이스라엘 암 연구팀, DNA 복구 실패 원인 규명… '맞춤형 치료' 길 열려

이스라엘 와이즈만 과학원(Weizmann Institute of Science) 연구진이 미국 뉴저지주 로완 대학교(Rowan University) 과학자들과의 공동 연구를 통해 돌연변이가 DNA의 물리적 구조를 변화시킬 수 있음을 밝혀낸 획기적인 암 연구 결과를 발표했다.

이번 연구는 DNA 복구 효소의 효율성이 손상 부위 주변 DNA의 물리적 구조와 형태에 따라 달라진다는 사실을 보여준다. 이 발견은 돌연변이 발생 메커니즘에 대한 기존의 통념을 뒤엎는 것으로, 향후 암 및 기타 유전 질환에 대한 맞춤형 정밀 치료법 개발의 길을 열어줄 수 있을 것으로 기대된다.

와이즈만 연구소의 아리엘 아펙(Ariel Afek) 박사는 타임스 오브 이스라엘(Times of Israel)과의 인터뷰에서 "DNA 손상 주변의 국소적인 물리적 환경은 복구 방식에 결정적인 영향을 미칠 수 있다"고 설명했다. "DNA가 한쪽 방향으로 굽어지거나 다른 쪽으로 비틀리는 물리적 형태에 따라 복구 효율이 100배 더 쉬워지거나 어려워질 수 있다."

노가 레비(Noga Levy)는 아펙 박사의 연구실 연구팀을 이끌고 로완 대학교의 브라이언 P. 와이저(Brian P. Weiser) 교수 및 연구진과 협력했다. 이번 연구 성과는 과학 저널 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 7월호에 게재되었다.

연구진은 실험실 내 기초 실험과 함께 유전체 알고리즘을 활용해 원자 수준의 상호작용을 모델링한 컴퓨터 시뮬레이션을 결합했다.

아펙 박사는 "일부 연구자들은 암 환자에게서 나타나는 돌연변이 결과에 주목한다"며 "그러나 우리는 메커니즘과 분자적 원인을 근본적으로 규명하기 위해 원자 수준에서 돌연변이를 촉발한 초기 과정으로 되돌아가 관찰하고자 했다"고 밝혔다.

그는 이번 연구가 향후 암을 포함한 다양한 유전 질환 치료를 위해 DNA 복구 효소를 새롭게 설계하거나 맞춤형으로 최적화하는 데 기여할 수 있을 것이라고 전했다.

"태양의 자외선이나 공기 중 산화와 같은 손상 유발 인자가 게놈(유전체)의 특정 부위를 왜 다른 곳보다 더 집중적으로 타격하는지, 그리고 복구 효소가 왜 특정 부위의 손상을 복구하지 못하는가?"라는 질문을 던진 그는 다음과 같이 덧붙였다.

"돌연변이는 수많은 유전 질환의 근본 원인이며, 우리는 돌연변이의 발생 여부를 결정짓는 기본 구성 요소를 이해하고자 한다."

인체의 복잡성에도 불구하고 모든 인간의 DNA는 아데닌(A), 티민(T), 시토신(C), 구아닌(G)이라는 네 가지 화학 염기로 이루어져 있다. 이 염기들이 다양한 서열로 배열되어 수십억 개의 문자로 구성된 유전 부호를 형성한다.

이번 연구는 손상된 DNA 구간의 직전·직후 주변부에서 일어나는 현상에 집중했다.

아펙 박사는 "기존에는 DNA에 손상이 발생하면 그 주변 염기서열은 크게 중요하지 않거나 인접 염기가 미미한 영향만 미칠 것이라고 여겨왔다"고 말했다.

그러나 연구 결과, 손상 부위를 둘러싼 주변 유전 서열이 DNA의 물리적 형태를 변형시키며, 이것이 효소가 손상 부위를 인식하고 복구하는 능력에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.

"일반적으로 세포 내에서 손상 유발 요인이 작용할 때 게놈의 어느 한 부위는 손상되고 다른 부위는 손상되지 않을 수 있다"며 아펙 박사는 "이를 통제하기는 매우 어렵지만, 우리는 실험실 환경에서 동일한 위치에 손상을 유도한 수백만 개의 서로 다른 DNA 서열을 합성해 냈다"고 설명했다.

그는 "이를 통해 사상 처음으로 복구 효소들의 선호도를 규명할 수 있었으며, 효소의 결합과 복구 효율을 결정짓고 궁극적으로 돌연변이를 일으키는 요인이 무엇인지 이해하기 시작했다"고 덧붙였다.

피츠버그 대학교 약리학 및 화학생물학과의 베넷 반 하우텐(Bennett Van Houten) 교수는 이번 발견이 "해당 학문 분야에 장기적이고 지속적인 영향을 미칠 것"으로 내다봤다.

반 하우텐 교수는 "주변 유전 암호가 DNA의 물리적 구조를 변화시켜 효소가 손상을 인식하고 복구하는 효율에 직접적인 영향을 미친다는 점을 밝혀냄으로써, 종양 세포에서 왜 특정 서열이 유독 높은 돌연변이 발생률을 보이는지 규명하는 데 기여했다"고 평가했다.

연구의 중대한 성과에도 불구하고 아펙 박사는 인체 내 DNA 손상과 복구를 관장하는 복잡한 과정을 규명하기 위해 더 많은 연구가 필요하다고 강조했다.

그는 "이번 연구는 거대한 퍼즐의 한 조각을 맞춘 것에 불과하며 여전히 밝혀지지 않은 영역이 훨씬 많다. 이는 빙산의 일각에 불과하다"며 "우리 몸 안에서 돌연변이와 복구 작용의 방향을 바꾸는 수많은 다른 요인들을 이해하기 위한 연구의 여지는 여전히 많이 남아 있다"고 전했다.