인류 생명과학의 획기적인 발전을 이룬 기전을 들라면 ‘유전자 재조합과정’을 이야기 할 수 있다. 유전공학기법을 활용, 형질을 새롭게 전환한 개체를 통해 의약품을 개발하고 식물생명공학으로 적용하며 다양한 기술 발전을 이뤄온 것이다.
유전자 재조합이란 이름 그대로 유전자를 새롭게 조합하는 것을 일컫는다. 유전정보를 섞어 생명체의 다양성을 확보하고 DNA 손상을 복구해 유전적 안정성을 보장해 준다. DNA 이중가닥 절단이 형성된 곳을 시작으로 유사한 염기서열을 갖는 부위와 접합하거나 재조립을 함으로써 처음 유전자와 다른 유전자를 만들어 내는 것이다.
특히 세포가 분열할 때 일어나는 DNA 이중가닥 절단이 제대로 복구되지 않으면 암세포가 되거나 세포사멸로 이어질 수 있기 때문에 절단을 복구하기 위한 재조합 기전에 대한 이해는 질병을 이해하는 데 매우 중요하다.


유전자 재조합의 명확한 이해




이런 가운데 국내 연구진이 세포분열 과정에서 손상된 DNA 이중가닥 절단을 복구하는 유전자 재조합 시 관련 단백질의 작용기전을 밝혀내 주목을 받고 있다. 김근필 중앙대 생명과학과 교수팀이 유전자 재조합 원리에 대한 기전을 규명, 해당 연구결과는 생명과학분야 학술지 셀(Cell)의 자매지인 ‘몰레큘라 셀(Molecular Cell)’ 지 온라인 판에 게재됐다.
“생식세포 분열은 생명의 다양성에 기인합니다. 이 과정에서의 유전자 재조합 기전을 연구하는 것은 다양한 생명체 탄생을 이해하고 부모세대로부터 오는 각종 유전질환의 원인을 밝힐 수 있어 매우 중요하죠.
하지만 기존에는 절단복구를 위한 재조합 과정의 원리가 명확히 알려지지 않았어요. 체세포가 주형(template) 가닥으로 자매염색분체를 선택하는 반면, 생식세포는 상동염색체를 이용하는 이유가 알려지지 않은 거죠.”
김근필 교수팀은 효모모델을 이용해 세포분열시 일어나는 DNA 이중가닥 절단 복구와 관련한 매우 구체적인 기전을 밝혀냈다. 상동재조합 과정에서 체세포는 ‘라드51(Rad51)’, 생식세포는 ‘디엠씨1(Dmc1)’ 이라는 단백질이 각각 핵심역할을 수행한다는 것을 알아낸 것이다.
이는 절단부위를 메우기 위해 상보적인 염기를 이어나갈 때 주형가닥을 선택하는 역할을 서로 다른 단백질이 한다는 것을 의미한다. 인간을 비롯한 대부분 생명체의 유전자 재조합 기전이 유사하므로 해당 연구결과는 DNA 손상으로 인한 유전질환이나 암 등의 진단, 더불어 치료방법 연구에 기여할 것으로 기대를 받고 있다.
“연구를 통해 유전자 재조합에서 핵심적일 역할을 수행하는 단백질을 알아낼 수 있었죠. 때문에 이번 연구결과는 생식세포분열과정과 체세포 유전자 수선과정에 대한 스위치 모델을 제시했다고 볼 수 있습니다. ‘Mek1 kinase’는 생식세포분열과정에서 특이적으로 발현하는 신호전달 단백질로 자매염색분체의 구조를 이루는 ‘Red1’, 그리고 ‘Hop1’이라는 단백질과 상호작용을 합니다.
특히 Mek1 kinase가 불활성화 되면 전반적인 유전자 재조합 과정은 체세포 특이적 유전자 수선과정을 거치게 되죠. 즉 Rad51을 활용해 유전자 재조합 과정을 거치게 된다는 의미입니다. Mek1 kinase가 활성이 되면 유전자 재조합과정은 Dmc1이라는 단백질에 의해 진행되죠.”


다운증후군 등 염색체 이상 질환 이해 도와




“당시 이와 관련된 연구 논문이 미국 Nancy Kleckner 연구실에서 수행됐어요. 그리고 해당 연구 결과는
이렇게 진행된 연구는 결국 지금의 결과를 가져올 수 있었다. “하지만 연구 과정 중 어려운 점도 분명히 존재했어요. 유전자 상동재조합 과정에서 가장 핵심적인 역할을 하는 Rad51의 체세포와 생식세포분열과정에서의 Dmc1이 전혀 다른 기능을 한다는 것을 밝혀내는 과정이 정말 힘들었죠.
거듭된 연구 끝에 Rad51은 체세포의 유전자 수선에서 유전자간 접합부터 수선까지 전 과정에 기능하는 것을 알아냈습니다. 더불어 생식세포 분열과정에서 Rad51의 역할은 단지 주형선택에 있어 상동염색체를 사용할 지 자매염색분체를 사용할 지 결정하는 역할을 하며 실제 유전자간의 접합과 수선은 Dmc1이 기능한다는 것을 밝혀냈죠.”
해당 연구 결과는 다운증후군 등의 염색체 이상 질환의 원인을 이해하거나 암 초기 발생 원인에 대한 과정을 파악하는 데 도움을 줄 것으로 보인다.
“현재 의학계는 분자유전학의 발전에 따라 생명 다양성에 기인하는 생식세포 분열과정에서의 유전자 재조합 기전연구를 통해 다양한 생명체 탄생과정을 이해하고 있어요. 또한 부모세대로부터 오는 각종 유전질환의 원인도 밝혀지고 있죠. 많은 연구자들이 이러한 유전 혹은 염색체 질환에 대한 예방과 치료를 위한 방법을 제시하고자 노력하고 있습니다.
특히 다운증후군, 터너증후군 혹은 그 외의 뇌기능 이상을 가진 태아는 생식세포 분열시 염색체의 비정상적인 분열과정에 의해 발생하게 되는데 이번 연구로 수십 년간 궁금증으로 남아있던 체세포와 생식세포분열 특이적 유전자 재조합 기전의 명확한 과정을 제시했다고 볼 수 있어요. 이는 궁극적으로 암초기 발생 원인에 대한 과정이나 다운증후군 등 염색체 이상 질환의 원인을 이해하는데 도움이 될 것입니다.”
김근필 교수는 앞으로 ‘크로모좀 다이나믹스’에 대한 연구를 진행할 것이라고 전했다. 이는 염색체 전반에 걸친 변화와 조절에 따른 유전자 수선과 재조합 기전을 연구하겠다는 것을 말한다.
“지금까지는 효모 모델을 사용해 오고 있어요. 또한 관련 기전은 인간세포와 매우 유사하기 때문에 최근에는 줄기세포의 유전체 안정화에 관한 연구를 진행해오고 있죠. 이를 통해 그동안 여러 가지 결과물을 얻어내고 있습니다. 앞으로 다양한 세포에서의 유전체 안정화 기전과 유전자 재조합 과정을 연구하여 관련분야에 선두주자가 되도록 노력할 것입니다.”