생명과학 양병찬 (2015-10-08 09:24)
2015 노벨화학상은 DNA 복구메커니즘(DNA repair mechanism)을 연구한 과학자 세 명에게 돌아갔다. 영광의 주인공은 스웨덴의 토마스 린달, 미국의 폴 모드리치, 터키의 아지즈 산자르 세 사람이다. 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 이 세 사람이 "세포가 손상된 DNA를 복구하여 유전정보를 보호하는 메커니즘을 분자수준에서 규명했다"고 밝혔다.
DNA는 안정된 분자가 아니며, 시간이 경과함에 따라 서서히 붕괴한다. 린달은 1970년대에 스웨덴 카롤린스카 연구소에서 일하는 동안, "세포가 이 같은 붕괴과정에 맞서서 DNA에 저장된 유전정보의 총체성(integrity)을 보존하는 복구메커니즘을 보유하고 있을 것"이라고 확신했다.
"1970년대 이후 수많은 과학자들이 DNA 복구과정을 해명하는 데 뛰어들었다. DNA 복구분야는 너무 광범위한 데다 워낙 쟁쟁한 과학자들이 몰려 있어, 많은 이들은 누가 노벨상을 받을 것인지 판가름하기 어려웠다. 그러나 린달, 모드리치, 산자르가 각각 발견한 세 가지 복구메커니즘은 가장 중요할 뿐만 아니라 가장 잘 확립된 메커니즘이어서, 노벨상을 받을 만한 자격이 충분하다고 생각된다"라고 프랜시스 크릭 연구소에서 DNA 복구를 연구하는 스티븐 웨스트 박사는 말했다. (현재 린달은 프랜시스 크릭 연구소의 명예소장 직을 맡고 있다.)
1. 염기절단복구(BER: base excision repair)
토마스 린달, 폴 모드리치, 아지즈 산자르는 각각 독자적으로 인간의 DNA 복구 메커니즘을 연구해 왔다. 제일 먼저 연구를 시작한 사람은 (알프레드 노벨과 마찬가지로) 스웨덴 출신의 토마스 린달이었다.
1960년대 말, 린달은 "DNA가 안정성을 유지할 수 있는 비결은 뭘까?"라는 의문을 품기 시작했다. 당시 과학계에는 "DNA는 매우 회복력이 높다"는 통념이 지배하고 있었다. 진화는 돌연변이를 필요로 하지만, 한 세대에 일어날 수 있는 돌연변이는 극히 제한적이라고 간주되었다. 만약 유전정보가 너무 불안정하다면, 다세포생물들은 존재할 수 없기 때문이다. 린달은 미국 프린스턴 대학교에서 박사후과정을 밟는 동안 (DNA의 사촌뻘인) RNA 분자를 연구했지만, 진행이 신통치 않았다. 실험 과정에서 RNA를 가열해야 했는데, 그러다 보면 RNA가 급속도로 붕괴되는 것이 문제였다. 린달은 갑자기 이런 의문을 품게 되었다. "RNA는 DNA보다 민감한 것으로 알려져 있다. 그런데 RNA가 이렇게 쉽게 분해된다면, DNA는 과연 얼마나 잘 버틸 수 있을까? 인체의 DNA는 평생 동안 무사할 수 있을까?" 이 의문은 두고두고 린달의 마음 속을 떠나지 않았다.
린달이 의문을 풀기 위해 덤벼든 것은 그로부터 몇 년 후였다. 그 즈음 그는 스웨덴으로 돌아와 카롤린스카 연구소에 재직하고 있었다. 몇 가지 간단한 실험을 해 보니, 그의 의문이 정확했던 것으로 밝혀졌다. DNA는 느리지만 분명히 붕괴하고 있었던 것이다. 이론적으로 계산해 보니, DNA는 매일 수천 번씩 치명적인 손상을 입는다는 결론이 나왔지만, 그렇다면 인간이 지구상에 존재하는 것이 불가능할 것으로 보였다. 고심 끝에, 그는 DNA의 결함을 수리하는 분자시스템이 있음에 틀림없다는 결론을 내렸다. 이로써 린달은 'DNA 복구메커니즘'이라는 전혀 새로운 연구분야의 원조가 되었다.
(1) DNA 손상을 제거하는 특별한 효소
인간의 DNA와 마찬가지로 아데닌, 구아닌, 시토신, 티민으로 구성된 세균의 DNA를 이용하여, 린달은 DNA 복구에 관여하는 효소를 찾기 시작했다. DNA의 화학적 약점 한 가지는 '시토신(cytosine)이 아미노기를 쉽게 잃어 유전정보가 변형될 수 있다'는 거였다. DNA 이중사슬 안에서 시토신은 구아닌(guanine)과 늘 짝을 이루는데, 아미노기(amino group)가 사라질 경우 손상된 시토신은 아데닌(adenine)과 짝을 이루게 된다. 따라서 이 문제가 지속된다면, 다음번에 DNA가 복제될 때 돌연변이가 일어나게 된다. 린달은 "세포가 필시 모종의 예방조치를 취할 것"이라고 생각하고 세균의 효소를 뒤진 끝에, 손상된 시토신을 제거하는 세균의 효소를 발견했다.
출처: 노벨상위원회 보도자료
(2) BER의 원리 규명
1974년 린달은 세균의 DNA 복구효소에 관한 논문을 발표하고, 35년간 승승장구했다. 그는 그 동안 세포의 DNA 복구 도구상자(toolbox) 속에 있는 단백질들을 다수 발견하여 분석했다. 1980년대 초에는 영국으로 건너가 임페리얼 암 연구기금에서 연구했고, 1986년에는 새로 설립된 클레어홀 연구소의 소장으로 취임하여 과학적 창의성으로 명성을 날렸다. 그러는 과정에서, 린달은 BER이 일어나는 과정에 관한 퍼즐조각(분자 이미지)을 하나씩 하나씩 맞춰나갔다. 그리하여 1974년 발견한 것과 비슷한 글라이코실레이스(glycosylase)라는 효소가 BER의 첫단계를 담당하는 것으로 밝혀졌다. BER는 인간에게서도 발생하는 것으로 밝혀져, 1996년 린달은 in vitro에서 인간의 DNA 복구과정을 재현하는 데 성공했다.
2. 뉴클레오타이드 절단복구(NER: nucleotide excision repair)
린달이 발견한 결정적 사실은 'DNA가 아무리 세포 깊숙한 곳에서 보호받고 있을지라도, 내부적 요인으로 인한 손상을 피할 수 없다'는 것이다. 그러나 DNA는 자외선과 같은 환경요인에 의해서도 손상되는데, 세포는 이 손상을 복구하기 위해 별도의 메커니즘을 동원한다. 이것이 바로 뉴클레오타이드 절단복구(NER)인데, NER을 발견한 사람은 터키의 사부르에서 태어나 미국에서 연구생활을 한 아지즈 산자르다.
(1) 의사에서 생화학자로
산자르가 생명의 분자에 매혹된 것은 이스탄불에서 의사가 되기 위해 공부하던 때였다. 의대를 졸업한 후, 그는 몇 년 동안 터키의 시골에서 의사생활을 했다. 그러나 1973년, 그는 생화학을 공부하기로 결심했는데, 특별히 그의 관심을 끌었던 현상은 '세균을 치사량의 자외선에 노출시켰을 때, 청색 가시광선을 비추면 갑자기 회복한다'는 거였다. 산자르는 거의 마법 같은 현상을 보고 이런 의문을 품었다. "자외선에 의한 손상이 회복되는 화학적 메커니즘은 뭘까?"
(2) 백의종군
때마침 미국 텍사스 대학교의 클라우드 루퍼트라는 과학자가 이 현상을 연구하고 있어서, 산자르는 그의 연구실에 합류했다. 1976년 그는 (오늘날에 비하면) 신통찮은 분자생물학 도구를 갖고서, 자외선에 의한 DNA 손상을 복구하는 효소 - 포톨라이에이스(photolyse)를 발견하는 데 성공했다. 뿐만 아니라 세균으로 하여금 포톨라이에이스를 과잉생산하게 하는 데도 성공했다. 그는 이 연구결과를 박사학위 논문으로 제출했지만, 사람들은 그의 논문에 별로 강한 인상을 받지 않았다. 그래서 박사후연구원에 지원했다가 연거푸 세 번이나 물을 먹자, 그의 연구는 사장(死藏)될 위기에 놓였다. 그러나 그는 좌절하지 않고, DNA 복구 연구를 계속하기 위해 백의종군을 하기로 결심했다. 그는 DNA 복구 분야를 선도하는 예일 대학교 의과대학에 실험실 테크니션으로 취직하여 와신상담하며 재기를 노렸고, 마침내 노벨화학상을 거머쥐게 되었다.
(3) 자외선 손상 복구의 메커니즘
그 즈음 세균은 두 가지 시스템을 이용하여 자외선 손상을 복구하는 것으로 알려져 있었다. 하나는 광의존성 포톨라이에이스(light-dependent photolyase)고, 다른 하나는 암흑시스템(dark system)이었다. 예일 대학교에 새로 합류한 산자르의 동료는 1960년대 중반 3개의 자외선 감수성 세균(UV-sensitive bacteria)을 이용하여 암흑시스템을 연구했는데, 세 가지 세균은 각각 uvrA, uvrB, uvrC 라는 돌연변이 유전자를 갖고 있었다.
포톨라이에이스에 관한 선행연구에서와 마찬가지로, 산자르는 암흑시스템의 분자기구(molecular machinery)를 찾기 시작했다. 그로부터 몇 년 내에, uvrA, uvrB, uvrC 유전자가 코딩하는 효소를 동정·분리·파악하는 데 성공했다. 그리고 획기적인 in vitro 연구를 통해, 이 효소들이 자외선 손상을 확인한 다음, 손상된 부분의 양쪽을 절단한다는 사실을 발견했다. 그 결과 손상된 부분을 포함하여 12-13개의 뉴클레오타이드가 제거되는 것으로 밝혀졌다.
출처: 노벨상위원회 보도자료
(4) 인간과 세균의 유사성
산자르의 연구는 해당 연구분야의 지형을 송두리째 바꿔 놓았고, 그는 이 결과를 1983년에 논문으로 발표했다. 덕분에 그는 노스캐롤라이나 대학교 채플힐 캠퍼스의 생화학 교수로 임용되었다. 그러나 그는 이에 만족하지 않고, NER의 다음 단계를 연구하는 데 박차를 가했다. 토마스 린달을 비롯한 과학자들과 같은 시기에, 그는 인간의 NER을 연구했다. 인간의 NER을 담당하는 분자기구는 세균보다 훨씬 더 복잡했지만, NER이 일어나는 화학적 원리는 대동소이하다는 결론이 나왔다.
그렇다면, 산자르가 처음에 관심을 가졌던 포톨라이에이스는 어떻게 됐을까? 단도직입적으로 말해서, 그는 결국 포톨라이에이스로 다시 돌아와 세균의 자외선손상 복구에 관여하는 메커니즘을 기어이 밝혀내고야 말았다. 게다가 '포톨라이에이스의 인간 버전이 생체시계(circadian clock)에 관여한다'는 사실도 추가로 확인했다.
3. 불일치복구(MMR: mismatch repair)
마지막으로, 폴 모드리치의 업적에 대해 알아보자. 그 역시 DNA 복구메커니즘에 대한 희미한 생각에서 출발하여, 분자수준의 정교한 메커니즘을 밝혀냈다.
(1) 아버지의 권유
모드리치는 미국 뉴멕시코의 작은 마을에서 성장했다. 뉴멕시코의 넓고 다채로운 풍경은 그로 하여금 자연에 대한 관심을 갖게 했다. 그런데 어느 날, 화학 교사로 일하던 아버지가 DNA에 대해 공부해 보라고 권했다. 때는 1963년! 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 DNA 구조를 발견한 공로로 노벨상을 수상한 이듬해였다.
그로부터 몇 년 후, DNA는 정말로 모드리치의 인생에서 중심을 차지하게 되었다. 스탠퍼드 대학교에서 박사학위를 취득하고, 하버드 대학교에서 박사후 과정을 마친 후, 듀크 대학교에서 교수로 재직하면서, 그는 DNA에 영향을 미치는 일련의 효소들을 분석했는데, 그중에는 DNA 라이게이스(DNA ligase), DNA 폴리머레이스(DNA polymerase), 제한효소Eco RI(restriction enzyme Eco RI)가 포함되어 있었다. 그 후 1970년대 말 Dam 메틸레이스(DNA adenine methylase)에 관심을 돌리면서, 평생 동안 그의 연구과제가 될 DNA 복구메커니즘과 마주치게 되었다.
(2) 의기투합
Dam 메틸레이스는 DNA에 메틸기를 연결시키는 효소다. 모드리치는 이 메틸기가 ‘표지판’으로 작용하여, 특정 제한효소로 하여금 DNA 가닥의 올바른 위치를 절단하게 한다는 사실을 알게 되었다. 그러나 불과 몇 년 전에, 하버드 대학교의 매튜 메셀슨(분자생물학)은 메틸기가 또 다른 신호기능을 갖는다는 사실을 발견했었다.
메셀슨은 약간의 분자생물학적 조작을 통해, 박테리오파지의 DNA에 불일치염기(mismatching base)를 여러 개 도입해 보았다. 예컨대, 시토신(C) 맞은편에 티민(T) 대신 아데닌(A)을 배치하는 식이었다. 그 다음 이 바이러스를 세균에게 감염시켜 보니, 불일치를 교정하는 것이 아닌가! 세균이 이 같은 복구메커니즘을 발전시킨 원인을 아는 사람이 아무도 없었지만, 1976년 메셀슨은 다음과 같이 추론했다. "염기의 불일치를 교정한 범인은, DNA가 복제될 때 간혹 발생하는 불일치를 복구하는 천연 메커니즘일 것이다." 메셀슨의 추론은 계속 이어졌다. "만약 내 생각이 맞다면, DNA의 메틸기가 어떤 가닥을 주형(template)으로 삼을 것인지 결정하도록 도와줄 것이다."
모드리치와 메셀슨의 공통관심사는 메틸화(methylation)였다. 두 사람은 의기가 투합하여, 여러 개의 불일치가 포함된 바이러스를 함께 만들었다. 그런데 이번에는 모드리치가 발견한 Dam 메틸레이스를 이용하여 DNA 가닥 중 하나에 메틸기를 붙여 보았다. 그런 다음 바이러스를 세균에게 감염시켰더니, 세균은 '메틸기가 없는 DNA 가닥'을 일관되게 교정하는 것으로 나타났다. 그리하여 두 사람은 다음과 같은 결론에 도달했다. "MMR은 세균이 보유한 천연 복구메커니즘으로, DNA가 복제될 때 발생하는 불일치를 교정하며, 이때 메틸기가 없는 가닥을 잘못된 가닥으로 인식하게 된다."
출처: 노벨상위원회 보도자료
(3) MMR의 메커니즘
모드리치는 메셀슨과의 공동연구를 계기로 하여, 10년간의 체계적인 연구에 착수했다. 그는 MMR에 관여하는 효소들을 하나씩 하나씩 규명해 나갔다. 1980년대 말, 그는 MMR의 복잡한 메커니즘을 in vitro에서 재현하고, 매우 세부적으로 연구했다. 마침내 1989년, 10년간의 연구결과가 논문으로 발표되었다.
모드리치는 린달이나 산자르와 마찬가지로, MMR의 인간버전도 연구했다. 그리하여 인간의 MMR은 1,000번에 999번의 정확성으로 불일치를 복구한다는 결론에 도달했다. 그러나 인간의 경우에는, 오리지널 가닥을 확인하는 방법이 아직 확실히 밝혀지지 않았다. 인간의 경우에는 DNA 메틸화가 수행하는 역할이 세균과 다르므로, 뭔가 다른 것이 잘못된 가닥을 확인하는 데 사용될 것으로 보인다. 그것이 뭔지는 앞으로 밝혀져야 할 숙제다.
(4) MMR과 암
BER, NER, MMR 외에, 인간의 DNA를 유지보수하는 메커니즘은 여러 가지가 있다. 그것들은 매일 흡연이나 기타 유전자독성 물질(genotoxic substance)로 인한 DNA 손상을 복구하고, DNA의 자발적 변형을 끊임없이 수정하며, 세포분열이 일어날 때마다 발생하는 수천 개의 불일치를 복구한다. 이 같은 복구메커니즘이 없다면, 우리의 유전체는 붕괴되고 말 것이다. 여러 개의 메커니즘 중 하나만 실패해도, 유전자정보는 신속하게 변화하여 발암 위험이 증가하게 된다. NER 과정이 선천적으로 손상되면 색소성 건피증(xeroderma pigmentosum)에 걸리는데, 이 질병에 걸린 환자들은 자외선에 매우 민감하므로, 햇빛에 노출되면 피부암이 발생한다. MMR에 결함이 있는 사람들은 유전성 결장암 등에 걸릴 위험이 증가한다.
사실, 많은 암들은 DNA 복구메커니즘 중 하나 이상이 제대로 작동하지 않을 때 발생한다. DNA 복구시스템에 장애가 발생하면, 암의 DNA가 불안정해진다. 암세포가 종종 돌연변이를 일으켜 화학요법에 저항성을 갖게 되는 이유 중의 하나도 바로 DNA 복구메커니즘의 장애 때문이다. 또한 암에 걸린 세포들은 남아 있는 DNA 복구메커니즘에 대한 의존도가 증가한다. 따라서 DNA 복구시스템이 없다면, 암세포는 큰 손상을 입어 사멸하게 된다. 과학자들은 이 같은 약점을 항암제 개발에 이용하려고 노력하고 있다. 암세포에 남아 있는 DNA 복구메커니즘을 억제한다면, 암세포의 증식을 지연시키거나 완전히 중단시킬 수 있다. 이러한 원리를 이용한 항암제의 대표적 사례는 올라파립(olaparib)이다.
4. 결론
결론적으로, 2015 노벨화학상 수상자들이 수행한 기초연구는 인체의 작동원리에 대한 이해를 심화시켰을 뿐만 아니라, 생명을 살리는 치료법을 개발하는 데도 기여할 것으로 보인다. 폴 모드리치는 노벨상 수상의 비결을 다음과 같이 말했다: "가장 중요한 것은 호기심에 이끌려 연구를 시작하는 것이다. 하지만 연구가 어떤 방향으로 흐를지는 아무도 모르기 때문에, 약간의 운도 필요하다."
참고로, 올해 9월 권위있는 래스커 기초의학연구상도 'DNA 손상 복구메커니즘'을 연구한 과학자들에게 돌아갔지만, 영광의 수상자는 위의 세 사람이 아니라 스티븐 엘리지(브리검 여성병원)와 에블린 위트킨(럿거스 대학교) 박사였다.
※ 링크와 더 읽을 거리
1. 노벨상 수상자들의 소개와 전기
(1) Howard Hughes Medical Institute, Biography Paul Modrich.
HTTP://HUSKY_TMP.MARKER/4078http://www.hhmi.org/scientists/paul-l-modrich
(2) Weston, K. (2014) Country Life: Repair and Replication. In Blue Skies and Bench Space: Adventures in Cancer Research. Long Island, New York, Cold Spring Harbor Laboratory Press. http://blueskiesbenchspace.org/index.php?pag=4
(3) Zagorski, N. (2005) Profile of Aziz Sancar, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 102(45), 16125–16127. http://www.pnas.org/content/102/45/16125.full.pdf
2. 동영상
(1) Howard Hughes Medical Institute (2003) Mismatch repair.
http://www.hhmi.org/biointeractive/mismatch-repair
(2) Interview with T. Lindahl (2015) Cancer Research UK. https://www.youtube.com/watch?v=FHlnqiEQig0&index=16&list=PL_bJU93S6g0sCs1CQ_eh2o_z7ztU-QkE-
3. 학술논문
(1) Lahue, R. S, Au, K. G. and Modrich, P. (1989) “DNA Mismatch Correction in a Defined System”, Science, 245(4914), 160–164.
(2) Lindahl, T. (1974) “An N-Glycosidase from Escherichia coli That Releases Free Uracil from DNA Containing Deaminated Cystosine Residues”, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 71(9), 3649–3653.
(3) Sancar, A. and Rupp, W. D. (1983) “A Novel Repair Enzyme: UVRABC Excision Nuclease of Escherichia coil Cuts a DNA Strand on Both Sides of the Damaged Region”, Cell, 33(1), 249–260
※ 출처:
1. 노벨상 위원회 보도자료
(http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/popular-chemistryprize2015.pdf)
2. 네이처(http://www.nature.com/news/dna-repair-sleuths-win-chemistry-nobel-1.18515)
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