[분자생물학] 21.2 : BER, MMR, NER, DSB - 2

 

 

이번 포스트에서는 지난 포스트에 이어 NER, DSB 수선 기작에 대해 알아보도록 하자.

 

 

NER(nucleotide excision repair)

 

 

 

위 그림에 NER의 대략적인 과정이 나타나 있음. 일단 위 그림 맨 위쪽에도 나와있는 것처럼 NER은 크게 두 가지 방식에 의해 시작될 수 있음. 첫 번째 방식은 global genome NER(TCNER)이고 두 번째 방식은 transcription coupled NER(GGNER)임. global genome NER은 UV, radical damage에 의해 DNA가 파괴되면 그곳을 인지하는 XPC라는 단백질에 의해서 TFIIH를 비롯한 여러 factor들이 손상 부위로 recruit되는 방식임. 한편 transcription coupled NER의 경우 RNA polymerase II가 transcription을 수행하다가 갑자기 DNA damage 부위를 만나게 되면 일어나는 RNA polymerase II의 stall 현상에 의해서 TFIIH를 비롯한 여러 factor들이 손상 부위로 recruit되는 방식임. 조금 더 자세히 설명하자면 RNA polymerase II의 stalling에 의해서 cockayne syndrome과 관련된 CSA(ERCC8), CSB(ERCC6)가 recruit되는데, 이 중 CSB는 ATP를 써서 chromatin 구조 자체를 remodeling시켜주는 remodeler로 기능하고, CSA는 CSB, Pol II와 같은 단백질에 ubiquitin을 붙여주는 역할을 수행함.

 

 

 

이 두 방식은 언제 recognition이 일어나는지의 여부가 다르기는 하지만 일단 결국 위 그림 가운데에 나와있는 것과 같이 여러 factor들을 손상 부위로 recruit시키게 됨. 

 

 

 

한편 이 때 손상 부위로 recruit되는 TFIIH는 위와 같이 다양한 domain들로 이루어져 있음. (총 10개의 subunit들로 구성) 이 중 XPD(ERCC2), XPB(ERCC3)는 helicase로 기능하여서 손상 부위 주변을 unzipping해주는 역할을 수행함. 한편 TFIIH와 함께 같이 recruit되는 녀석 중에 XPF(with ERCC1), XPG라는 녀석들이 존재하는데, 이들은 각자 5' 쪽, 3' 쪽을 잘라주는 endonuclease 활성이 있어서 양쪽 끝을 잘라주게 됨. 이렇게 해서 벌어지고 잘리는 활성에 의해 ssDNA가 형성되게 되면, 이제 이 서열을 보호해줄 필요가 있고, 이 과정에서 XPA, RPA와 같은 녀석들이 ssDNA protection의 역할을 수행해줌.

 

 

 

한편 위 그림에는 E. coli에서의 NER 과정이 나타나 있음. 일반적인 과정은 거의 비슷한데, 일단 RNA polymerase의 stall에 의해서 UvrA, UvrB가 손상 부위로 recruit되거나, 혹은 그냥 자발적으로 이들이 손상 부위에 달라붙게 됨. 이후 UvrC에 의해서 손상 부위가 잘려나가게 되고 뒤이어 helicase 활성을 가지고 있는 UvrD에 의해서 잘린 부위가 완전히 분리되게 됨. 뒤이어 polymerase와 ligase에 의해 새로운 가닥이 만들어지고 봉합됨.

 

 

 

DSB(DNA double-strand breaks)

 

 

 

위 그림에는 DSB가 일어났을 때 일어날 수 있는 대표적인 두 가지 repair 기작인 NHEJ(non-homologous end joining) pathway와 HR(homologous recombination) pathway이 나타나 있음. 일단 이 두 과정 모두 처음에는 절단된 말단부위를 Ku70, Ku80이 인지하면서 시작함.

 

 

NHEJ의 경우 이후 DNA-PKc가 오게 되고, 이어서 Artemis라는 processing과 관련되어 있는 단백질이 오게 됨. 이어서 이 녀석에 의해 processing이 일어나게 되는데, 조금 더 구체적으로 설명하자면 이 녀석에 의해 5' 부분이 어느 정도 분해되어나감. (즉, 처음 잘릴 때 blunt end였다 하더라도 이 processing 과정에서 sticky end처럼 됨) 이후 이어서 다시금 insertion이 일어남. 그렇기에 이 과정을 indel(insertion-deletion)이라고 부름. 이 과정이 일어나고 나면 이제 polymerase에 의한 합성에 이은 ligase에 의한 마무리를 거쳐 NHEJ가 마무리됨. 일반적으로 NHEJ는 어느 시기의 세포에서나 일어날 수 있음.

 

 

 

한편 HR의 경우에는 repair과정에서 참고할 만한 copy가 있어야 하므로, 결국 DNA replication이 일어나 참고할 가닥이 있는 S기, G2기에서만 일어날 수 있음. 일단 HR의 경우 처음에 MRN이라는 3개 protein(Mre11, Rad50, Nbs1)으로 이루어진 protein complex가 processing을 initiation시킴. 이후 EXO1, DNA2와 같은 exonuclease에 의해 NHEJ에서와 마찬가지로 5' resection이 일어남. (참고로 이 때 같이 recruit되는 BLM은 helicase로 기능함) 그리고 이 과정에서 붙은 CtIP라는 녀석은 5'→3' 방향으로의 DNA resection을 촉진시켜주는 역할을 수행함. (조금 더 구체적으로 설명하자면 CtIP가 exonuclease들을 recruit시킴) 이후 제대로 resection이 일어나고 나면 ssDNA가 형성되는데, 이를 RPA가 보호해주게 되고, 이와 동시에 RPA가 결합된 3' strand가 다른 DNA strand와 exchange를 하게 되어서 그 결과 위 그림 오른쪽 맨 아래와 같은 D-loop의 형성이 촉진되며 carbon copy를 참고해서 다시금 새로운 서열이 합성되게 됨.

 

 

보통 NHEJ는 error prone이라 부르고 HR은 error free라고 부르는데, 그 이유는 NHEJ의 경우 참고할 가닥 없이 그냥 repair하므로 error가 꽤나 많이 생기는 반면 HR의 경우 참고할 가닥이 있으므로 error가 거의 생기지 않기 때문. 그러면 굳이 error가 많이 생기는 NHEJ 기작이 남아있는 이유는 무엇인가. 그 이유는 HR의 경우 S, G2기에만 기능할 수 있기 때문. 즉 일반적으로 세포가 가장 많이 시간을 보내는 G1 도중에 DSB가 일어난다면, error가 많이 생길 수 있기는 하지만 어쩔 수 없이 NHEJ를 사용해 repair를 하게 되는 것임.

 

 

 

 

앞서 수많은 repair 관련 단백질들을 살펴봄. 그런데 이런 단백질들에 이상이 생겨 유전체 항상성에 이상이 생기게 되면 각종 질병이 발생할 수 있음. 대표적으로 발생 가능한 질병이 각종 progeroid syndrome(조로증)이며, 아래에 그 예시들이 나타나 있음.

 

 

 

보면 주로 DNA helicase와 관련된 유전자의 이상, 혹은 앞서 살펴본 NER에서 CSA, CSB 단백질의 이상 등에 의해서 조로증이 잘 발생함.

 

 

한 예로 Werner syndrome의 경우 일반인에 비해 3배정도 더 빨리 노화함.

 

 

 

그 밖에 핵 막을 이루고 있는 LmnA 단백질에 변형이 일어나는 경우 HGPS가 일어날 수도 있음. 원래는 핵 막 바로 바깥에 언제든 유사시에 작동하기 위해 대기하고 있는 각종 DNA repair 단백질군들이 있음. 그리고 핵 내에 존재하는 chromosome도 핵막과 접하며 이런저런 signal을 주고받고 있음. 이런 상황에서 LmnA 단백질이 제기능을 못해서 핵막이 없어져버리면 결과적으로 DNA repair도 제대로 못 일어나게 되고, 그 결과 DNA damage가 누적되어 조로증의 일종인 HGPS가 발생함. (HGPS의 경우 일반인에 비해 10배정도 더 빨리 노화함)

 

 

 

다음 포스트에서는 translesion 기작에 대해 살펴보자.