KAIST·UNIST·성균관대, DNA 복구 효소 APE1의 손상 탐색 원리 규명

이광록·이자일·유제중 교수 공동연구팀, 마그네슘 이온과 비정형 영역 역할 확인… 차세대 항암제 개발 단서 제시

KAIST와 UNIST, 성균관대 공동연구팀이 DNA 복구 효소가 손상 부위를 빠르게 찾아내는 분자 수준의 작동 원리를 규명했다. DNA 복구 효소 APE1이 DNA 가닥 위를 미끄러지듯 이동하며 손상 부위를 탐색하고, 이 과정에서 마그네슘 이온과 단백질의 비정형 영역이 핵심 역할을 한다는 사실을 확인한 것이다.

KAIST는 생명과학과 이광록 교수 연구팀이 UNIST 생명과학과 이자일 교수 연구팀, 성균관대 유제중 교수 연구팀과 함께 DNA 복구 효소 APE1이 손상된 DNA를 찾아내는 정밀한 분자 메커니즘을 규명했다고 4일 밝혔다. APE1은 DNA 손상 부위를 인식해 복구를 시작하는 효소로, 유전 정보가 비어버린 무염기 부위(AP site)를 찾아내는 데 관여한다.

DNA는 세포 안에서 지속적으로 손상을 받는다. 특히 AP site는 세포 내에서 자주 발생하는 대표적인 DNA 손상 유형으로, 제대로 복구되지 않으면 유전체 불안정성이 증가해 암을 비롯한 다양한 질환과 연결될 수 있다. APE1의 절단 반응 자체는 비교적 잘 알려져 있었지만, 방대한 유전체 속에서 드문 손상 부위를 어떤 방식으로 빠르게 찾아내는지는 충분히 밝혀지지 않았다.

공동연구팀은 단일분자 FRET, DNA curtain, 분자동역학 시뮬레이션을 결합해 APE1의 움직임을 실시간으로 추적했다. 단일분자 FRET은 단일 생체분자의 움직임과 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 분석 기술이며, DNA curtain은 여러 DNA 가닥을 정렬해 단백질과의 상호작용을 관찰하는 기술이다. 분자동역학 시뮬레이션은 컴퓨터를 이용해 분자 움직임을 계산하는 방법이다.

분석 결과 APE1은 무작위로 DNA를 탐색하는 것이 아니라, DNA 가닥 위를 따라 이동하며 손상 부위를 찾는 1차원 확산 전략을 사용하는 것으로 나타났다. 이는 APE1이 DNA 주변을 무작위로 떠돌며 우연히 손상 부위를 만나는 방식이 아니라, DNA라는 선형 구조를 따라 효율적으로 이동하면서 손상 지점을 탐색한다는 의미다.

연구팀은 APE1의 DNA 손상 탐색 과정에서 마그네슘 이온과 비정형 영역이 중요한 역할을 한다는 점도 확인했다. 마그네슘 이온은 세포 내 다양한 효소 반응을 돕는 금속 이온으로 알려져 있지만, 이번 연구에서는 단순한 보조 인자를 넘어 APE1과 DNA의 결합을 안정화해 탐색 효율을 높이는 요소로 작동하는 것으로 나타났다.

특히 마그네슘 이온은 APE1 활성 부위의 음전하를 완화해 DNA와의 접촉을 안정화하고, 효소가 DNA 위를 더 효과적으로 이동할 수 있도록 돕는 것으로 분석됐다. 연구팀은 이를 통해 마그네슘 이온이 APE1의 손상 절단 반응뿐 아니라 손상 부위를 찾는 탐색 과정에도 관여한다는 점을 제시했다.

또한 효소 끝부분의 유연한 구조인 비정형 영역도 핵심 요소로 확인됐다. 비정형 영역은 일정한 형태 없이 자유롭게 움직이는 단백질 구간으로, DNA와 일시적·비특이적으로 상호작용하면서 APE1이 DNA에서 쉽게 떨어지지 않고 오래 머무르도록 돕는다. 연구팀이 해당 영역을 제거했을 때 손상 부위를 찾는 능력은 5배 이상 감소했다.

이번 연구는 APE1의 움직임을 실시간 분자 수준에서 관찰하고, 실험적 관찰과 계산 시뮬레이션을 함께 적용했다는 점에서 의미가 있다. APE1의 슬라이딩 속도는 매우 빠르고 미세해 일반적인 영상 장비만으로는 연속적인 이동 궤적을 완전히 포착하기 어려웠다. 연구팀은 DNA curtain 등을 활용한 실험적 관찰과 원자 수준의 분자동역학 시뮬레이션을 병행해 효소의 탐색 과정을 정밀하게 추적했다.

그 결과 APE1은 마그네슘 이온과 비정형 영역을 협력적으로 활용해 DNA 위에서 손상 부위를 탐색하는 것으로 나타났다. 연구팀은 이를 통해 DNA 복구 효소가 손상 부위를 찾아내는 과정이 단순한 결합과 해리의 반복이 아니라, 금속 이온과 유연한 단백질 영역의 협력으로 조절되는 정교한 유전체 감시 과정임을 제시했다.

KAIST 이광록 교수는 “이번 연구는 생체 분자가 비정형 영역을 통해 DNA 손상 부위를 빠르게 탐색한 뒤, 정형 영역을 통해 정교하게 작동하는 메커니즘을 규명한 것”이라며 “이 원리는 암세포의 DNA 복구 기능을 무력화하는 차세대 항암제 개발과 노화 억제 연구의 핵심 단서가 될 수 있다”고 설명했다.

UNIST 이자일 교수는 “특정 구조 없이 유연하게 움직이며 다양한 분자와 상호작용하는 비정형 영역이 DNA 손상 부위를 찾는 데 핵심 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다는 점에서 큰 의미가 있다”고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 이동훈 박사, UNIST 김수빈 박사과정, 성균관대 조경필 박사과정이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 성과는 국제학술지 핵산 연구(Nucleic Acids Research)에 5월 14일 게재됐다. 논문명은 ‘APE1 Coordinates Its Disordered Region and Metal Cofactors to Drive Genome Surveillance’이며, DOI는 10.1093/nar/gkag479이다.

이번 연구는 KAIST Grand Challenge 30 Project, 한국연구재단 합성생물학핵심기술개발사업, 중견연구지원사업, 기초연구실, 한국신약개발사업단 신약기반확충연구사업, 기초과학연구원, 정보통신기획평가원 인공지능첨단원천유망기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

연구팀은 향후 실제 세포 내 복잡한 환경을 모사해, DNA가 단백질과 결합한 뉴클레오솜이나 크로마틴 구조 안에서 APE1이 어떻게 손상 부위를 찾아내는지 후속 연구를 진행할 예정이다. 또한 APE1의 비정형 영역이나 마그네슘 결합 부위를 표적으로 하는 소분자 억제제 스크리닝 플랫폼으로의 활용 가능성도 제시했다.

이번 성과는 DNA 복구 효소가 유전체 속 손상 부위를 찾아내는 과정을 단일분자 수준에서 보여줬다는 점에서 의미가 있다. 특히 APE1의 손상 탐색 경로를 조절하거나 차단하는 방식은 암세포의 DNA 복구 능력을 약화시키는 치료 전략 연구와 유전체 안정성 유지 원리 연구에 기초 자료로 활용될 수 있다.

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