UNIST 김홍태 교수팀, 손상된 DNA 복구의 작용원리 찾아내 

암 치료, 유전병 신약개발 공헌 기대… NAR 논문 개제 

UNIST 생명과학과 김홍태 연구팀

모든 진핵 세포에서 유전자는 다양한 요인에 의해 지속적으로 손상이 일어나며 적절히 복구되지 않는 경우 유전적 불안정성과 세포사멸을 야기할 수 있다. 특히 DNA 두 가닥 사이의 공유결합이 일어나는 DNA 결속손상1)은 DNA의 복제와 전사를 막고 DNA의 절단을 초래하여 치명적인 질병으로 이어질 수 있다. DNA 결속손상은 인간 세포에서 아직까지 그 복구 기작이 정확히 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 지금까지 연구되지 않은 DNA 결속손상 복구 기전을 밝혀내어 유전체의 안정성을 유지하는 기작에 대한 새로운 관점을 제시하였다.

국내 연구진이 손상된 DNA의 복구 활성을 조절하고 세포의 방어 시스템에 관여하는 새로운 단백질을 찾아냈다. 이번 연구는 악성 암 발생의 주요 원인인 염색체 불안정성을 효과적으로 제어하고 나아가 악성 암 극복에 도움이 될 전망이다.

UNIST 김홍태 교수팀은 UNIST 명경재 교수, 숙명여대 김용환 교수팀과 공동으로 DNA 결속손상(Interstrand Crosslink, ICL) 복구 과정에서 경로 선택에 중요한 역할을 하는 효소로 알려진 TRAIP과 결합하는 ZNF212 단백질을 발견했다.

DNA 결속손상은 DNA 두 가닥 사이에 공유결합이 일어나는 현상이다. 이는 DNA의 복제와 전사를 막고 DNA의 절단을 초래하여 세포사멸을 유도한다. 항암화학요법에 광범위하게 이용되고 있는 platinum계열의 항암제는 DNA 결속손상을 일으켜 암세포 사멸을 유도하는 기전을 활용한다. 따라서 DNA 결속손상의 복구에 대한 연구는 향후 항암제의 성능을 개선하는 데 활용될 수 있다.

ZNF212 단백질이 TRAIP 단백질과 함께 DNA 결속손상 부위로 이동하며 NEIL3 단백질의 모집을 촉진하여 DNA 손상을 수복하고 유전체의 안정성을 유지함.

기존 연구에 따르면 개구리알 추출물에서 TRAIP 단백질은 결속손상 복구 기작을 결정하는 중요한 조절인자로 작동한다. 하지만 인간 세포에서 결속손상을 복구하는 기전은 명확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 인간 세포에서 TRAIP 단백질의 기작을 밝혀내기 위해 ‘효모단백질잡종법’을 이용하여 결합 단백질인 ZNF212을 발견했다. 연구 결과에 따르면 ZNF212 단백질의 발현을 감소시켰을 때 세포의 염색체 불안정성이 증가하고 세포의 생존성이 크게 떨어지는 것이 확인됐다.

또한 연구팀은 ZNF212 단백질의 추가적인 기능을 연구하기 위해 살아있는 세포에서 DNA 손상 부위로 단백질이 이동하는 것을 확인할 수 있는 ‘극소방사선 기법’을 활용했다. 그를 통해 ZNF212 단백질이 TRAIP과 함께 DNA 손상 부위로 빠르게 이동하는 것을 관찰했다. 또한 ZNF212 단백질은 NEIL3 단백질과 직접적으로 결합하며 NEIL3 단백질이 손상 위치로 이동하는데 중요한 역할을 한다는 것이 확인됐다.

김홍태 생명과학과 교수는 “이번 연구는 잘 알려지지 않은 DNA 결속손상 복구과정에 관여하는 새로운 단백질인 ZNF212의 역할을 보여줬다”며 “향후 암 치료, 유전병 신약개발을 위한 후속 연구의 청사진을 제공했다”고 말했다.

연구 수행은 한국연구재단, 기초과학연구원(IBS), 대학중점연구소의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 결과는 생화학&분자생물학분야 상위 2.6% 논문인 세계적 학술지인 ‘핵산 연구(Nucleic Acids Research)’ 에 1월 3일 자로 온라인 게재됐다. 논문명은  ZNF212 participates in interstrand DNA crosslink repair through direct interaction with TRAIP.)이다. 

□연구개요

1, 연구내용

본 연구팀은 DNA 결속손상에서 경로 선택에 중요한 역할을 하는 효소인 TRAIP2)의 새로운 결합 단백질로 ZNF212 단백질을 발견하였고 ZNF212 단백질이 다양한 유전독성물질에 의해 유발되는 DNA 손상반응에서 중요한 역할을 한다는 사실을 확인하였다.

본 연구팀은 포유동물 세포에서 TRAIP의 분자적 작동원리를 밝혀내기 위하여 효모단백질잡종법3)을 사용하여 TRAIP의 결합 단백질들을 분석하였고 ZNF212 단백질을 새로운 TRAIP의 결합 파트너로 확인하였다. 또한 세포 내에서 ZNF212의 발현을 감소시킨 후 유전독성물질을 처리하였을 때 세포의 생존율이 감소하고 이를 복구하기 위한 상동 재조합의 발생율이 현저히 감소하는 것을 밝혔다. 추가로 유전자가위를 이용하여 마우스 세포에서 ZNF212 단백질 발현을 제거하였을 때, DNA 교차 결합을 유도하는 유전독성 물질에 의한 염색체 불안정성이 증가하고 세포의 생존에 큰 영향을 끼치는 것을 확인하였다.

또한 본 연구팀은 살아있는 세포에서 DNA 손상 부위로 단백질이 이동하는 것을 확인할 수 있는 극소 방사선 실험을 사용하여 ZNF212 단백질이 TRAIP 단백질과 함께 DNA 손상 부위로 빠르게 이동하는 것을 관찰하였고 서로의 이동을 조절하는 것을 확인하였다. 또한 같은 실험 방법을 통해 ZNF212 단백질이 복제 의존적 DNA 결속손상 복구 과정에서 이를 직접적으로 제거하는 데에 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려진 NEIL3 단백질과 결합하며 동시에 NEIL3 단백질이 교차 결합 부위로 이동하는 것을 조절하는 상위 인자로 작용한다는 사실을 증명하였다.

2. 기대효과

이번 연구 결과를 통해 ZNF212 단백질이 TRAIP과 NEIL3와의 상호작용을 통해 DNA 손상을 수복함으로써 결과적으로 유전체의 안정성을 유지하는데 필수적임을 밝혀내었다. 악성 암 발생의 주요 원인인 염색체 불안정성을 효과적으로 제어하는 작동원리의 규명은 향후 암 발생 억제 및 암 치료제 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

□용 어 설 명

1. DNA 결속손상 (DNA interstrand crosslink)

다양한 외인성 또는 내인성 물질이 두 DNA 가닥 사이의 두 뉴클레오티드와 반응하여 일어난 공유 결합.

2. TRAIP (TRAF interacting protein)

DNA 손상 반응, 상동 재조합 및 DNA 결속손상 복구에 관련된 핵심 인자이나 인간 세포에서 그 정확한 기능은 완전히 밝혀지지 않음.

3. 효모단백질잡종법 (Yeast two hybrid)

효모를 사용하여 두 단백질 사이의 상호작용을 알아내는 연구 기법.