DNA의 원하는 곳에 일부러 ‘상처’를 냄으로써 복구 단백질이 이를 찾아 처리하는 과정을 살펴볼 수 있는 기술이 개발됐다. 암과 노화에 관여하는 DNA 손상 복구 원리를 더 정확하게 밝힐 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST 생명과학과 이자일 교수팀은 유전자 가위를 활용해 DNA의 특정 위치에 원하는 손상을 넣는 기술인 ‘CGRID(CRISPR-mediated Gap-based Replacement for Insertion of DNA damage)’를 개발했다고 29일 밝혔다.
 

▲ 이자일 교수, 김영서 연구원, 안소영 연구원 [사진=UNIST 제공]

사람 세포 1개에서는 하루 수만 건의 DNA 손상이 발생하는 것으로 알려져 있다. 우리 몸에는 이러한 손상을 수선하는 복구 단백질이 있지만, 이 단백질이 제대로 작동하지 못해 손상이 축적되면 노화나 암과 같은 질병으로 이어질 수 있다.

개발된 CGRID는 복구 단백질들의 활동을 살펴보기 위해 DNA의 원하는 위치에 다양한 종류의 손상을 삽입하는 기술이다. DNA는 염기 분자들이 늘어선 긴 실 두 가닥이 꽈배기처럼 꼬여 있는 이중나선 구조로, 단순히 염기 하나가 빠지거나 변형되는 것부터 한 가닥 또는 두 가닥이 모두 끊어지는 손상이 생길 수 있다.

이 기술은 DNA 한 가닥만 자르는 유전자 가위 효소(Cas9 nickase) 두 개로 특정 구간을 제거한 뒤 이 구간을 원하는 형태의 손상을 포함한 합성 DNA 조각으로 교체하는 방식이다.  

지금까지는 DNA에 손상을 삽입하기 위해서 손상을 포함한 DNA 전체를 합성하거나 여러 조각을 이어 붙이는 과정이 필요했다. 이 방법은 DNA가 길어질수록 제작 과정이 복잡해지고 시간과 비용이 늘어났으며, 방법에 따라 손상을 넣을 수 있는 위치도 제한됐다. CGRID는 긴 DNA의 원하는 구간을 손상을 포함한 짧은 DNA로 교체하는 방법으로 이러한 부담을 줄일 수 있다.

연구팀은 이 기술로 약 1,000 염기쌍 길이 DNA에서 약 90%의 삽입 효율을 달성했으며, 약 4만 8,500 염기쌍의 긴 DNA에서도 원하는 위치에 손상을 삽입할 수 있었다. 연구팀은 실제로 긴 DNA에 염기 하나가 빠진 손상을 넣고, 이를 복구하는 단백질 ‘APE1’이 이를 찾아가는 움직임을 관찰했다. 끊어진 두 가닥 DNA의 끝부분을 본뜬 구조를 넣은 실험에서도 복구 단백질 ‘Ku70/80’가 결합하는 것을 확인했다.

CGRID를 활용하여 손상 DNA가 히스톤에 감긴 상태에서 일어나는 복구 과정의 차이점도 쉽게 연구할 수 있다. DNA는 평상시 히스톤이라는 단백질에 실처럼 감겨 있다. CGRID 기술로 손상을 넣은 DNA를 히스톤에 감으면, 손상 부위가 바깥으로 드러났을 때와 히스톤 쪽으로 가려졌을 때 복구 단백질의 반응이 어떻게 달라지는지 비교할 수 있다. 연구팀은 실제로 손상의 위치와 방향에 따라 APE1이 손상을 인식하는 효율이 달라지는 것을 밝혔다. 각 실험에는 람다 바이러스 DNA와 히스톤에 잘 감기는 합성 DNA를 사용했다.
 

▲ DNA의 원하는 위치에 손상을 넣는 CGRID의 작동 원리와 활용 범위 [그림=UNIST 제공]

이자일 교수는 “기존에는 연구자가 보고 싶은 손상을 원하는 자리에 삽입하는 일 자체가 시간과 비용 측면에서 연구의 병목이었다”며 “CGRID를 이용하면 DNA가 특정 손상을 입었을 때 복구가 잘되거나 어려워지는지 살펴볼 수 있어, 암과 노화로 이어지는 DNA 손상이 왜 제대로 복구되지 않는지 밝히는 데 도움이 될 것”이라고 설명했다.

이번 연구에는 UNIST 생명과학과 김영서·안소영 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 영국 옥스퍼드대학교 출판부가 발행하는 국제학술지 핵산연구(Nucleic Acids Research)에 10월 28일 출판됐다.

연구 수행은 한국연구재단 개인기초 중견연구, 개척연구과제, 박사과정장려금사업 및, 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 이뤄졌다.

글. 우정남 기자 insight1592@gmail.com