음을 확인할 수 있었다. 이번 연구를 통해서 밝혀진 변성중간 단계의 변형된 구조는 그 동안 알려지지 않았던 새로운 형태의 구조로 인체 내 생리학적 환경에서 존재 할 가능성이 크다는 점에서 큰 의미를 부여할 수 있다.  

3. 기대효과

  이번 연구결과는 향후 생명공학기반, 유전공학, 세포공학 분야에서 분자생물학적 실험을 통해서 비정상적인 형태의 DNA를 인식하고, 정상 유전자로 치유해 나가는 DNA 손상 복구와 이를 응용한 암과 같은 치명적인 질병 치료 연구에 큰 단서를 제공할 것으로 기대된다.


연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가

기존 실험측정 및 분석의 어려움으로 이음새 DNA 구조에 대하여 제한적인 정보만 얻을 수 있었는데 이번에 방사광 X-선 산란기법을 통하여 보다 정확한 3차 구조 및 구조변화를 규명하였다. 

어디에 쓸 수 있나

손상 DNA 복구 규명과 이를 응용한 질병 치료 연구 등, 생명공학기반, 유전공학, 세포공학 분야와 DNA 자기조립, 및 나노공학 분야에 활용이 가능하다.

실용화까지 필요한 시간은

분자생물학, 유전학 분야에서 유사 종류의 기초연구가 많이 진행되고 있다. 현재 정확한 실용화 시기를 언급하기보다는 지속적인 연구 진행 및 연구결과 도출이 우선시 되어야 할 것으로 보인다.

연구를 시작한 계기는

지난 몇 년간 인체 내에 존재하는 DNA 연구를 진행하던 중 이음새 DNA가 생물학적으로 매우 중요한 의미를 가지고 있음에도 불구하고 알려진 연구결과가 너무 미약했기 때문에 도전하는 마음으로 연구를 시작하게 되었다.

선의의 경쟁연구진은

독일 EMBL 소각 X-선 산란 그룹이 용액 구조 생물학 분야를 선도하고 있다.

에피소드가 있다면

이음새 DNA 연구결과가 기존 연구결과에 비해 새로운 발견이어서 논문 심사자들의 질문이 매우 공세적이었고, 신뢰성 있는 데이터를 얻기 위해 많은 재현/반복 실험을 통하여 논문이 게제승인이 되었다. 

꼭 이루고 싶은 목표는

이번 연구 성과에 주저하지 않고 이음새 DNA에 대하여 한층 더  심도있는 연구를 지속적으로 수행하기를 기대하며, 이 분야 연구자가 양질의 연구 성과를 내는데 좋은 밑거름이 되길 희망한다. 

신진연구자를 위한 한마디

좋은 연구 성과는 번득이는 아이디어보다는 지속적인 인내, 성실과 사고를 통하여 얻을 수 있으며, 이 과정에서 창조적인 아이디어가 생겨나는 것 같습니다.

그림 1. 생체 내 존재하는 3, 4개 가닥으로 이루어진 X, Y형 이음새 DNA의 3차원 원자 구조 그림 2. 온도변화 시 단일가닥으로 분리된 DNA 구조

그림 3. 이음새 DNA의 온도 환경에 따른 변화 과정

※ 본 실험은 포항방사광가속기의 고에너지 영역(18 KeV) 방사광을 인출하는 빔라인(실험시설)에서 자체 개발한 시스템(고정밀 용액 시료셀 온도제어 시스템)을 적용하여 결과 획득


출처 : 생명과학 한국연구재단 (2013-12-17 10:16)

DNA, 암
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