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UNIST, 세계 최초로 DNA 복제 실시간 관찰...각종 질병 원인 ‘알룹’ 역할 밝혀
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UNIST, 세계 최초로 DNA 복제 실시간 관찰...각종 질병 원인 ‘알룹’ 역할 밝혀

  • 이민준 기자
  • 승인 2023.11.30 10:28
  • 댓글 0
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UNIST 생명과학과 이자일 교수 연구팀
분자 이미징으로 DNA 복제·충돌 현상 규명
국제 학술지 핵산 연구 'Nucleic Acids Res' 게재

DNA 복제(DNA replication)는 원본 DNA를 가지고 새로운 두 개의 DNA로 만드는 과정으로 모든 생명체에서 일어나며, 생물학적 유전의 기초다.

국내 연구팀이 DNA 복제를 실시간으로 이미지화할 수 있는 기술을 개발했다는 소식이다.

왼쪽 이자일 교수, 4번째 강유진 연구원, 우측 제1저자 김수빈 연구원 /UNIST 제공

30일 울산과학기술원(UNIST) 생명과학과 이자일 교수 연구팀은 세계 최초로 DNA 복제서 발생하는 현상 실시간 관찰했다고 밝혔다. 해당 연구는 저명한 국제 학술지 'Nucleic Acids Research(핵산 연구)'에 11월 22일 자로 논문명 'Direct visualization of replication and R-loop collision using single-molecule imaging'로 온라인 공개됐다.

이는 DNA 복제와 관련된 문제를 해결해 각종 질병 치료에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 단분자를 시각적으로 이미지화하는 ‘DNA 커튼’ 기술을 사용해 DNA 복제 과정을 실시간 이미징했다. 세계 최초로 DNA 복제와 알룹(R-loop) 또는 전사 단백질과의 충돌을 직접 관찰했으며, 분자생물학의 오랜 숙제였던 ‘복제-전사’와 ‘복제-알룹’ 충돌 과정의 비밀을 밝혔다.

알룹은 이중나선 DNA가 풀린 상태에 한 가닥의 DNA가 상보적인 RNA와 결합하여, RNA-DNA 하이브리드와 단일나선 DNA 이렇게 3 가닥으로 이루어진 핵산 구조다. 알룹은 불완전한 전사, DNA 손상 등에 의해서 발생하며, 면역, 염색체 분리 등에서 중요한 역할을 하며, DNA 복제를 방해한다고 알려져 있다.

DNA 복제는 유전정보를 다음 세대로 전달하는 핵심적인 과정이지만 DNA가 포함한 유전정보를 읽어 RNA로 바꾸는 전사 과정이나 불완전한 전사에 의해 발생하는 알룹과의 충돌 때문에 그 과정이 멈추게 된다.

이런 현상을 'DNA 복제 스트레스'라고 하는데, 이는 다양한 암, 신경 질환, 노화 등 질병의 원인이 된다. 질병 예방과 치료를 위해서 복제-전사, 복제-알룹 충돌에 대한 이해가 필요한 이유다.

DNA 커튼을 이용한 DNA 복제와 알룹 충돌 이미징 /UNIST 제공

단분자 이미징 기술인 ‘DNA 커튼’ 활용

연구팀은 첨단 바이오기술에 활발하게 사용되는 세균 바이러스인 Phi29 DNA 폴리머라아제에 의한 DNA 복제 과정을 실시간으로 이미징 하고 전사와 알룹과의 충돌을 관찰했다. 하나의 알룹이 DNA의 복제를 멈춰 DNA 복제 스트레스를 유도할 수 있다는 것을 실험적으로 증명했다. 알룹에서 단백질 합성에 필요한 RNA를 제거할 경우 멈춰진 복제가 다시 진행돼 복제 스트레스가 해소될 수 있다는 것 또한 확인했다.

염색체 끝부분인 텔로미어에서 생성되는 알룹과의 충돌 관찰

텔로미어는 DNA 복제가 반복되면서 짧아져 생명체의 수명이나 노화와 밀접하게 관련 있다고 알려져 있다. 사람의 텔로미어에는 사중 나선구조(G-quadruplex)가 형성되는데, 이 사중 나선구조에 의해 알룹에서 DNA 복제가 더 높은 빈도로 멈춘다는 것을 확인했다는 것이다.

연구팀은 복제-전사 충돌을 관찰했는데 이 경우에는 DNA 복제가 알룹과 충돌했을 때 보다 더 높은 빈도로 멈춘다는 것을 확인했다고 설명했다.

Phi29 DNAp와 알룹의 충돌 과정- Phi29 DNAp와 알룹이 충돌할 경우, (위) RNA가 주형 DNA에 반대에 결합이 되어 있으면 Phi29 DNAp의 복제를 막지만, (아래) RNA가 주형 DNA와 결합하고 있으면 Phi29 DNAp가 알룹을 통과해서 복제를 진행한다. /UNIST 제공

이자일 교수는 “DNA 복제는 생명 현상의 근원이고, 본 연구는 DNA 복제와 전사 및 알룹과의 충돌을 세계 최초로 실시간으로 형광이미징 했다”며 “‘복제-전사 충돌’이라는 분자생물학의 오래된 문제에 대한 직접적인 해답을 제시한 것이 인정을 받은 것 같다. 앞으로 이 기술을 사람의 DNA 복제와 전사 연구에 응용하고 싶다”고 기대했다.

제1 저자 김수빈 박사과정 연구원은 “알룹은 현재 백혈병을 비롯한 암 및 신경 질환과 같은 여러 질병에 원인으로 세계적으로 활발하게 연구되고 있으며, 본 연구를 통해서 알룹에 의해서 야기되는 질병의 치료에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

해당 연구에서 개발된 DNA 복제 및 전사 과정의 실시간 이미징 기법은 DNA 복제와 관련된 수많은 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

포인트경제 이민준 기자


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