세포 안의 DNA는 자외선, 자연 방사선의 환경 속에서, 그리고 활성산소종 (ROS) 같은 반응성 산물에 의해서 손상을 입게 된다. 손상된 DNA는 내재된 복구기전을 통해 새것처럼 고쳐진다. 때때로 복구기전이 망가질 때, 우리는 암과 같은 유전적 질환을 맞게 된다. 유전적 불안정성에 기반한 질병, 암. 돌려 얘기하면, DNA 손상복구를 완벽히 이해하는 것이 암정복을 앞당길 수 있는 해결책이 될 수 있다는 말이다. 2015년 base excision repair (BER), nucleotide excision repair (NER), mismatch repair (MMR) 세 가지 복구기전에 대해 연구를 주도한 토마스 린달, 폴 모드리치, 아지즈 산자르가 노벨화학상을 수상한 것도 바로 이러한 연유에 기인한다. 다른 분야와 마찬가지로 아직 풀리지 않은 숙제들이 너무도 많이 산적해 있지만 그 중에서도 오늘은 RNA 전사와의 관계를 들여다 보려 한다. RNA 전사는 DNA에 득이 될까, 실이 될까? 이 글에서는 DNA 이중나선절단 (double-stranded breaks, DSBs) 복구의 핵심기전이자 유전적 다양성의 중심 역할을 담당하는 상동재조합 (homologous recombination, HR)의 진행에 있어 지금껏 알려지지 않았던 RNA의 기능을 밝힌 최근 논문 내용을 소개하고 향후 연구방향에 대해 생각해보고자 한다.
DNA 이중나선절단은 DNA 손상가운데 가장 세포에 치명적이라고 한다. 뿐만 아니라, 면역글로불린 종류변환 (immunoglobulin class switch recombination), 텔로미어 길이 유지와 같은 생리작용의 중간산물로도 쓰이기 때문에, 결핍과 이상이 생긴다면 발달장애, 노화, 면역계 및 신경계 질환, 그리고 암으로 이어질 수 있다. 진핵세포는 두 가지 손상복구기전, 비상동말단접합 (non-homologous end joining, NHEJ)과 상동재조합을 이용하여 이 위험한 손상에 대응한다. 비교적 쉽고 빠른 복구를 진행하는 비상동말단접합에 비해, 상동재조합 복구는 세포주기 S기동안 염색체 복제 후에 생성된 자매염색분체 (sister chromatid)를 주형(template)으로 복구하기 때문에 무결점 (error-free)의 복구가 가능하다 (그림 1). 유방암이나 난소암 등의 원인으로 알려진 BRCA 유전자 돌연변이의 대부분이 상동재조합 기능 상실 (loss-of-function)에서 유래한다고 알려져 있듯이, 상동재조합 결핍은 암예측에서도, 그리고 PARP 저해제와 같은 표적 항암제의 활용에도 효과적으로 활용된다.
상동재조합 복구과정은 다음 세 단계로 구성된다 [1]: (1) DNA 말단재절제 (end resection), (2) DNA 가닥침습 (strand invasion), (3) Holliday 접합해제 (Resolution of Holliday Junctions). DNA 말단재절제는 Mre11-Rad50-Nbs1으로 구성된 MRN 복합체와 CtIP 가수분해효소 (nuclease)를 통해 초반 5’ 가닥의 말단의 일부를 절제하고, 이후 추가 nucleases (Exo 1와 Dna2)를 투입하여, 길게는 수 천개까지의 염기(base)를 5’ 말단으로부터 제거한다. 이 과정을 통해 생성된 3’ 단일가닥 돌출 (3’ single-stranded overhang)은 Rad51 재조합효소 (recombinase)와 결합하여 자매염색분체로 침습하고 상보적인 염기서열과 결합하는데 이 때 형성된 구조를 ‘D-loop (displacement-loop)’이라 부른다. DNA 중합효소 δ는 침습한 가닥 말단으로부터 염기를 연장(extension)하여 절단부위를 채우고 마지막으로, Mus81-Eme1과 같은 Holliday 접합해제효소 (resolvase)를 통해 복구를 마친다.
앞서 언급했듯이, 상동재조합의 첫 단계인 DNA 말단재절제는 5’가닥의 말단을 선택적으로 제거한다. 그렇다면 이 때, 어떻게 3’ 단일가닥은 nuclease에 의해 제거되지 않을 수 있을까? 이 질문에 대해 오랜기간동안 연구자들은 단일가닥 결합 특성을 가진 RPA (replication protein A) 단백질이 3’ 단일가닥을 보호하는 역할을 한다고 믿어왔다 [2, 3]. 그러나 RPA와 결합한 DNA 단일가닥이 정말로 nuclease로부터 안전을 보장받을 수 있는지에 대한 직접적인 증거는 제시된 적이 없다. 흥미롭게도, 최근 연구를 통해 ‘3’ 단일가닥의 안전’은 그것과 상보적인 서열을 지닌 nascent RNA 전사체 (transcripts)를 통해 확보된다고 밝혀졌다 [4] (그림 1). 즉, RNA 전사체와 3’ 단일가닥이 형성한 ‘RNA-DNA hybrid (R-loop)’가 상동재조합 과정의 필수요소임을 밝혀낸 것이다.
연구결과를 좀 더 자세히 보면, 상동재조합 초기, RNA 중합효소 III (RNAPIII)는 MRN 중합체와 물리적 상호작용을 통해 이중나선절단 말단에 위치한다. MRN과 CtIP의 초기 말단재절제에 의해 만들어진 수 십개의 DNA 단일가닥 부위는, RNA 중합효소 III의 전사개시 주형으로 활용된다. 이를 시작으로 더 길게 연장되는 RNA 전사체는 3’ 단일가닥과 결합하여 보호기능을 수행할 뿐만 아니라, 5’가닥말단을 더 길게 제거하는 과정에서도 이용되는데, 5’가닥을 통째로 분리시켜 Dna2 flap endonuclease를 통한 말단재절제의 완성을 돕는 역할을 하게 된다. 이 연구결과를 통해 그동안 무엇이 Dna2와 Exo1의 DNA 나선효소 (DNA helicase)역할을 하는지에 대한 궁금증도 동시에 해결할 수 있었으며, RNAPIII는 유전적 결실 (genetic loss)를 막는 상동재조합의 새로운 필수단백질로써 명실상부하게 자리매김을 할 수 있게 되었다.
재미있게도, R-loop의 상동재조합 조절 기능은 여기서 그치지 않고, 그 다음과정인 가닥침습 단계에도 필요하다는 연구결과가 연이어 보고되었다 [5] (그림 1). 이 보고에 의하면 RNA 전사가 활발히 일어나는 부위에서 DNA 이중나선절단이 발생하여 상동재조합이 시작되면, 절단 주변에서 전사된 RNA가 RAD51AP1 (Rad51-associated protein 1) 단백질과 결합하여 자매염색분체의 상보적인 DNA서열과 결합하여 R-loop을 형성한다고 한다. 그리고 Rad51 recombinase에 의해 침투한 3’ 단일가닥은 R-loop맞은편에 D-loop을 형성하게 되는데 연구진은 이 새로운 구조를 ‘DR-loop’이라고 일컫고, ‘DR-loop’이 3’ 단일가닥이 자매염색분체 동일서열을 찾는데 도움을 준다는 사실을 밝혀냈다. 이상의 연구 결과를 통해 RNA가 상동재조합 복구과정의 중요조절인자임을 새롭게 제시하게 되었다.
이렇듯, 상동재조합에 필요한 R-loop의 생성기전은 명확히 제시되었지만 이 못지않게 중요할 것으로 생각되는 R-loop의 제거 과정에 대한 연구 또한 서둘러 진행되어야 할 것이다. 그리고 이러한 향후 추가 연구를 통해 새롭게 밝혀질 또다른 상동재조합 필수요소들은 항암제 개발의 새로운 표적으로 활용될 것이고 BRCA1이나 BRCA2, Rad52 등과 같이 아직까지 그 기능이 명확하게 정의되지 않은 다른 상동재조합 단백질의 보다 정확한 기능 연구에도 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
‘RNA-DNA hybrid’는 때로 DNA 이중나선절단을 일으키는 원인이 되기도 한다. 현재까지 RNA 전사가 DNA 항상성에 긍정적일지, 부정적일지에 대한 질문에 명확한 대답을 내놓기는 쉽지 않아 보인다 [6]. 이러한 논쟁에서도 한가지 확실한 것은 DNA 손상반응과 복구를 논할 때, 이제 RNA 전사를 떼어놓고 설명할 순 없게 되었다는 점이다. 우리가 익히 들어본 microRNA, long noncoding RNA, RNA-DNA hybrid에서부터, DNA damage-dependent small RNA (DDRNAs)나 damage-responsive transcript (DARTs), damage-induced lncRNA같이 비교적 낯선 RNA까지 DNA 손상복구와 관련되어 활발히 연구되고 있다 [7]. 염기서열이나 구조, RNA 결합단백질과의 상호작용, 전사후 변형과 같은 더 많은 변수들이 함께 접목되어 광범위한 연구가 진행될 것으로 기대된다.
Liu, S. & Kong, D. End resection: a key step in homologous recombination and DNA double-strand break repair. GENOME INSTAB. DIS. 2, 39-50 (2021).
Niu, H. et al. Mechanism of the ATP-dependent DNA end-resection machinery from Saccharomyces cerevisiae. Nature 467, 108-111 (2010).
Cejka, P. et al. DNA end resection by Dna2-Sgs1-RPA and its stimulation by Top3-Rmi1 and Mre11-Rad50-Xrs2. Nature 467, 112-116 (2010).
Liu, S. et al. RNA polymerase III is required for the repair of DNA double-strand breaks by homologous recombination. Cell 184, 1314-1329.e10 (2021).
Ouyang, J. et al. RNA transcripts stimulate homologous recombination by forming DR-loops. Nature 594, 283-288 (2021).
Rinaldi, C., Pizzul, P., Longhese, M. P. & Bonetti, D. Sensing R-Loop-Associated DNA Damage to Safeguard Genome Stability. Frontiers in Cell and Developmental Biology 8, 1657 (2021).
Ketley, R. F. & Gullerova, M. Jack of all trades? The versatility of RNA in DNA double-strand break repair. Essays Biochem 64, 721-735 (2020).
연세대학교 공과대학, 학사
서울대학교 자연과학대학, 석박사
서울대학교 생명과학부, 박사후 연구원
미국 University of Virginia, Research Scientist
국립암센터 책임연구원
