염기 절제 복구

염기 절제 복구(base excision repair, BER) 또는 염기 절제 수선은 생화학 및 유전학 분야에서 연구되는 세포 메커니즘으로, 세포 주기 동안 손상된 DNA를 수선한다. 주로 게놈에서 작고 헬릭스 변형을 일으키지 않는 염기 병변을 제거하는 역할을 한다. 관련 뉴클레오타이드 절제 수선 경로는 부피가 크고 헬릭스 변형을 일으키는 병변을 수선한다. BER은 잘못된 염기쌍 형성으로 돌연변이를 일으키거나 복제 중에 DNA에 파손을 일으킬 수 있는 손상된 염기를 제거하는 데 중요하다. BER은 특정 손상되거나 부적절한 염기를 인식하고 제거하여 AP 부위를 형성하는 DNA 글리코실레이스에 의해 시작된다. 이들은 이후 AP 엔도뉴클레아제에 의해 절단된다. 결과적인 단일 가닥 파손은 짧은 패치(단일 뉴클레오타이드가 대체됨) 또는 긴 패치 BER(2–10개의 새로운 뉴클레오타이드가 합성됨)에 의해 처리될 수 있다.^[1]

염기 절제 복구(BER)의 기본 경로

BER에 의해 처리되는 병변

8-옥소구아닌이 아데닌과 후그스틴 염기쌍을 형성한다.

DNA의 단일 염기는 다양한 메커니즘에 의해 화학적으로 손상될 수 있으며, 가장 흔한 것은 탈아미노화, 산화, 알킬화이다. 이러한 변형은 염기가 수소 결합하는 능력에 영향을 미쳐 잘못된 염기쌍 형성을 초래하고, 그 결과 DNA에 돌연변이를 일으킬 수 있다. 예를 들어, DNA 복제 중에 8-옥소구아닌 (오른쪽)에 걸쳐 아데닌이 통합되면 G:C 염기쌍이 T:A로 돌연변이된다. BER에 의해 수선되는 다른 염기 병변의 예는 다음과 같다.

• 산화된 염기: 8-옥소구아닌, 2,6-디아미노-4-하이드록시-5-포름아미도피리미딘(FapyG, FapyA)
• 알킬화된 염기: 3-메틸아데닌, 7-메틸구아노신
• 탈아미노화된 염기: 아데닌의 탈아미노화로 형성된 하이포잔틴. 구아닌의 탈아미노화로 형성된 잔틴. (5-메틸사이토신의 탈아미노화 후의 디옥시티미딘 생성물은 인식하기 더 어렵지만, 불일치 특이적 글리코실레이스에 의해 수선될 수 있다)
• 유라실이 DNA에 부적절하게 통합되거나 사이토신의 탈아미노화로 형성됨^[2]

염기 병변 외에도, BER의 하위 단계는 단일 가닥 파손을 수선하는 데에도 활용된다.

긴 패치 수선과 짧은 패치 수선 사이의 선택

짧은 패치 수선과 긴 패치 수선 사이의 선택은 현재 연구 중이다. 병변의 종류, 세포 주기 단계, 세포가 말기 분화되었는지 또는 활발하게 분열하는지 여부 등 다양한 요인이 이러한 결정에 영향을 미치는 것으로 생각된다.^[3] 산화되거나 환원된 AP 부위와 같은 일부 병변은 Pol β 라이에이스 활성에 저항성이 있으므로 긴 패치 BER에 의해 처리되어야 한다.

경로 선호도는 유기체마다 다를 수 있다. 인간 세포는 짧은 패치와 긴 패치 BER을 모두 사용하지만, 효모 사카로미세스 세레비시아는 Pol β, DNA 연결효소 III, XRCC1, PNKP의 키나아제 도메인 등 여러 포유류 짧은 패치 단백질의 상동체가 없기 때문에 오랫동안 짧은 패치 경로가 없는 것으로 생각되었다. 폴리-A 중합효소 Trf4가 5' dRP 라이에이스 활성을 가지고 있다는 최근의 발견은 이러한 견해에 이의를 제기했다.^[4]

염기 절제 복구에 관여하는 단백질

DNA 글리코실레이스

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유라실 DNA 글리코실레이스는 이중 나선 밖으로 유라실 잔기를 뒤집어 놓는다(노란색으로 표시).

DNA 글리코실레이스는 병변의 초기 인식을 담당한다. 그림과 같이 손상된 염기를 이중 나선 밖으로 뒤집고, 손상된 염기의 N-글리코사이드 결합을 절단하여 AP 부위를 남긴다. 글리코실레이스는 단일 기능과 이중 기능의 두 가지 범주로 나뉜다. 단일 기능 글리코실레이스는 글리코실레이스 활성만을 가지는 반면, 이중 기능 글리코실레이스는 AP 라이에이스 활성도 가지고 있다. 따라서 이중 기능 글리코실레이스는 AP 엔도뉴클레아제가 필요 없이 염기 병변을 단일 가닥 파손으로 전환할 수 있다. 글리코실레이스-라이에이스에 의한 AP 부위의 β-제거는 5' 인산염에 인접한 3' α,β-불포화 알데하이드를 생성하며, 이는 AP 엔도뉴클레아제 절단 생성물과 다르다.^[5] 일부 글리코실레이스-라이에이스는 추가로 δ-제거를 수행하여 3' 알데하이드를 3' 인산염으로 전환할 수 있다. 다양한 손상된 염기를 인식하기 위해 다양한 글리코실레이스가 진화했다. DNA 글리코실레이스의 예로는 8-옥소구아닌을 인식하는 Ogg1, 3-메틸아데닌을 인식하는 MPG, DNA에서 유라실을 제거하는 UNG 등이 있다.

AP 엔도뉴클레아제

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AP 엔도뉴클레아제는 AP 부위를 절단하여 5' 디옥시리보스인산염(dRP)에 인접한 3' 하이드록실을 생성한다. AP 엔도뉴클레아제는 조상 박테리아 AP 엔도뉴클레아제인 엔도뉴클레아제 IV 및 엑소뉴클레아제 III에 대한 상동성을 기반으로 두 가지 패밀리로 나뉜다.^[6] 많은 진핵생물은 이 두 패밀리의 구성원을 가지고 있으며, 효모 사카로미세스 세레비시아는 Apn1이 EndoIV 상동체이고 Apn2가 ExoIII와 관련되어 있다. 인간에서는 두 가지 AP 엔도뉴클레아제인 APE1과 APE2가 확인되었다.^[7] 이는 ExoIII 패밀리의 구성원이다.

말단 처리 효소

연결이 일어나려면 DNA 가닥 파손에는 3' 말단에 하이드록실이 있어야 하고 5' 말단에 인산염이 있어야 한다. 인간에서는 폴리뉴클레오타이드 키나아제-인산화효소(PNKP)가 BER 동안 이러한 말단 형성을 촉진한다. 이 단백질은 5' 하이드록실 말단을 인산화하는 키나아제 도메인과 3' 말단에서 인산염을 제거하는 인산화효소 도메인을 가지고 있다. 이러한 활동은 함께 손상된 말단을 가진 단일 가닥 파손을 연결할 준비를 한다. AP 엔도뉴클레아제는 3' 말단 처리에도 참여한다. AP 부위를 여는 것 외에도 3' 포스포다이에스터라아제 활성을 가지고 있으며 인산염, 포스포글리콜레이트, 알데하이드 등 다양한 3' 병변을 제거할 수 있다. DNA 중합효소는 연장하기 위해 3' 하이드록실을 필요로 하므로 DNA 합성이 시작되기 전에 3'-처리가 발생해야 한다.

DNA 중합효소

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Pol β는 짧은 패치 BER을 촉매하는 주요 인간 중합효소이며, Pol λ는 없을 때 보상할 수 있다.^[8] 이 중합효소들은 Pol X 패밀리의 구성원이며 일반적으로 단일 뉴클레오타이드만을 삽입한다. 중합효소 활성 외에도 이 효소들은 AP 엔도뉴클레아제 절단으로 남겨진 5' dRP를 제거하는 라이에이스 도메인을 가지고 있다. 긴 패치 BER 동안 DNA 합성은 Pol δ 및 Pol ε과 과정성 인자 PCNA에 의해 매개되는 것으로 생각되며, 이들은 DNA 복제를 수행하는 동일한 중합효소들이다. 이 중합효소들은 치환 합성을 수행하는데, 이는 하위 5' DNA 말단이 "치환"되어 플랩을 형성한다는 의미이다(위 다이어그램 참조). Pol β는 또한 긴 패치 치환 합성을 수행할 수 있으므로 두 BER 경로 중 어느 하나에 참여할 수 있다.^[9] 긴 패치 합성은 일반적으로 2-10개의 새로운 뉴클레오타이드를 삽입한다.

플랩 엔도뉴클레아제

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FEN1은 긴 패치 BER 동안 생성되는 5' 플랩을 제거한다. 이 엔도뉴클레아제는 1-nt 3' 플랩에 인접한 긴 5' 플랩에 강한 선호도를 보인다.^[10] FEN1의 효모 상동체는 RAD27이다. 긴 패치 BER에서의 역할 외에도 FEN1은 지연 가닥 DNA 복제의 중요한 단계인 오카자키 절편 처리 동안 유사한 구조의 플랩을 절단한다.

DNA 연결효소

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DNA 연결효소 III는 보조 인자 XRCC1과 함께 인간의 짧은 패치 BER에서 닉 봉합 단계를 촉매한다.^[11][12] DNA 연결효소 I는 긴 패치 BER에서 파손을 연결한다.^[13]

암과의 연관성

다양한 DNA 수선 경로의 결함은 암 소인으로 이어지며, BER도 이 패턴을 따르는 것으로 보인다. BER 유전자의 결실 돌연변이는 다양한 유기체에서 더 높은 돌연변이율을 초래하는 것으로 나타났으며, 이는 BER의 손실이 암 발생에 기여할 수 있음을 시사한다. 실제로 Pol β의 체세포 돌연변이가 인간 암의 30%에서 발견되었으며, 이들 돌연변이 중 일부는 쥐 세포에서 발현될 때 형질전환을 유발한다.^[14] DNA 글리코실레이스 MYH의 돌연변이 또한 대장암에 대한 감수성을 증가시키는 것으로 알려져 있다.^[15]

암의 후성유전학적 결함

염기 절제 복구 유전자에서 후성유전학적 변화(후성돌연변이)는 다른 DNA 수선 경로(예: 불일치 수선의 MLH1 및 직접 역전의 MGMT)에서 작용하는 유전자의 후성돌연변이에 대한 수많은 이전 연구에 비해 최근에야 몇몇 암에서 평가되기 시작했다. 암에서 발생하는 염기 절제 복구 유전자의 후성돌연변이의 몇 가지 예는 아래에 요약되어 있다.

MBD4

사이토신에서 유라실로의 탈아미노화

MBD4 (메틸-CpG-결합 도메인 단백질 4)는 염기 절제 복구의 초기 단계에 사용되는 글리코실레이스이다. MBD4 단백질은 완전히 메틸화된 CpG 부위와 해당 부위의 변형된 DNA 염기에 우선적으로 결합한다. 이러한 변형된 염기는 사이토신이 유라실로 자주 가수분해(그림 참조)되고 5-메틸사이토신이 티민으로 가수분해되어 G:U 및 G:T 염기쌍을 생성함으로써 발생한다.^[16] 이 염기쌍의 부적절한 유라실 또는 티민이 DNA 복제 전에 제거되지 않으면 전환 돌연변이를 유발한다. MBD4는 CpG 부위 내에서 구아닌(G)과 쌍을 이루는 T와 U의 제거를 특이적으로 촉매한다.^[17] 인간 암의 모든 인트론 내 단일 염기쌍 돌연변이의 약 1/3이 CpG 이중 뉴클레오타이드에서 발생하고 G:C에서 A:T 전환의 결과이므로 이는 중요한 수선 기능이다.^[17][18] 이러한 전환은 인간 암에서 가장 빈번한 돌연변이를 구성한다. 예를 들어, 대장암의 종양 억제 유전자 p53의 체세포 돌연변이 중 거의 50%가 CpG 부위 내의 G:C에서 A:T 전환이다.^[17] 따라서 MBD4 발현 감소는 발암성 돌연변이 증가를 유발할 수 있다.

MBD4의 프로모터 영역의 메틸화로 인해 거의 모든 대장 신생물에서 MBD4 발현이 감소한다.^[19] 또한 MBD4는 대장암의 약 4%에서 돌연변이로 인해 결핍된다.^[20]

대장의 신생물 성장(선종 및 대장암) 주변의 조직학적으로 정상인 대부분의 영역( 필드 결함)도 대장 신생물이 전혀 없었던 개인의 조직학적으로 정상인 조직에 비해 MBD4 mRNA 발현이 감소한 것으로 나타났다.^[19] 이 발견은 MBD4의 후성유전학적 유전자 침묵이 대장 발암의 초기 단계임을 시사한다.

평가된 중국 인구에서 MBD4 Glu346Lys 다형성은 자궁경부암 위험을 약 50% 감소시키는 것과 관련이 있었으며, 이는 MBD4의 변화가 암에 중요할 수 있음을 시사한다.^[21]

NEIL1

NEIL1은 특정 산화 손상된 염기를 인식(표적)하고 제거한 다음 β,δ 제거를 통해 무염기 부위를 절개하여 3' 및 5' 인산 말단을 남긴다. NEIL1은 산화된 피리미딘, 포름아미도피리미딘, 메틸기에서 산화된 티민 잔기, 그리고 티민 글리콜의 두 가지 입체 이성질체를 인식한다.^[22] 인간 NEIL1의 가장 좋은 기질은 히단토인 병변, 구아니디노히단토인, 스피로이미노디히단토인으로, 이들은 8-oxoG의 추가 산화 생성물이다. NEIL1은 단일 가닥 DNA뿐만 아니라 버블 및 포크 DNA 구조에서도 병변을 제거할 수 있다. NEIL1 결핍은 8-oxo-Gua:C 쌍 부위에서 돌연변이 발생을 증가시키며, 대부분의 돌연변이는 G:C에서 T:A로의 전이이다.^[23]

2004년 연구에서는 원발성 위암의 46%가 NEIL1 mRNA 발현이 감소했지만, 감소 메커니즘은 알려지지 않았다.^[24] 이 연구는 또한 위암의 4%에서 NEIL1 돌연변이가 발견되었다. 저자들은 NEIL1 발현 감소 및 NEIL1 돌연변이로 인한 낮은 NEIL1 활성이 위암 발생에 자주 관여한다고 제안했다.

20명의 환자의 두경부 편평 세포암(HNSCC) 조직과 5명의 비암 환자의 두경부 점막 샘플에서 145개의 DNA 수선 유전자에 대한 비정상 프로모터 메틸화 스크리닝이 수행되었다.^[25] 이 스크리닝은 NEIL1이 실질적으로 증가된 과메틸화와 함께 가장 유의하게 다른 메틸화 빈도를 보였다. 또한 과메틸화는 NEIL1 mRNA 발현 감소와 일치했다. 135개의 종양 조직과 38개의 정상 조직을 사용한 추가 연구에서도 HNSCC 조직 샘플의 71%가 NEIL1 프로모터 메틸화가 증가했음을 보여주었다.^[25]

비소세포폐암 (NSCLC) 종양에서 8개의 DNA 수선 유전자를 평가했을 때, 42%가 NEIL1 프로모터 영역에서 과메틸화되었다.^[26] 이는 테스트된 8개의 DNA 수선 유전자 중에서 가장 흔한 DNA 수선 이상이었다. NEIL1은 또한 대장암에서 프로모터 영역이 과메틸화된 것으로 밝혀진 6개의 DNA 수선 유전자 중 하나였다.^[27]

인식과의 연관성

DNA에서 5-메틸사이토신 (5mC)의 탈메틸화. 2018년에 검토된 바와 같이,^[28] 5mC는 텐-일레븐 전위(TET) 패밀리 다이옥시게나아제(TET1, TET2, TET3)에 의해 산화되어 5-하이드록시메틸사이토신 (5hmC)을 생성한다. 연속적인 단계에서 TET 효소는 5hmC를 추가로 수산화하여 5-포르밀사이토신 (5fC) 및 5-카르복실사이토신 (5caC)을 생성한다. 티민-DNA 글리코실레이스 (TDG)는 중간 염기인 5fC와 5caC를 인식하고 글리코사이드 결합을 절제하여 피리미딘이 없는 부위(AP 부위)를 생성한다. 대안적인 산화적 탈아미노화 경로에서 5hmC는 활성 유도 사이티딘 탈아미노화효소/아포리포단백질 B mRNA 편집 복합체 (AID/APOBEC) 탈아미노화효소에 의해 산화적 탈아미노화되어 5-하이드록시메틸유라실 (5hmU)을 형성하거나 5mC는 티민 (Thy)으로 전환될 수 있다. 5hmU는 TDG, 단일 가닥 특이적 단일 기능 유라실-DNA 글리코실레이스 1 (SMUG1), Nei-Like DNA Glycosylase 1 (NEIL1), 또는 메틸-CpG 결합 단백질 4 (MBD4)에 의해 절단될 수 있다. AP 부위와 T:G 불일치는 염기 절제 복구(BER) 효소에 의해 수선되어 사이토신 (Cyt)을 생성한다.

능동적인 DNA 메틸화와 탈메틸화는 기억 형성 및 유지의 인식 과정에 필수적이다.^[29] 쥐에서 맥락적 공포 조건화는 단 한 번의 시도로 평생 기억을 유발할 수 있으며, 메틸화 변화는 특히 오래 지속되는 기억을 유발하는 것과 관련이 있는 것으로 보인다.^[29] 맥락적 공포 조건화 후 24시간이 지나면 쥐 뇌의 해마체 영역에서 분리된 DNA에는 2097개의 차등 메틸화 유전자가 있었고, 이 중 일부는 탈메틸화되었다.^[29] Bayraktar와 Kreutz의 검토에 따르면,^[28] DNA 탈메틸화는 염기 절제 복구에 의존한다(그림 참조).

신체 운동은 학습 및 기억에 잘 확립된 유익한 효과를 가지고 있다(운동의 신경생물학적 효과 참조). BDNF는 학습 및 기억의 특히 중요한 조절 인자이다.^[30] Fernandes 외 연구진의 검토에 따르면,^[31] 쥐에서 운동은 기억 형성에서 필수적인 역할을 하는 Bdnf 유전자의 해마체 발현을 증가시킨다. Bdnf의 강화된 발현은 CpG 아일랜드 프로모터의 엑손 IV에서 탈메틸화를 통해 발생하며,^[31] 탈메틸화는 염기 절제 복구에 의존한다(그림 참조).^[28]

노화에 따른 BER 감소

인간 백혈구에서 메틸화된 염기를 제거하는 DNA 글리코실레이스의 활성은 나이가 들면서 감소한다.^[32] DNA에서 메틸화된 염기 제거 감소는 알킬화된 염기를 제거하는 BER 효소인 3-메틸아데닌 DNA 글리코실레이스의 연령 의존적 감소를 시사한다.^[32]

어린 쥐(4~5개월령)는 산화적 손상에 반응하여 DNA 중합효소 베타와 AP 엔도뉴클레아제를 유도할 수 있지만, 늙은 쥐(24~28개월령)는 그렇지 못한다.^[33]

같이 보기

• DNA 불일치 수선
• DNA 수선
• 상동 재조합
• 비상동말단연결
• 뉴클레오타이드 절제 수선
• 숙주 세포 재활성화 분석