크로마틴 조절단백질과의 협력을 통한 암억제단백질 BAP1의 안정적인 DNA 복제 유도기능 규명
국내 연구진이 DNA의 정확한 복제를 돕는 암억제단백질(BAP1*)의 작용기전을 규명해냈다. 새로운 항암제 개발을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
* BAP1 : 최근 폐 표면과 흉부 내면 사이를 구성하는 흉막조직의 중피세포에서 유래하는 폐암인 흉막중피종 등에서 유전자 변이가 발견된 암억제단백질. 핵에 존재하며 표적단백질에 붙은 유비퀴틴을 떼어내는 탈유비퀴틴화 효소활성을 가지고 있다.
이화여대 생명과학과 권종범 교수 연구팀(제1저자 이한새 박사)이 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(핵심)과 보건복지부 암정복추진연구개발사업(미래도전연구)의 지원을 받아 수행한 이번 연구결과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature communications)지 온라인판 10월 6일자에 게재되었다.
(논문명 : Stabilization and targeting of INO80 to replication forks by BAP1 for normal DNA synthesis)
유전정보를 다음세대로 안정적으로 전달하기 위해서는 DNA 복제가 정상적으로 이뤄져야 하는데 이 과정에 관여하는 유전자에 변이가 생기면 유전체불안정성*이 초래되어 암이 발생할 수 있다.
* 유전체불안정성 : 염색체가 소실되거나 짧아지는 등 염색체의 수나 구조의 이상 또는 염기서열 변이 등 의 안정성이 저해된 것으로 암 세포에서 공통적으로 나타난다.
연구팀은 암억제단백질로 알려진 BAP1이 크로마틴* 조절에 관여함으로써 유전체의 안정성을 돕는다는 것을 알아냈다.
대표적인 크로마틴 조절단백질(INO80**)과 직접 결합, 이 단백질의 분해를 막고 복제분기점***으로 유도하여 복제가 안정적으로 이뤄지도록 돕는다는 것이다.
* 크로마틴 : 진핵세포의 핵 속에 존재하는 유전체 구조로 DNA와 히스톤 단백질이 고도로 응축된 구조
** INO80 : 전사조절, DNA 복제 등 유전체 대사조절에 관여하는 크로마틴 리모델링 인자
*** 복제분기점 : 복제과정에서 DNA 이중나선이 외가닥으로 풀어지면서 새로운 이중나선구조가 만들어지는 지점
실제 BAP1이 없는 폐암세포주에서는 INO80 단백질이 안정되지 못하고 분해되면서 농도가 크게 낮아져 있었다. 반면 인위적으로 BAP1을 넣어준 경우 농도가 다시 회복되었다. 또한 흉막중피종 환자의 종양조직에서 이 두 단백질 모두 농도가 낮은 것으로 나타나 암발생 억제기능을 확인할 수 있었다.
권 교수는 “BAP1과 INO80에 의한 암억제기전이 다른 암 종에서도 작용하는 일반적인 경로인지를 조사하고 생쥐를 이용해 본 가설을 구체화하기 위한 후속연구를 수행 중”이라고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
DNA 복제는 세포분열의 핵심과정으로서 유전체의 전달과 보전에 필수적이며 여기에 문제가 생기면 유전체불안정성이 야기되고 암이 발생한다.
INO80는 유전체의 실질적인 구조인 크로마틴의 역동성을 조절하는 리모델링 인자로서 전사조절과 DNA 손상복구에 기능한다고 알려져 있다. 하지만 INO80의 DNA 복제에서의 역할과 그 작용기전은 잘 알려져 있지 않다.
BRCA1 결합단백질로 발견된 BAP1은 핵에 존재하는 탈유비퀴틴화 효소로서 여러 종류의 인간 암 세포주에서 그 유전자 변이가 존재한다. BAP1 발현이 결손된 H226 흉막중피종(mesothelioma) 세포에 BAP1을 재발현하면 그 암화 활성이 억제된다는 보고가 있고, 최근에 악성흉막중피종 (Malignant pleural mesothelioma), 포도막흑색종 (Uveal melanoma), 피부흑색종 (Cutaneous melanoma) 및 신세포암 (renal cell carcinoma) 등에서 생식세포 및 체세포 돌연변이가 발견되어 다양한 암종의 종양억제자로 인식되고 있다. 하지만 암 억제기능과 관련된 BAP1의 세포 내 역할에 대해 알려진 바가 거의 없는 상황이다.
본 연구팀은 INO80의 DNA 복제기능 연구과정에서 BAP1이 INO80를 통하여 DNA 복제정상화와 유전체안정성을 도모하는 새로운 기전을 규명하였고 흉막중피종 형성에서 그 임상학적인 의미를 발견하게 되었다.
2. 연구내용
> INO80의 DNA 복제기능 규명
정상적으로 분열하는 인간세포에서 INO80의 DNA 복제기능을 조사하기 위하여 인위적으로 INO80 발현을 억제한 결과 DNA 복제시작이나 종결에는 문제가 없었으나 복제진행(replication elongation)이 크게 감소하였다. 또한 INO80 단백질이 복제분기점(replication fork)에 직접 결합한다는 사실을 관찰하였다. 이 결과는 INO80가 정상적인 DNA 복제과정에 직접 참여하여 복제진행을 원활하게 도와준다는 사실을 최초로 증명한 것이다. 더 나아가 유전자 적중 생쥐(knockout mice)를 제작하여 INO80 유전자 결손 생쥐는 DNA 복제에 문제가 생겨 초기배아발생 단계에서 사망하여 태어나지 못한다는 사실을 관찰하여 생체 내에서도 INO80의 DNA 복제기능이 중요함을 증명하였다.
> BAP1의 DNA 복제 조절기능 발견
인간유전체 전체를 대상으로 스크리닝한 결과 INO80 결합단백질로 BAP1을 발굴하였다. 세포 내에서 INO80 단백질의 양은 유비퀴틴-프로테아좀 체계 (Ubiquitin-proteasome system)에 의해 조절되고 BAP1이 탈유비퀴틴화를 통해 INO80의 분해를 억제하여 안정화시킨다는 사실을 발견하였다. 뿐만 아니라 BAP1은 INO80를 복제분기점으로 안내하여 그곳에 결합하도록 하는 중요한 역할을 한다는 사실도 알아냈다. 이 결과와 일치하게 BAP1은 유전체안정성 유지에 필수적이라는 실험결과를 얻었다. 이로써 BAP1의 DNA 복제역할과 유전체안정성 기능을 최초로 규명하였으며 암 억제인자로서 BAP1의 세포 내 기능을 이해하는데 중요한 단서를 제공하게 되었다.
> 흉막중피종에서 BAP1-INO80 조절경로 발견
INO80을 통한 BAP1의 DNA 복제 조절기능이 흉막중피종 세포에서도 작용하는지 조사하였다. 우선 BAP1 결손 H226 흉막중피종 세포에는 INO80 단백질 양이 크게 감소되어 있는 사실을 발견하였다. 이 세포에 인위적으로 BAP1을 재발현한 결과 놀랍게도 INO80 양이 원상 복구되었다. 이 결과는 H226 세포에서도 BAP1-INO80 조절경로가 작동하고 있음을 보여주는 것이다.
실제 암환자에서도 이러한 현상이 일어나는지 알아보기 위하여 서울대학교 병원에 위탁되어 있는 흉막중피종 환자의 종양조직 샘플을 분석한 결과 BAP1이 결손된 종양세포에서는 INO80 발현도 같이 감소되어 있다는 사실을 관찰하였다. 또한 흉막중피종 암 조직 마이크로어레이(cancer tissue microarray)를 구매하여 분석한 결과 동일한 결과를 얻었다. 즉 H226 세포에서 확인된 BAP1-INO80 조절경로가 실제 암환자의 종양조직에서도 존재한다는 사실을 보여준 결과라고 할 수 있다. 종합하면 BAP1 발현 결손으로 인해 INO80가 기능하지 못하여 DNA 복제에 문제가 발생하고 그 결과로 유전체불안정성이 야기되어 흉막중피종의 종양형성이 진행된 것으로 추측할 수 있다.
3. 기대효과
DNA 복제는 세포의 성장, 분열 및 분화는 물론 개체의 유전, 발달 및 성장에 핵심적인 과정이다. 이러한 생명현상에 부합되게 정교하게 조절되어야 하고 동시에 유전체의 구조적, 기능적 보전을 도모하여야 한다. DNA 복제과정과 조절에 문제가 생기면 유전체불안정성이 야기되고 암과 같은 치명적인 질병이 유발될 수 있다.
포유류 세포의 DNA 복제 분자기전은 상세히 알려져 있지 않으며 특히 크로마틴 구조 조절과 관련된 기전에 대한 연구는 매우 초보 단계이다. INO80는 DNA 복제에 관련된 최초의 크로마틴 리모델링 인자이며 그 작용기전에 대해 알려진 바가 거의 없는 상황이다.
본 연구를 통해 BAP1이 INO80를 안정화시키고 복제분기점으로 안내한다는 전혀 새로운 개념의 기전을 발견함과 동시에 암 억제인자와 DNA 복제와의 새로운 연결고리를 제공하여 이 분야의 향후 연구에 새로운 패러다임을 제공하였다.
BAP1은 최근에 새롭게 규명된 암 억제 단백질로서 흉막중피종, 흑색종 및 신장암 등의 암 발생과 관련이 있는 것으로 보고되고 있고 과학자들은 더 많은 종류의 암과 연관성이 있을 것으로 예상하고 있다.
따라서 BAP1의 세포 내 기능과 작용기전을 이해하고 그 조절경로를 제어할 수 있는 방법을 개발하면 항암제로 응용될 수 있을 것이다. 따라서 BAP1의 DNA 복제 및 유전체안정성 기능을 규명하고 이 기능의 결손이 흉막중피종 발생의 원인 중 하나로 제시한 본 연구결과는 단기적으로 흉막중피종 치료제 개발에 이용될 수 있으며 장기적으로는 더 많은 종류의 암 치료제 개발을 위한 지식기반을 제공할 것으로 생각된다.
용 어 설 명
1. 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지
- 네이처출판그룹(Nature Publishing Group)이 매주 발행하는 자연과학 분야 국제학술지
2. 악성흉막중피종
- 폐의 표면과 흉부의 내면 사이를 구성하는 흉막조직의 중피세포에서 유래하는 종양
- 흉막, 복막, 심막 등의 표면을 덮고 있는 중피에서 발생하는 중피종(mesothelioma) 중에 가장 흔한 암종으로 석면노출이 원인으로 알려져 있다.
3. 크로마틴 리모델링
- 진핵세포의 유전체는 DNA와 히스톤 단백질로 구성된 크로마틴이라는 특수한 구조로 존재한다. 크로마틴 구조는 유전체 DNA를 고도로 응축하여 핵의 좁은 공간에 잘 정렬되어 존재할 수 있게 하는 역할을 한다.
- DNA 전사 및 복제와 같은 유전체 대사가 원활히 이루어지려면 응축되어 있는 크로마틴 구조가 일련의 효소에 의해 풀어져야 하는데 이러한 구조적 변형을 크로마틴 리모델링이라 한다.
4. BAP1
- 핵에 존재하는 탈유비퀴틴화 효소로서 암억제인자 BRCA1과의 결합 등 다양한 세포 내 기능을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.
- 최근에 암 억제 단백질로 증명되었으며 그 유전자 변이가 흉막중피종, 흑색종 및 신장암 등의 암 발생에 관련된 것으로 생각되고 있다.
5. INO80
- DNA 복제에 관련된 최초의 크로마틴 리모델링 인자로 전사조절과 DNA 손상복구 등 다양한 크로마틴 대사조절에 관여하는 단백질 복합체
6. 유비퀴틴-프로테아좀 체계
- 세포 내의 단백질을 분해하는 대표적인 기전으로 표적 단백질에 작은 유비퀴틴 단백질이 결합되면 프로테아좀으로 명명된 거대 단백질 복합체로 안내되어 분해된다.
7. 유전체불안정성
- 모든 암세포에 나타나는 특징으로 세포분열에 따라 DNA 염기서열이나 염색체의 수 및 구조가 비정상적으로 변하는 성질
- 세포의 분열, 성장 및 사멸을 조절하는 유전자의 기능 이상을 초래하여 암 발생의 주요 원인이 되는 것으로 알려져 있다.
그 림 설 명
(왼 쪽) 면역형광표지기법으로 BAP1 및 INO80 단백질이 DNA 복제분기점에 존재함을 확인
(오른쪽) 면역형광표지기법을 통해 정상세포(위 패널)의 경우와 달리 BAP1 결손세포(가운데 패널) 혹은 INO80 결손세포(아래 패널)에서는 DNA 복제 진행정도가 크게 감소되어 있다는 사실을 확인
악성흉막중피종 폐암환자의 종양조직에서 BAP1 및 INO80 단백질 발현정도를 면역조직화학염색법을 이용하여 분석한 결과 정상세포의 핵(파란색 화살표)에서는 두 단백질 모두 강하게 발현되는 반면 종양세포의 핵(빨간색 화살표)에서는 발현이 모두 현저하게 감소된 것을 확인
(위) 정상세포에서는 BAP1이 INO80를 안정화시키고 복제분기점으로 안내하여 정상적인 DNA 복제를 도모하여 유전체안정성을 유지한다.
(아래) BAP1 결손 암세포에서는 INO80 분해가 촉진되어 복제분기점에 BAP1과 INO80가 결합하지 못하여 DNA 복제가 비정상적으로 진행되어 유전체불안정성이 초래된다.
