국내 연구진이 인간세포의 분열시 복제된 염색체의 분리 과정에 대한 자세한 조절기전을 밝혀냈다. 이번 성과는 세포분열* 과정에서 염색체 이상으로 인해 유발될 수 있는 암이나 다운증후군 등의 다양한 질환들에 대한 발병 기전을 이해하는 데에 기여할 것으로 기대된다.
    * 흔히 체세포분열이라고 불리는 모세포와 딸세포의 염색체 수가 같은 유사분열(Mitosis)이 일어나며, 유전물질(DNA)은 히스톤 단백질과 꼬여 염색사 형태로 핵에 흩어져 있다가, 유사분열기(M phase)에 염색사가 응축하여 염색체(chromosome)를 형성한다. 

성균관의대 분자세포생물학교실 이창우 교수와 김현수 박사(제1저자) 팀이 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업 등의 지원으로 수행한 이번 연구성과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 10월 23일자 온라인 판에 게재됐다.
     (논문명 : Functional interplay between Aurora B kinase and Ssu72 phosphatase   regulates sister chromatid cohesion )

생물의 성장이나 발달을 위해서는 세포분열이 필수적이며, 세포분열시 핵 안의 염색체가 2배로 복제된 후, 2개의 딸세포로 분리되는 과정이 정밀하게 제어되어야 유전정보가 정확하게 전달될 수 있다.

염색체 복제과정 조절에 있어서 코헤신*이라는 거대 단백질 복합체가 관여하는 것으로 알려져 있지만, 대부분 효모(yeast)에서 증명되었고, 인간세포에서의 정확한 기전을 밝히는 데에는 한계가 있었다.
    * 코헤신(cohesin) : 세포주기 동안 염색체 접합과 분리 조절을 담당하는 고리모양의 단백질 복합체

연구팀은 세포분열과정에서 복제된 염색체를 결합하고 분리시키는 과정에 작용하는 새로운 단백질 Ssu72를 발굴하고, 이 단백질이 발암 유전자이자 단백질인 Aurora B와 상호작용함을 규명해 냈다.

연구팀은 Ssu72가 복제과정을 조절하는 코헤신 단백질에 작용하는 탈인산화효소*임을 밝혀내고, 세포 내에서 Ssu72를 억제시키거나 변형시키면 복제된 염색체가 비정상적으로 빠르게 분리되는 것을 확인함으로써 복제된 염색체를 결합시키기 위해서는 Ssu72가 필수임을 알아냈다. 

또한, 세포의 유사분열기에서 매우 중요하다고 알려진 Aurora B가 인산화효소**로 Ssu72에 작용하면, Ssu72의 기능인 탈인산화 활성도가 현저하게 낮아짐을 알아냈다.
    * 탈인산화효소(phosphatase) : 타겟 단백질에 결합된 인산기(phosphate group)를 제거하는 단백질로, 타겟 단백질의 기능 및 생화학적인 특성을 변화시킨다.
   ** 인산화효소(kinase) : 탈인산화효소와 반대로 타겟 단백질에 인산기를 전달하는 단백질로, 마찬가지로 타겟 단백질의 활성 등에 영향을 준다. 

염색체 분리과정에서의 오류로 인한 염색체 이상은 암이나 다운증후군 같은 유전질환 등으로 이어질 수 있는데,  이번 연구성과는 세포분열시 복제된 염색체의 결합 및 분리가 Ssu72의 탈인산화 활성에 의해 조절됨을 밝힘으로써, 향후 이러한 질병의 원인규명이나 치료제 개발 등에 중요한 자료로 활용될 것으로 기대된다.

이창우 교수는 “연구초기부터 염색체 결합 및 분리 기전에 관심이 많았으며, 난제로 남아있던 인간세포에서 복제된 염색체가 결합하고 분리되는 새로운 작용기전을 밝혀서 기쁘다”면서,  “앞으로 염색체 이상 질환 환자들에게 실질적으로 도움이 될 수 있도록 꾸준히 연구하겠다”고 밝혔다.

1. 연구배경
 
  세포가 분열하는 동안에 복제된 염색체를 유지하고 분리시키는 과정은 코헤신이라 불리는 거대한 단백질 복합체에 의해 조절된다. 따라서 코헤신의 비정상적인 조절이나 유전적인 불활성화 또는 돌연변이는 세포내의 염색체의 비정상적인 현상을 유도함으로서 염색체의 불안정성을 야기할 수 있다. 실제 암이나 유전질환에 직접적으로 연관되어 있음이 최근 연구 결과들을 통해 보고되고 있었다.
  복제된 염색체의 결합 및 분리의 조절은 크게 1) cohesin loading, 2) cohesion establishment, 3) cohesin dissociation 과정으로 나뉜다고 알려져 있다. 하지만 이러한 과정은 대부분 효모(yeast) 모델에서 증명되었고, 아직까지 코헤신의 ring이 인간을 포함한 고등생물에서 어떻게 결합되고 열리는지는 의문점으로 남아있다. 또한 현재까지 밝혀진 cohesion 조절기전은 대부분 코헤신 단백질의 아세틸화에 초점을 맞추고 있고 코헤신 조절 단백질인 Ssu72 유전자의 결함이나 돌연변이에 의한 cohesin의 과인산화(hyperphosphorylation)가 cohesion에 미치는 영향에 대한 연구는 전무한 실정이다.

2. 연구내용

본 연구에서는 코헤신 구성 단백질인 Rad21와 SA2에 결합하는 새로운 탈 인산화 단백질 Ssu72을 발굴하였고, 이 단백질이 복제된 염색체를 결합시키는데 필수적임을 확인하였다. 세포 내에서 Ssu72을 억제시키거나 돌연변이를 유도하였을 때 복제된 염색체가 비정상적으로 빠르게 분리되는 것을 확인하였고, 반대로 Ssu72을 과발현시켰을 때는 복제된 염색체가 분리되지 않는 것을 확인하였다.
  또한 Ssu72는 유사분열기 과정에서 매우 중요하다고 알려진 발암 유전자 Aurora B에 의해서 인산화가 일어남을 확인하였고, 이 인산화된 Ssu72는 그 고유기능인 탈인산화의 활성도가 현저하게 낮아졌고, 이는 복제된 염색체의 결합 및 분리가 Ssu72의 탈 인산화기능에 의해 조절 받음을 새롭게 확인한 결과이다.
  또한 Aurora B가 Ssu72의 19번째 아미노산인 세린(Serine) 잔기를 인산화 시킨다는 현상을 Mass spectrometry 분석 방법과 in vitro kinase assay를 통해 확인하였고, 흥미롭게도 Aurora B에 의한 Ssu72의 19번째 세린의 인산화는 Ssu72 단백질의 안정성의 저해를 유도하였고, 더 나아가 유비퀴틴화 과정을 통해 단백질 분해가 일어남을 확인하였다. 
  세포분열 과정에서 복제된 염색체가 결합되고 분해되는 것을 조절하는 Ssu72라는 새로운 단백질을 처음으로 제시하였고, 이 단백질이 발암 유전자인 Aurora B에 의해 조절 받음으로서 암을 비롯한 많은 다양한 인간의 질환의 새로운 발병 기전을 이해하는 데에 기여할 것이다.

3. 기대효과

  암을 비롯한 많은 선천성 유전질환 등이 유전체(염색체)의 불안정화와 직접 관련되어 있다. 따라서 이들 질병에 대한 선택적인 치료기술을 개발하고, 진단의 표적을 발굴하기 위해서는 염색체의 안정성을 통제하는 유전자의 발굴 및 기능연구가 절실히 필요하다. 그러므로 본 연구를 통해 수행된 특정 질병에 대한 특정 표적유전자에 초점을 둔 새로운 개념의 분자적 연구는 해당 질환의 기초정보를 제공하고, 향후 치료기술의 발판을 구축하는 계기를 제공하게 될 것으로 기대된다.

이번 성과 뭐가 다른가

복제된 염색체의 결합 및 분리 기전에 관해 고등동물이 아닌 효모 수준의 연구가 대부분이었다. 그 가운에 Ssu72라는 새로운 염색체 분리의 중요한 인자를 발굴하여 새로운 가설을 제시했다는 것과 연구결과가 인간세포로 이루어졌다는 점에서 의미를 갖는다. 

어디에 쓸 수 있나

염색체 분리조절 실패는 유전질환, 발생질환, 암 등과 연관된 것으로 알려져 있다. Ssu72 유전자는 관련 질환을 진단하는 새로운 진단표적으로서 저해제와 같은 조절물질의 개발을 통해 치료기술에 응용될 수 있다. 

실용화까지 필요한 시간은

현재 Ssu72 저해제 후보물질 스크리닝이 진행 중이며, 이어세포에서의 효능 연구와 전 임상 수준에서 효능 평가에 집중할 계획이기에 향후 5～6년 안에 개발을 목표로 하고 있다.

실용화를 위한 과제는

Ssu72의 저해제의 합성, 독성 평가, 효능평가, 전임상 연구 등을 위해서는 다학제간 유기적인 협력연구가 필요하며 지속적인 지원으로 실용화가 현실적으로 가능하여야 할 것이다.

연구를 시작한 계기는

초기부터 염색체 결합 및 분리 기전에 매우 관심이 많았다. 이 분야 연구가 전 세계적으로도 미진한 부분이 많다고 생각했고, 운 좋게도 코헤신 조절 단백질인 Ssu72라는 탈 인산화 효소를 찾게 되었고, 이에 대한 심도 있는 연구를 시작했다. 

꼭 이루고 싶은 목표는

선천성 유전질환, 발달질환 등과 같이 염색체 이상 질환 환자들에게 실질적으로 도움이 되는 연구가 되길 희망하며, 오랜 기간이 소요되고 기술적으로 어려움이 많은 해당 분야 연구를 선도하는 최고 수준의 연구팀을 만들고 싶다.

신진연구자를 위한 한마디

새로운 도전에 고민하지 말고 사명감과 열정을 가지고 끈기 있게 도전하면 미래는 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것이라고 확신합니다.  


그림 1. 탈인산화 효소인 Ssu72 단백질의 구조
  (왼쪽) D-box, LxCxE, Polo-box binding 도메인 등 Ssu72 단백질의 기능적 모티프. 내부에 탈인산화 효소(PPase) 도메인이 자리하고 있다.
  (오른쪽) 탈인산화 도메인 부분을 확대한 단백질 구조

그림 2. 염색체 접합 및 분리에 있어서 Ssu72의 in vitro 분자적 기전 모델
  세포가 성장하고 있는 동안 Ssu72는 세포주기의 합성기(S-phase)와 복제기(G2-phase)기 동안에는 고유의 탈인산화 기능을 통해 코헤신을 탈인산화 함으로써 복제된 염색체를 단단하게 결합시키는 핵심적인 조절자로 판단된다.
  세포가 분열하는 유사분열기(mitosis) 또는 감수분열기(meiosis) 동안에는 Aurora B나 Polo-like kinase 1과 같은 인산화효소(kinase)들에 의해 Ssu72의 탈인산화 기능이 감소되고 이어 유비퀴틴화에 의해서 분해됨으로서 복제되어 결합되어 있던 염색체의 분리가 일어나는 새로운 모델을 제시하였다.

Journal reference
Nat Commun. 2013 Oct 23;4:2631. doi: 10.1038/ncomms3631.
Functional interplay between Aurora B kinase and Ssu72 phosphatase regulates sister chromatid cohesion.
Kim HS, Kim SH, Park HY, Lee J, Yoon JH, Choi S, Ryu SH, Lee H, Cho HS, Lee CW.

출처 : 생명과학 미래창조과학부 (2013-11-07 13:54)