손상된 DNA '복구 원리' 규명…"항암·노화 연구의 열쇠"

손상된 DNA가 빠르게 복구되는 원리가 규명됐다. DNA는 '생명체의 설계도'로, 매일 수만 건의 손상이 발생한다. 이러한 손상이 축적되면 유전체의 불안정성은 높아져 암과 노화 등을 야기할 수 있다. 이 때문에 인체에는 DNA 손상을 복구하는 효소가 작동한다. 국내 연구팀은 이 효소가 어떤 경로로 손상 부위를 탐색해 DNA 안정성을 유지할 수 있게 하는지를 밝혀내 항암·노화 관련 연구의 단초를 마련했다.

(상단 왼쪽부터) UNIST 생명과학과 이자일 교수, KAIST 생명과학과 이광록 교수,성균관대 물리학과 유제중 교수, (하단 왼쪽부터) UNIST 김수빈 통합과정, KAIST 이동훈 박사, 성균관대 조경필 통합과정. KAIST

KAIST는 생명과학과 이광록 교수팀과 울산과학기술원(UNIST) 이자일 교수팀·성균관대 유제중 교수팀이 DNA 복구 효소 'APE1(apurinic/apyrimidinic endonuclease 1)'이 손상된 DNA를 찾아내는 분자 메커니즘을 규명했다고 4일 밝혔다.

APE1은 DNA 손상 부위를 인식해 복구를 시작하는 효소다. 공동연구팀은 단일 생체분자의 움직임과 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 '단일분자 FRET'와 DNA 여러 가닥을 정렬해 단백질과의 상호작용을 관찰하는 'DNA curtain', 컴퓨터로 분자 움직임을 계산하는 시뮬레이션 '분자동역학'을 결합해 APE1의 움직임을 실시간 추적했다.

이 결과 APE1은 무작위로 DNA를 탐색하는 게 아니라, DNA 선을 따라 이동하며 탐색(손상 부위를 찾는)하는 방식의 '1차원 확산(1D diffusion·DNA)' 전략을 사용하는 것으로 확인됐다.

마치 대도시 아래 미로처럼 얽힌 지하 배관을 따라 이동하면서, 미세한 누수 지점을 찾는 '지능형 점검 로봇'의 움직임과 닮았다. 이는 손상 부위를 찾기 위해 무작정 이곳저곳을 탐색하는 게 아니라 '유전체 고속도로(DNA)'를 따라 효율적으로 이동하는 형태다.

AI 생성 이미지. KAIST

특히 공동연구팀은 효소 끝자락의 유연한 구조인 '비정형 영역'이 DNA 탐색 과정에서 핵심적인 역할을 하는 것도 밝혀냈다.

비정형 영역은 일정한 형태 없이 자유롭게 움직이는 단백질 구간으로, 이 영역이 갈고리처럼 DNA를 붙잡아 APE1을 DNA와 밀착시켜 장시간 이동할 수 있게 돕는다는 게 공동연구팀의 설명이다. 실제 비정형 영역을 제거했을 때 APE1이 손상 부위를 찾는 능력은 5배 이상 감소하는 것으로 나타났다.

마그네슘 이온(세포 내 효소 반응을 돕는 금속 이온)이 단순 보조인자 역할을 넘어 DNA 탐색 효율을 높이는 핵심 요소로 작용한다는 점도 이번 연구에서 확인됐다. 마그네슘 이온이 APE1과 DNA의 결합을 안정화해 효소가 DNA 위를 보다 효율적으로 이동할 수 있게 돕는다는 것이다.

이광록 교수는 "이번 연구는 생체 분자가 비정형 영역을 통해 DNA 손상 부위를 빠르게 탐색한 후 정형 영역을 통해 정교하게 작동하는 메커니즘을 규명한 사례"라며 "이 원리는 암세포의 DNA 복구 기능을 무력화하는 차세대 항암제 개발과 노화 억제 연구의 핵심 단서가 될 수 있다"고 말했다.

이자일 교수는 "비정형 영역이 DNA 손상 부위를 찾는 데 핵심 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다는 점에서 이번 연구에 의미 부여가 가능하다"고 강조했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 이동훈 박사, UNIST 김수빈 박사과정, 성균관대 조경필 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 지난달 14일 국제학술지 '핵산 연구(Nucleic Acids Research)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr