분자생물학 난제 'DNA 복제 스트레스' 비밀 풀었다

이자일 UNIST 생명과학과 교수 연구팀

이자일 교수(가장 오른쪽), 강유진 연구원(왼쪽에서 두 번째), 김수빈 연구원(가장 왼쪽). UNIST 제공

국내 연구진이 DNA 복제 과정을 실시간 이미지로 만드는 기술을 첫 개발하고 분자생물학의 오랜 숙제로 꼽혔던 'DNA 복제 스트레스'의 비밀을 풀었다.

울산과학기술원(UNIST)은 이자일 생명과학과 교수 연구팀이 'DNA 커튼' 기술을 이용해 DNA 복제 과정을 실시간으로 이미징하고 DNA 복제와 전사 단백질과의 충돌을 직접 관찰해 국제 학술지 '핵산연구'에 22일 공개했다고 30일 밝혔다.

DNA 복제는 유전정보를 다음 세대로 전달하는 핵심 과정이다. DNA에 포함된 유전정보를 리보핵산(RNA)으로 바꾸는 '전사 과정'에서 알룹(R-loop)과 충돌하면 그 과정이 중단된다. 알룹은 이중나선 DNA 사이에 RNA 한 가닥이 들어가면서 생성된 세 가닥의 핵산 구조다. DNA 복제 과정을 이미지로 만들고 '복제-알룹' 충돌 과정을 관찰한 것은 처음이다.

알룹과의 충돌로 DNA 복제가 멈추는 것을 'DNA 복제 스트레스'라고 한다. 이는 다양한 암, 신경질환, 노화 등 질병의 원인이 되는 것으로 알려져 있지만 실제로 DNA 복제와 알룹, 혹은 전사 단백질이 충돌했을 때 어떤 일이 발생하는지는 지금까지 정확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 단분자 이미징 기술인 DNA 커튼 기술을 활용했다. 세균 바이러스인 'Phi29'의 DNA 폴리머라아제의 복제 과정을 단분자 수준에서 실시간으로 이미징한 것이다. 연구팀이 Phi29와 단일 알룹의 충돌을 관찰한 결과, 단 하나의 알룹만 존재해도 DNA 복제를 멈출 수 있음이 확인됐다. 

만약 알룹에서 단백질 합성에 필요한 RNA를 제거할 경우, 알룹과의 충돌에 의해 중단된 복제 과정이 재개돼 복제 스트레스가 해소됐다. 또한 염색체 끝부분인 '텔로미어'에서 발생하는 알룹과의 충돌을 관찰한 결과, 텔로미어 특유의 사중 나선구조에서는 DNA 복제 스트레스가 더 자주 발생했다.

이어 DNA 복제와 전사 단백질의 충돌을 관찰한 결과 알룹 충돌보다 더 높은 빈도로 복제 과정이 중단됨을 확인했다. 연구팀은 이 같은 연구 결과를 통해 알룹 등에 의해 야기되는 질병 치료에 응용할 수 있을 것이라고 설명했다.  

연구를 이끈 이 교수는 "DNA 복제와 전사 및 알룹과의 충돌을 세계 최초로 실시간으로 형광이미징했다"며 "‘복제-전사 충돌’이라는 분자생물학의 오래된 문제에 대한 직접적인 해답을 제시한 것이 인정을 받은 것 같다"고 말했다. 그러면서 "앞으로 이 기술을 사람의 DNA 복제와 전사 연구에 응용하고 싶다"고 밝혔다.

[박건희 기자 wissen@donga.com]