표준연, 손상된 DNA 조각의 체내 분해요인 발견-자외선·흡연 등 발암물질 대응해 발생하는 DNA 손상조각, 체내 자체 감소원인 밝혀

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2022. 5. 27.

표준연, 손상된 DNA 조각의 체내 분해요인 발견-자외선·흡연 등 발암물질 대응해 발생하는 DNA 손상조각, 체내 자체 감소원인 밝혀

작성자관리자 작성일자2022-05-12 09:00

 

 

표준연, 손상된 DNA 조각의 체내 분해요인 발견

- 자외선‧흡연 등 발암물질 대응해 발생하는 DNA 손상조각, 체내 자체 감소원인 밝혀 - 

- 세계 최고 수준 DNA 손상조각 측정기술로 개인 맞춤형 암 치료연구 기여 전망 - 

 

 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 체내에서 DNA 손상조각을 분해시키는 단백질을 발견하고 이를 시험관에서 증명하는 데 성공했다.

 

세포 내 DNA는 자외선‧흡연 등의 발암물질과 체내 대사물질로 인해 매일 지속적인 손상을 입는다. 그럼에도 DNA 내의 유전정보가 보존되는 이유는 세포가 손상된 DNA를 복구하는 시스템이 존재하기 때문이다. 세포의 DNA 복구가 원활하지 않으면 DNA 손상이 누적돼 노화나 암을 포함한 심각한 질환이 발생할 수 있다.

 

DNA 복구 과정에서 필연적으로 발생하는 DNA 손상조각은 염증이나 부적절한 면역반응을 일으켜 질병을 유발할 수 있으며 시간이 지나면 체내에서 점차 감소한다. 지금까지는 극미량 DNA 조각을 분석할 수 있는 기술이 없어 이러한 감소의 원인을 알 수 없었으나, KRISS 연구진은 자체 기술력을 통해 특정 단백질이 DNA 손상조각의 분해에 기여한다는 것을 세계 최초로 밝히고 이를 시험관에서 증명해냈다.

 

연구진은 세포에 존재하는 수많은 유전자의 발현을 조절한 후 DNA 손상조각이 이러한 변화에 어떻게 반응하는지 정밀하게 측정했다. 이 과정에서 TREX1 단백질이 많아지면 DNA 손상조각이 크게 감소한다는 점을 밝혀냈다. 또한 세포에서 DNA 손상조각이 감소하기 전에 대량으로 분리‧정제해 시험관 내에서 TREX1 단백질이 DNA 손상조각을 분해한다는 것을 증명했다.

 

KRISS 바이오분석표준그룹 최준혁 책임연구원은 “DNA 조각들은 적절히 조절되지 않을 시 노화와 질병의 원인이 되고, 특히 암세포 내에서 항암치료에 내성을 유발한다고 알려져 있다”며 “DNA 손상조각의 분해 메커니즘을 밝힌 이번 연구성과는 항암치료 연구에 유용한 정보가 될 것”이라고 말했다.

 

이번 연구성과는 KRISS에서 자체 개발한 세계 최고 수준의 극미량 DNA 손상조각 측정기술이 있었기에 가능했다. KRISS는 2015년 세계 최초로 각종 발암물질로 인해 발생하는 DNA 손상조각 검출에 성공한 데 이어 해당 기술을 지속적으로 고도화해, 현재는 DNA 손상 후 3분 이내에 발생하는 DNA 손상조각도 정밀하게 분석할 수 있다. 또한 검출에 필요한 시료의 양도 이전 대비 약 10분의 1로 줄여, 10 피코그램 수준의 극히 적은 시료에서도 분석 가능하다. 

 

* 피코그램(picogram): 질량의 단위로 10-12 그램(gram)을 의미한다. 대장균 하나의 무게가 약 1 피코그램, 일반적인 인체세포 하나의 DNA가 약 6 피코그램으로 알려져 있다.

 

이 기술을 활용하면 개인별 DNA 복구 활성도를 직접적으로 상호비교할 수 있어, 암 발생 위험도 혹은 항암치료 효과 등을 산출해 개인 맞춤형 암 치료법을 개발하는 데 도움이 될 것으로 전망된다. 향후 KRISS는 극미량 DNA 손상조각 측정기술을 한층 더 발전시켜 임상 적용을 위한 발판을 마련할 계획이다.

 

KRISS 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행한 이번 연구의 성과는 생명과학분야 저명 학술지인 핵산 연구(Nucleic Acids Research, IF 16.97, 주/교신저자)에 4월 22일자로 게재됐으며 생물학연구정보센터(BRIC)의 ‘한국을 빛낸 사람들’ 논문으로 선정됐다. 최준혁 박사가 지도한 UST 석사과정 김선희, 김근회 학생이 논문 주저자로, 미국 라이트 주립대 켐프(Kemp) 교수가 공동교신저자로 참여했다. 

 

붙임1

연구성과 추가 설명

 

 

■ 용어 설명

 

○ 핵산(nucleic acid): 뉴클레오티드(nucleotides)라는 단위체로 구성된 중합체이다. 핵산에는 DNA와 RNA라는 두 가지 유형이 있으며, 유전정보의 저장과 전달, 그리고 발현을 돕는 기능을 담당한다.

 

○ DNA(deoxyribonucleic acid, 디옥시리보 핵산): 살아있는 모든 유기체 및 많은 바이러스의 유전적 정보를 담고 있는 이중나선 구조의 물질이다. 

 

○ RNA(ribonucleic acid, 리보 핵산): 유전자 본체인 DNA가 가지고 있는 유전정보에 따라 필요한 단백질을 합성할 때 직접적으로 작용하는 고분자 화합물이다.

 

○ DNA 손상(DNA damage): DNA 손상은 환경적인 요인과 정상적인 대사 활동으로 인한 요인에 의해 발생하는 DNA의 비정상적인 화학 구조이며 세포 하나당 매일 1,000~1,000,000개 가량 발생한다. 

 

○ DNA 복구(DNA repair): 세포가 자신의 유전정보를 암호화하는 DNA 분자의 손상을 인지하고 교정하는 과정 전반을 가리킨다.

 

○ 뉴클레오티드 절단 복구(Nucleotide excision repair; NER): 자외선이나 담배의 발암물질에 노출되어 손상된 DNA 부위를 인식하여 절제하는 방식으로 제거하여 복구하는 시스템이다. 

 

○ DNA-RNA 혼성체: DNA 가닥의 유전 정보를 사용하여 상보적인 RNA 가닥을 합성하는 과정에서 초기에 만들어진 RNA 가닥이 DNA 가닥과 강하게 결합하여 생성된 비정상적인 핵산 구조이다.  

 

 

■ 기술 관련 추가 설명 (극미량 DNA 손상조각 측정기술)

  KRISS 연구팀은 2015년 각종 발암물질에 의해 손상된 DNA를 복구하는 과정에서 발생하는 극미량의 DNA 조각을 분리하여 검출하는 기술을 세계 최초로 개발한 바 있다. 이 기술은 세포의 DNA 손상을 복구하는 과정에서 발생하는 미세한 DNA 조각을 정밀하게 검출하여 DNA 손상 및 복구에 대한 유용한 정보를 제공하는 새로운 바이오 분석법이다.

 

  현재는 이를 더욱 발전시켜, 10 피코그램(picogram) 수준의 극미량 DNA 손상조각을 분리하여 검출할 수 있는 수준에 도달하였고 이를 통해 DNA 손상 후 180초 이내에 발생하는 DNA 복구를 감지할 수 있다. 

 

  이러한 독보적인 기술력을 기반으로 KRISS 연구팀은 해외 선진 연구기관과 잇달아 국제공동연구를 수행하여 우수한 연구성과를 발표하고 있다. 네델란드 Erasmus 암센터가 주도한 대형 프로젝트에 참여하여 특정 세포 내 극미량의 DNA 손상 조각을 측정하는데 성공하였고, 그 연구결과는 분자생물학분야 최고 권위지이자 Cell의 자매지인 Molecular Cell(IF 17.97, 공저자)에 2022년 4월 7일자로 정식 게재되었다. 최근 미국 스탠포드 대학이 주도한 연구에서는 새로운 형태의 핵산조각인 DNA-RNA 혼성체를 분리하여 검출하는 기술을 개발하였고, 그 연구결과는 과학분야 최고 권위지인 Nature(공저자)에 투고된 상태이다. 

 

 

■ 관련 사업

○ KRISS 주요사업 (화학‧방사선 측정표준 확립)

○ 한국연구재단 중견연구자지원사업 (뉴클레오티드 절제 복구 활성을 측정하기 위한 sedDNA 분석법 개발)

 

 

■ 논문 정보

○ Nucleic Acids Research (IF 16.97, 주/교신저자) 

- 제목: TREX1 degrades the 3' end of the small DNA oligonucleotide products of nucleotide excision repair in human cells.

- 주소: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35357486

 

 

붙임2

사진 자료

 

 

 

 

▲ DNA 손상과 질병

 

사람의 세포 내 DNA는 다양한 요인에 의해 손상을 받고 있다. 이러한 손상이 적절하게 복구되지 않으면 결국 노화나 암을 포함한 심각한 질환을 일으키게 된다.

 

 

 

▲ 자외선, 흡연 및 화학물질에 의한 DNA 손상과 복구

 

1. 세포가 자외선이나 담배의 발암물질 및 각종 화학물질에 노출되면 DNA 손상이 발생한다.

2. DNA 복구 효소들이 손상을 인지하고 그 부위를 잘라낸다.

3. DNA 중합효소가 잘린 부위를 다시 채운다.

4. DNA 연결효소가 그 틈을 봉합하면서 완전히 복구된다. 

 

 

 

 

 

 

▲ DNA 복구 과정에서 발생하는 극미량 DNA 손상조각 측정

 

DNA 복구 효소들이 손상된 부위를 복구하는 과정에서 절단된 DNA 손상조각이 발생한다. 연구팀은 이러한 극미량의 DNA 손상조각을 분리하고 정밀하게 측정하는 세계 최고 수준의 기술을 가지고 있다.  

 

※ 그림 출처: Photochemistry and Photobiology (2007, 93; 192-198, 최준혁 외 2명) 발췌·수정

 

 

 

 

 

 

 

▲ DNA 손상조각 검출 모식도

 

1. 세포를 자외선 등 발암물질에 노출한다.

2. 세포를 용해한 후, DNA 손상조각을 분리한다.

3. 분리된 DNA 손상조각을 정제한다. 

4. 정제된 DNA 손상조각의 끝을 화학발광에 필요한 물질로 표지한다. 

5. 표지된 DNA 손상조각을 나일론 막에 고정한 후 화학발광을 통해 검출한다.

 

 

▲ KRISS 연구진이 세포를 발암물질에 노출 후 DNA 손상을 확인하고 있다

 

 

 

▲ KRISS 연구진이 분리‧정제 중인 DNA 손상조각

 

 

▲ KRISS 연구진이 검출한 DNA 손상조각을 분석하고 있다

 

 

 

▲ KRISS 연구진 (좌측부터 송윤주 학생연구원, 최준혁 책임연구원, 김근회 UST 학생연구원)

 

붙임3

최준혁 책임연구원 프로필

 

 

1. 인적사항

 ○ 성 명 : 최준혁

 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 화학바이오표준본부                바이오분석표준그룹 바이오진단분석표준팀

 ○ 직 위 : 책임연구원  

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2002~2005, 시티오브호프 미국립 암센터 연구원

 ○ 2009~2011, 노스캐롤라이나 대학 박사후과정 

 ○ 2011~현재, 한국표준과학연구원 책임연구원  

 ○ 2014~현재, 과학기술연합대학원대학교 교수 

 

3. 학회활동

 ○ 생화학분자생물학회 정회원

 

4. 전문 분야 정보

 ○ DNA 손상, DNA 복구, 세포독성

 

5. 발표논문 및 특허

 ○ “Highly specific and sensitive method for measuring nucleotide excision repair kinetics of ultraviolet photoproducts in human cells”, NAR(IF = 8.808) 등 SCI급 다수

 ○ “인성장호르몬의 가용화 및 분리 정제방법” 등 국내외 특허 다수