생명무대 지키는 ‘DNA 수선공들’ 무대위로 불러내다

   그림으로 보는 노벨상 2015   

‘DNA정보 손상·오류’ 수선메커니즘 연구 린달, 모드리치, 산자르 노벨화학상 수상

00nobel_chemistry00.jpg » 스웨덴의 토마스 린달(77) 영국프랜시스크릭연구소 명예연구원, 미국의 폴 모드리치(69) 듀크대 교수, 터키 태생의 아지즈 산자르(69) 미국 노스캐롤라이나대 교수. 출처/ 노벨위원회


명 현상의 무대 뒤편에서 그 생명 현상의 기본 정보인 디엔에이(DNA)를 수선하고 복구하는 데 관여하는 효소들, 이른바 ‘디엔에이 수선공들’이 노벨화학상 수상 업적의 주인공들이다. 손상되고 잘못된 디엔에이 정보를 수선하는 효소들을 찾아내고 그 메커니즘을 밝히는 데 크게 공헌한 생화학자 3명이 올해 수상자들로 선정됐다.


스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 7일(현지시각) 스웨덴의 토마스 린달(77, Tomas Lindahl) 영국프랜시스크릭연구소 명예연구원, 미국의 폴 모드리치(69, Paul Modrich) 듀크대학교 교수, 터키 태생의 아지즈 산자르(69, Aziz Sancar) 미국 노스캐롤라이나대학교 교수 등 3명을 올해 노벨 화학상 공동 수상자로 결정했다고 발표했다. 노벨위원회는 “세 과학자는 세포가 자외선이나 활성산소, 독성물질 등에 의해 손상된 디엔에이를 어떻게 복구하는지를 분자 수준에서 밝혀냈다. 수상자들의 연구는 인간 생명에 대한 지식을 깊게 해주었을 뿐 아니라 암 치료 등 생명을 구하는 치료법 개발의 길을 열었다”고 밝혔다 (<한겨레> 10월8일치). 다음은 노벨위원회가 펴낸 수상 업적 설명 자료의 내용을 재구성해 정리한 것이다.


엄청난 정보량의 엄청난 복사량, 원본정보는 어떻게 유지될까?

00dot.jpg

수상 업적의 의미를 이해하려면, 먼저 디엔에이 수선 메커니즘이 왜 생명 현상에서 중요한 관심사가 될 만한지를 알아야 한다. 생명 현상의 청사진인 디엔에이(DNA)에 담긴 유전 정보의 양은 엄청날 뿐 아니라, 수많은 세포분열 때에 나타나는 그 정보의 복사량도 엄청나다. 노벨위원회의 설명자료가 들려주는 설명을 들으면, 그 정보량과 복사량의 엄청난 규모에 다시 한번 놀랄 수 있다.


“여러분이 누구인지 그 기초는 정자의 23개 염색체와 난자의 23개 염색체가 결합할 때에 만들어집니다. […] 만일 이 첫 세포(수정란)에서 디엔에이 분자를 끄집어내어 길게 한 줄로 늘린다면, 그 길이는 2미터가량 될 겁니다. 수정란이 뒤이어 세포분열 하면 디엔에이 분자는 복사되어 딸세포도 똑같이 완전한 염색체 세트를 갖추게 되지요. 1주가 지나면 여러분은 128개 세포가 되어 있을 겁니다. 각 세포에는 그 자신의 완전한 유전물질을 갖추고 있지요. 그 디엔에이 가닥의 전체 길이는 이제 300미터에 달할 겁니다.
 무수한 세포분열을 거쳐 지금 여러분이 존재합니다. 여러분의 디엔에이 길이는 태양과 지구를 250번가량 왕복할 정도가 될 겁니다. 유전물질이 이토록 무수하게 복사되는데도 가장 최근에 복사된 디엔에이도 수정란에서 처음 만들어진 원본과 놀랄 정도로 유사합니다. 이것이 생명 분자들이 보여주는 위대함인 것입니다.”


00nobel_chemistry0.jpg » 그림 2. DNA의 구조를 설명하는 그림. 출처/ 노벨위원회


[그림 설명]  사람 몸의 세포는 각각 23쌍의 염색체, 즉 모두 46개의 염색체를 지닌다. 이 염색체들에 든 모든 염기서열 유전 정보의 총합이 유전체(게놈)이다. 유전정보를 담은 거대 분자인 디엔에이는 티민과 아데닌 쌍, 구아닌과 시토신 쌍이라는 염기쌍 분자들이 어울려 이중나선 구조로 구성된다. 우리 몸의 46개 염색체에는 모두 60억 염기쌍 정보가 담겨 있다. 이 그림의 아랫부분은 디엔에이 가닥이 세포분열 할 때에 복사되는 과정을 보여주는데, 티민은 아데닌과, 구아닌은 시토신 염기 분자와만 결합하는 성질(상보성)을 지니기 때문에, 복사되는 디엔에이도 원본 디엔에이의 정보를 말 그대로 ’복사’ 할 수 있다. 우리 몸의 세포 하나에 든 60억 염기쌍의 유전 정보는 세포분열 할 때에 그대로 복사되어, 다른 세포로 전달된다. 애초에 수정란인 단 하나의 세포에 든 유전정보는 이런 식으로 무수하게 분화하며 복사되어 어른의 몸을 이루는 무수한 세포들에서 거의 동일하게 유지된다.


생명의 유전정보가 이처럼 무수한 분화와 복사의 과정에서도 그 동일성을 놀랄 정도로 뛰어나게 유지하는 비결은 어디에 있을까? 또한 일상생활에서 자외선이나 발암물질 같은 외부 요인들이 디엔에이 정보를 훼손하는 일이 잦은데도, 세포는 어떻게 디엔에이 정보의 손상을 수정하고서 동일성을 유지할 수 있을까? 이것이 이번 노벨화학상 수상자로 선정된 연구자들이 품은 기본 물음이었다.


토마스 린달:  쉽게 변성하는 시토신 염기를 복원하는 메커니즘

00dot.jpg

노벨위원회 설명자료를 보면, 토머스 린달은 날마다 유전체의 염기 정보에 수많은 손상이 생기는데도 어떻게 유전 정보의 기능이 안정적으로 유지될 수 있을까라는 물음에서 관련 연구를 시작했다고 한다. 그는 1974년에 이런 물음에 답하는 첫 연구논문을 발표한 이후, 1980년대에 들어 안정적인 직업을 얻고서 자신의 오래된 물음을 푸는 연구를 본격화할 수 있었다.


린달은 디엔에이를 이루는 4종 염기 가운데 ‘시토신’이 쉽게 변성해 ‘우라실’로 바뀐다는 점에 주목해 박테리아 안에서 우라실로 변성된 정보가 복제 과정에서 다시 시토신으로 교정되는 것을 관찰하고서, 이 과정에 관여하는 효소인 글리코실라제(glycosylase)를 찾아냈다. 자연적으로 손상된 디엔에이 정보를 교정해 복구하는 세포 내 수선 시스템의 존재를 확인한 것이다. 린달은 1996년에 이런 교정 메커니즘이 사람 세포에서도 일아난다는 사실을 확인해 발표했다.


00nobel_chemistry2.jpg » 그림 3. 염기 절제 방식의 수선 시스템. 출처/ 노벨위원회


[그림 설명] 린달의 연구(1974년, 1996년)는 디엔에이의 염기인 시토신이 변성해 유전정보가 망가졌을 때 그것이 어떻게 복구되는지를 설명해주었다. 그 복구의 과정은 다음과 같다 (그림3 참조). 1. 시토신은 그 화학구조가 쉽게 변성돼, 우라실이라는 염기가 될 수 있다. 2. 우라실은 구아닌과 염기쌍을 이룰 수 없다. 3. 글리코실라제라는 효소가 이런 결함을 발견하고서 우라실 염기 부분을 절제한다. 4. 다른 효소들이 디엔에이 가닥에서 핵산(뉴클레오타이드)의 나머지 부분을 제거한다. 5. 디엔에이를 생성하는 효소인 디엔에이 폴리머라제(DNA polymerase)가 빈 곳을 채우고, 다른 효소인 디엔에이 리가제(DNA ligase)가 봉합한다.


아지즈 산자르:  외부 자극으로 생긴 오류를 교정하는 메커니즘

00dot.jpg

아지즈 산자르는 젊은 시절에 이룬 자신의 연구성과를 나중에 발전시켜 세상에 내놓았다. 그는 1976년 박사학위 논문에서 자외선으로 손상된 박테리아의 디엔에이 염기 정보를 복구하는 효소(photolyase)를 규명했으나 별달리 주목 받지 못해 박사후연구원 자리도 제대로 얻지 못했으며, 이후에 한동안 다른 이의 실험실에서 테크니션 자리를 얻어 관련 연구를 수행했다고 한다. 1983년에 정식 연구논문이 발표되면서 그는 대학의 생화학 교수 자리를 얻었다. 산자르는 자외선에 의해 손상된 염기 정보를 교정하는 메커니즘을 사람 세포 대상 실험에서도 확인해 발표했다.


00nobel_chemistry3.jpg » 그림 4. 핵산(뉴클레오타이드) 절제 방식의 수선 시스템. 출처/ 노벨위원회


[그림 설명] 아지즈 산자르의 연구(1983년)는 자외선이나 담배연기 같은 발암물질의 자극으로 인한 디엔에이 손상이 어떻게 수선되는지 그 과정을 설명해준다. 1. 자외선은 서로 이웃한 티민 염기들이 부적절하게 서로 결합하게 만들 수 있다. 2. 엑시뉴클레아제(exinuclease) 효소가 손상 부위를 발견하고서 디엔에이 가닥을 절단한다. 12개의 핵산이 제거된다. 3. 그렇게 해서 생긴 빈 곳을 디엔에이 폴리머라제가 채운다. 4. 디엔에이 라가제가 디엔에이 가닥을 봉합한다. 이로써 손상 부위는 수선된다.


폴 모드리치: 복제 과정의 잦은 정보 오류를 수선하는 메커니즘

00dot.jpg

폴 모드리치는 세포분열 때 디엔에이 정보의 복사 과정에서 일어나는 수많은 오류를 세포가 식별하고 교정함으로써 복사본 디엔에이를 원본과 동일하게 유지하는 메커니즘을 연구했다. 그는 염기쌍 조합이 비정상적으로 이뤄진, 이른바 불일치(mismatch)의 오류를 지닌 바이러스를 만들어 박테리아를 감염시킨 다음에 박테리아의 디엔에이 수선 시스템이 이런 염기쌍 불일치 오류를 찾아내고 수정하는 과정을 살폈다. 특히 디엔에이 가닥에 붙어 있는 ‘메틸기’라는 화합물은 그의 연구에서 주목됐다.


메틸기는 디엔에이 수선 과정에서 일종의 ‘표식’ 구실을 한다는 게 밝혀졌다. 염기쌍 불일치의 오류를 바로잡는 과정에서, 메틸기는 ‘제한 효소’(디엔에이 가닥을 자르는 일종의 가위 효소)한테 잘라야 할 부위가 어디인지를 가리키는 일종의 표식 역할을 한다는 것이다. 이런 수선 메커니즘에서, 제한 효소는 메틸기가 붙은 디엔에이 가닥을 원본 또는 주형(틀)으로 인식하고서, 메틸기 없는 다른 가닥에서 오류 부위를 잘라낸다. 이후에 다른 효소들이 관여해 원본 디엔에이의 염기 정보에 맞추어 잘려나가 빈 부위의 염기 정보를 복구한다.


모드리치는 오랜 기간의 연구를 거쳐 이런 수선 메커니즘에 관여하는 여러 가지 효소들을 하나씩 찾아냄으로써, 세포 실험 수준에서 세포분열 때에 일어나는 복제 과정에서 디엔에이 수선 시스템이 어떻게 가동하는지를 재현해 보일 수 있었다.


00nobel_chemistry4.jpg » 그림 5. 복제 과정의 염기 불일치 수선 시스템. 출처/ 노벨위원회


[그림 설명] 폴 모드리치의 연구(1989년)는 세포분열로 디엔에이가 복사될 때에 자주 생기는 핵산 불일치의 오류를 발견하고 교정하는 디엔에이 수선 시스템을 보여준다. 1. 두 종류의 효소 MutS와 MutL이 디엔에이에서 불일치(mismatch) 부위를 식별해낸다. 2. 다른 효소 MutH가 디엔에이 가닥에 붙은 메틸기 분자를 인지한다. 오직 원본의 디엔에이 가닥에만 메칠기들이 붙어 있는데, 이런 메칠기 붙은 가닥만이 이후 교정 작업에서 틀(주형)이 되는 원본 구실을 한다. 3. 잘못 복사된 가닥 부위가 절단된다. 4. 불일치 정보를 지닌 가닥 부위가 제거된다. 5. 디엔에이 폴리머라제가 빈 곳을 다시 채우고, 이어 디엔에이 리가제가 디엔에이 가닥을 봉합한다.


노벨위원회는 이들의 연구 업적이 생명체가 여러 디엔에이 손상과 오류의 가능성을 지니면서도 그 유전정보를 안정적으로 유지할 수 있는 메커니즘을 밝힘으로써 생물학의 이해를 넓혔을 뿐 아니라, 암 질병 연구에도 큰 도움을 주었다고 밝혔다. 암세포는 일부 디엔에이 수선 시스템을 망가뜨리기도 하지만 일부 수선 시스템은 오히려 적극 활용해 자신의 생존력을 강화하는 전략을 쓰기에, 암세포가 활용하는 이런 수선 시스템을 무력화하는 방법도 암 치료 약물의 개발에 중요한 전략이 될 수 있기 때문이다.

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr 

@한겨레 과학웹진 사이언스온 




   [사이언스온의 길목]

페이스북 페이지   https://www.facebook.com/scienceon

트위터   https://twitter.com/SciON_hani

한겨레 스페셜   http://special.hani.co.kr


[침] 몇몇 군데에서 부정확한 표현과 오자가 발견되어 수정했습니다. 문제점을 지적해주셔서 글의 부족함을 그나마 줄일 수 있게 도움을 주신 독자님께 감사드립니다. 2015년 10월8일 오후 6시45분.

  • 구글
  • 카카오
  • 싸이월드 공감
  • 인쇄
  • 메일
오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

최신글




최근기사 목록

  • [알림] 사이언스온이 미래&과학으로 바뀝니다[알림] 사이언스온이 미래&과학으로 바뀝니다

    뉴스사이언스온 | 2017. 12. 11

    미래/과학/기술/환경 뉴스와 비평, 연재물 서비스사이언스온 옛 글들은 지금처럼 접근 가능합니다 독자님들께안녕하세요. 그동안 작은 도전이었던 한겨레 과학웹진 사이언스온의 필자들을 격려해주시고 또 웹진을 사랑해주신 모든 독자분들께 감사의 말씀을 ...

  • “언어사용 패턴은, 몸의 스트레스 보여주는 지표”“언어사용 패턴은, 몸의 스트레스 보여주는 지표”

    뉴스오철우 | 2017. 11. 07

    특정 언어사용패턴과 스트레스 관련 유전자발현 사이에 ‘상관성’“무의식적 언어패턴이 의식적 자가보고보다 측정정확도 더 높아” 일상언어 사용의 패턴이 말하는 이 자신도 잘 모르는 몸의 스트레스 반응을 알려주는 지표로 사용될 수 있다는 연구결...

  • 정교해진 유전자가위…‘염기’ 하나만 바꾼다정교해진 유전자가위…‘염기’ 하나만 바꾼다

    뉴스오철우 | 2017. 11. 07

    ※ 이 글은 한겨레 11월6치 '미래&과학' 섹션 지면에 실렸습니다. 지면 편집 과정에서 분량을 줄이기 이전 원고를 사이언스온에 올립니다. 편집 과정에서 달라진 부분이 있습니다.정교해진 유전자가위염기 하나만 바꿔치기[미래&과학] 주목받는...

  • ‘노화는 불가피하다 -논리적으로, 수학적으로’‘노화는 불가피하다 -논리적으로, 수학적으로’

    뉴스오철우 | 2017. 11. 03

    수학적 모형 분석 논문 ‘눈길’세포간 경쟁과 선택, 노화와 암의 ‘딜레마’ 같은 상호관계 다뤄‘노화는 불가피하다. 논리적으로도, 이론적으로도, 수학적으로도 노화를 멈추는 것은 불가능하다.’노화를 일정 정도 늦출 순 있어도 멈출 순 없다는 ...

  • 염기 하나만 바꾸는 단일염기 수정기법의 '확장'염기 하나만 바꾸는 단일염기 수정기법의 '확장'

    뉴스오철우 | 2017. 10. 26

    시토신-구아닌 쌍을 티민-아데닌 쌍으로 ‘점 수정’ 이어아데닌-티민 쌍을 구아닌-시토닌 쌍으로 수정기법 개발하버드대학 리우 교수와 MIT 펑 장 교수 각각 성과 발표 크리스퍼 유전자 가위 기법의 기본 원리를 이용하되 디엔에이(DNA) 두 가닥을 ...

자유게시판 너른마당

인기글

최근댓글

트위터 팔로우

sub2 untitled