미토콘드리아 DNA 손상과 회복 기전
2019-09-10
org.kosen.entty.User@1e0b01e2
장현준(hjang)
미토콘드리아 DNA 손상과 회복 기전
장현준, hyunjun86@unist.ac.kt
울산과학기술원, 생명과학부
Key words
mitochondria DNA(mtDNA),
미토콘드리아 DNA,
1. 개요
미토콘드리아 (mitochondria)는 에너지 생산이라는 중요한 역할을 하고 있으며 산화적 인산화 (oxidative phosphorylation)를 통하여 세포의 주요한 에너지원인 ATP (adenosine triphosphate)의 대부분을 생산하고 미토콘드리아의 막 전위 (membrane potential)를 유지하며 기능하게 된다. 이러한 미토콘드리아의 기능은 수 천종의 단백질의 상호작용으로 이루어지는데 이들 대부분은 핵 (nuclear) 유전체 (genome)에 존재하며 발현 후 미토콘드리아로 이동하여 작용하게 된다. 하지만 미토콘드리아는 미토콘드리아 핵의 유전체와는 다른 자신의 고유한 유전체 또한 가지고 있다. 미토콘드리아 유전체는 13 단백질 정보를 가지고 있으며 이들은 산화적 인산화에 참여하고 있다. 미토콘드리아의 기능적 이상은 여러 질병을 일으키며 낮은 수준의 mtDNA (미토콘드리아 DNA) 손상의 만성적인 축적과 mtDNA copy 수의 감소가 노화와 함께 나타나며 당뇨병이나 퇴행성뇌질환과 같은 노화 관련 질병과 연관됨이 제시되고 있다. 이러한 mtDNA의 손상은 또한 회복 기전이 존재하기 때문에 노화 관련 질환을 치료할 수 있는 중요한 표적으로서 주목을 받고 있다. 본 보고서에서는 mtDNA를 유지하고 회복하는 기전에 대한 최신의 연구결과에 대해 정리 하였다.
2. 주요 내용
2.1. mtDNA의 구조
mtDNA는 산화적 인산화 사슬을 구성하며 ATP 생산에 주요인자들을 encode하고 있기 때문에 mtDNA는 생명유지에 중요하다. 흥미롭게도 일부 생명유지에 위협적이지 않은 mtDNA의 돌연변이가 생애주기 후반이나 대사스트레스 상황에서 작용하여 질병을 유발하는 것으로 나타나고 있다. 하지만 질병의 증상들이 돌연변이를 가지는 미토콘드리아의 수에 따라 다양한 양상을 보이기 때문에 이러한 돌연변이가 세포의 기능에 미치는 영향은 분석하기에는 어려움이 있다. 정상의 mtDNA와 돌연변이 mtDNA가 모두 미토콘드리아에 존재할 수 있으며 (heteroplasmy) 이는 세포 기능에 심각한 영향을 줄 수 있다. mtDNA heteroplasmy에 대한 tolerance는 아직 완전히 이해되지 않았으며 돌연변이의 종류, 세포 타입에 따라 tolerance가 다르게 나타나며 미토콘드리아 생성과 분해와 같은 경쟁적인 과정을 통해 크게 영향을 받을 것으로 생각된다. 또한 다양한 범위에서 그 영향아 나타나기 때문에 임상적으로 발견이 되지 않을 수 도 있다[1].
사람의 mtDNA는 16569 base pair로 이루어진 이중 가닥의 원형 구조이다. 미토콘드리아 기질 (matrix)의 막 근처에서 단백질과 결합하여 존재하고 있다. mtDNA는 미토콘드리아의 내막에 존재하는 산화적 인산화 복합체 (complex)를 구성하는 13 종의 단백질을 encode하고 있다. 이는 복합체 I의 7개 subunit과 복합체 III의 subunit 1개, 복합체 IV의 subunit 3개, 복합체 V의 subunit 2개이다. mtDNA는 또한 22개의 transfer RNA와 2개의 리보좀 (ribosomal) RNA (12S , 16S RNA)를 encode하고 있으며 이들은 핵에서 만들어진 미토콘드리아 구성 단백질들이 미토콘드리아로 이동하는데 중요한 역할을 하고 있다. 핵의 DNA와는 달리 mtDNA는 히스톤이 없으며 모계 유전되는 특징을 가진다. 하지만 부분적으로 부계 유전이 이루어진다는 보고도 이루어지고 있다[2].
mtDNA의 이중가닥 구조는 구아닌 (guanine)이 많은 heavy(H) 가닥과 light(L) 가닥으로 이루어져 있다. mtDNA의 구조는 척추동물에서 인간과 유사하며 noncoding DNA의 대부분이 약 1kb의 noncoding region (NCR)에 위치해 있다. 이 NCR은 mtDNA에서 염기 서열의 다형성 (polymorphism)이 많이 나타나는 부위로 특히 NCR 에 있는 2개의 hypervariable region (HVR)에 잘 알려진 여러 염기 서열 다형성들이 존재하며 이는 사람의 유전적 계보를 추적하는데 이용되기도 한다. mtDNA에 존재하는 NCR은 mtDNA의 전사 (transcription)와 번역 (translation)을 조절하는 역할을 가진다. NCR은 mtDNA 조절부위로서 H 한쪽 가닥의 복제 개시점 (replication origin)과 양쪽(H, L) 가닥의 전사 개시점을 포함한다. 이 조절 부위는 또한 D-loop (displacement loop)를 포함하고 있다. D-loop는 H 가닥과 L 가닥 그리고 L 가닥과 수소결합 (hydrogen bond)을 이루는 부분적으로 복제된 H 가닥으로 이루어진다. mtDNA의 복제는 이 D-loop에서 시작되며 전사를 위한 프로모터의 역할도 한다. 아직까지 D-loop의 정확한 기능은 불확실 하지만 유방암 등 특정 암의 발생과 연관되어 있음이 제시되고 있다. 또한 이 부위의 돌연변이가 골격근 (skeletal muscle)과 피부 섬유아세포 (skin fibroblast)의 노화에 연관되어 있다.
2.2. mtDNA손상의 발생
mtDNA에 encoding 된 단백질들의 세포 에너지 생산에서의 대체 불가한 중요성 때문에 mtDNA의 안정성 (stability)와 완전성 (integrity)를 유지하는 효소들은 세포에서 매우 중요하다. mtDNA는 산화적 병변 (oxidative lesion)의 발생에 의한 손상에 특히 취약하기에 mtDNA의 완전성 유지가 중요하다. mtDNA가 산화적 병변에 취약한 데는 몇가지 이유가 있다. 우선, mtDNA가 위치하는 곳이 미토콘드리아 막 부근으로써 ROS (reactive oxygen species)가 생산되는 위치와 가까이 접해 있다. 그리고 mtDNA의 복제가 비대칭적인 (asymmetric) 경로로 이루어지기 때문이다. 이러한 과정은 H 가닥의 일부가 장시간 단일가닥 (single-stranded) 구조로 존재하게 하고 그 결과 핵산의 탈아미노화 (deamination)을 유도하게 된다. 더욱이 미토콘드리아에 dGTP가 높게 존재하는 비대칭적인 dNTP의 분포가 mtDNA 복제과정에서 정확도를 떨어뜨리게 된고 돌연변이의 가능성을 증가시킨다. 또한 mtDNA는 저농도의 ROS에 의해서도 핵의 DNA에 비해 손상되기 쉬우며 DNA repair과정 또한 느리게 이루어진다. 더욱이 이는 산화적 스트레스가 길어질 경우 두드러지게 나타나게 된다. 한편 mtDNA는 노화에 따라 더욱 손상을 입기 쉽다고 알려져 있다. 이는 노화에 따른 ROS의 증가와 ROS quenching의 감소, DNA repair 능력의 감소 때문이다. mtDNA 여러 추정을 통해서 핵에 존재하는 유전체에 비해 mtDNA가 10에서 20배 높은 돌연변이률을 가짐이 제시되었다.
2.3. mtDNA의 산화적 손상이 복제와 전사에 미치는 영향
mtDNA의 높은 산화적 손상률에도 불구하고 ROS에 의한 미토콘드리아의 손상이 mtDNA의 복제와 전사에 미치는 영향은 많은 부분이 밝혀지지 않았다. DNA polymerase subunit gamma (POLG)는 단일가닥분해에 의해 복제를 진행 할 수 없게 됨이 알려져 있다. 하지만 낮은 수준의 복제 실속 (replication stalling)에 의한 에러가 일어나기 쉬운 방법 (error-prone manner)을 통하여 8-oxoG는 통과할 수 있다. 이러한 8-oxoG에서의 stalling은 mtDNA 복제는 활발이 이루어지고 있는 유사분열 이후 (post-mitotic) dNTP가 낮아져 있는 조직에서 증가하는 것으로 생각되고 있다. 이러한 8-oxoG에서의 복제 stalling은 POLG의 교정 (proofreading)작용에 의해 이루어지며 이는 8-oxoG에서의 돌연변이 이유도 생각되고 있다. 미토콘드리아의 전사에서 RNA Polymerase Mitochondrial (POLRMT)는 G:C에서 T:A로 염기전환을 가지는 전사체 (transcript)를 만들더라도 8-oxoG와 thymine glycol과 같은 산화 병변을 지나칠 수 있는 능력을 가지고 있다. 이러한 산화된 병변을 통과하는 작용은 TFIIS와 같은 nuclear elongation factor가 있을 때 보다 효과적으로 이루어진다. 최근에는 elongation factor인 TEFM이 있을 때 8-oxoG에서의 이른 전사 종료 (transcription termination)이 효과적으로 감소함으로써 POLRMT에 의한 병변의 통과가 잘 이루어짐이 밝혀졌다. 하지만 in vivo에서 산화적 병변에 대한 mtDNA의 전사가 일어남에도 아직까지 전사체의 시퀀스 변화와 비정상적인 단백질의 생성에 미치는 영향 등에 대한 총제적인 연구는 이루어지지 않고 있다.
2.4. mtDNA손상의 복구
미토콘드리아는 mtDNA 손상을 복구하기 위해서 핵의 여러 DNA 복구 요소들을 가져와 사용한다. 그렇기에 mismatch 복구와 non-homologous end joining과 같은 복구 과정이 미토콘드리아에서도 이루어진다. 하지만 미토콘드리아에서 일어나는 대부분의 mtDNA 복구는 염기절단복구(base excision repair, BER) 경로를 통해서 이루어진다. 사람의 cohorts연구와 BER에 결함이 있는 동물 모델을 연구함으로써 BER이 많은 질병 형질에서 중요하며 mtDNA 완전성 유지에 주요한 경로임이 제시되었다.
BER은 산화되거나 탈아민화 된 염기, 혹은 알킬화 (alkylation) 손상을 받거나 단일 가닥 분해 (single-strand break)가 이루어진 작은 non-helix distorting 병변을 제거하는 역할을 한다. BER은 여러 단계로 이루어진 과정으로 1개의 핵산을 넣어주는 short-patch와 2에서 10개의 핵산을 첨가하는 long-patch 두가지 방법을 통해 이루어진다. 일련의 과정은 손상된 염기의 인식과 삭제, 염기가 제거된 부위의 제거, 말단부위 처리, 틈 (gap)의 보충, DNA 연결로 이루어진다. BER은 특정 DNA 손상을 인식하는 DNA glycosylase (glycoside 절단효소)가 손상된 염기와 DNA backbone 사이의 N-glycoside 결합을 제거하면서 시작이 된다. DNA glycosylase는 단일기능성 (monofunctional)과 이중기능성 (bifunctional) glycosylase로 나뉜다. 아데닌 (adenine) DNA glycosylase (MUTY)와 같은 단일기능성 glycosylase는 glycosylase의 기능만을 가지며 단일가닥의 분해를 일으키는 AP endonuclease (APE1) 같은 하위 단계의 효소 작용을 필요로 하게 된다. 탈아민화나 알킬화된 염기처럼 산화적 손상이 아닌 경우는 단일기능성 DNA glycosylase에 의해 제거된다. MUTY는 인산화된 구아닌 맞은 편에서 잘못 연결된 아데닌을 제거한다. 이와는 대조적으로 대부분의 산화적 손상은 endonuclease III like-1 (NTH1)과 같은 glycosylase활성화 AP lyase활성을 가지는 이중기능성 glycosylase에 인식된다. 이중기능성 glycosylase에 의한 염기 제거는 APE1와 polynucleotide kinase phosphate (PNKP)에 의한 DNA 말단 처리가 추후 필요하며, 이는 POLG에 의한 핵산 첨가로 이어진다.
DNA glycosylase는 핵에 encode되어 있는 여러 효소 들이다. 이들은 mitochondrial targeting sequence (MTS)를 가지고 있어 미토콘드리아로 이동하게 된다. 사람에서는 6개의 DNA glycosylase가 산화된 DNA 손상을 치료한다고 알려져 있다. 이들은 MUTY homolog (MYH), 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1), endonuclease three homolog 1 (NTH1), Nei endonuclease VIII-like 1,2,3 (NEIL1,2,3)이고 이들 중 MUTY, OGG1, NEIL1, NEIL2, NTH1가 미토콘드리아에서 발견이 되었다.
MUTY는 산화된 구아닌 (8-oxoG)의 맞은편에서 잘못 연결된 아데닌을 잘라내는 역할을 한다. MUTY는 사람의 여러 조직에서 널리 발현이 되고 있으며 특히 흉선 (thymus)와 고환 (testis), 태아 (embryonic) 조직에서 높게 발현이 되고 있다. NEIL glycosylase 패밀리는 FapyA, FapyG, hydroxyuracil과 같은 산화된 피리미딘 (pyrimidines) 또는8-oxoG가 더욱 산화 된 hydantoin 병변과 thymine glycol 등에 작용하게 된다. NEIL1은 전반적으로 발현이 되고 있으며 간 (liver), 흉선, 췌장 (pancreas)에서 높게 발현된다고 알려져 있다. NEIL2는 고환과 골격근에서 높게 발현이 되며, NEIL3는 줄기세포 (stem cell)을 포함하는 뇌 부위에서만 선택적으로 발현이 된다고 알려져 있다. NTH1과 OGG1은 이중기능성 DNA glycosylase로 각각이 thymine glycol과 산화된 구아닌 (8-oxoG, FapyG) 병변을 인식 치료한다. NTH1은 설치류에서 여러 곳에서 발현이 되고 있으며 심장과 뇌에서 특히 높게 발현이 되고 있다. 사람의 OGG1은 흉선과 고환, 내장 (intestine), 뇌, B세포의 종자중심 (germinal center), 표피의 상위 과립층 (upper granular layer)에 존재하는 각질형성세포 (keratinocyte)에서 발현이 높게 나타난다. MutT homolog 1 (MTH1)은 glycosylase이지만 BER에는 참여하진 않는다. 하지만 일부가 미토콘드리아로 이동하여 미토콘드리아의 dNTP pool을 정리함으로써 mtDNA에 산화적 병변이 생기는 것을 억제하는 기능을 하는 것으로 생각되고 있다.
2.4. mtDNA 돌연변이에 의한 질병
mtDNA손상 복구에서 DNA glycosylase의 구조와 작동 방식, 생화학적 조절 등 여러 사항이 연구되었지만 아직까지 복구되지 못한 mtDNA 손상과 질병 발병 사이의 생리학적 연관성에 대해서는 명확하지 않은 부분이 많다. 노화와 DNA 손상의 축적 사이의 연관성이 알려져 있기에 노화에 따른 질병과 mtDNA 손상 복구 결함 사이의 연관성은 예상이 되고 있다. 사람의 다형성 분석 연구와 설치류의 DNA glycosylase 결핍 질병 모델 연구를 통하여 암 (cancer)과 퇴행성뇌질환 대사성 질환의 발병이 mtDNA의 산화적 손상 복구와 연관되어 있음이 제시되었다.
mtDNA의 돌연변이는 크게 polypeptide 돌연변이와 rRNA 돌연변이 tRNA 돌연변이 그리고 rearrangement 돌연변이 4종류로 분류 할 수 있다. 이들은 단백질의 합성에 영향을 자체에 영향을 줄 뿐만 아니라 mtDNA의 복제 등에도 영향을 줄 수 있다. mtDNA 시퀀스와 variation에 대한 데이터베이스 연구를 통해 특정한 mtDNA의 돌연변이와 특정 질병 사이에 높은 연관성이 있음이 밝혀 졌다. 양쪽 눈의 고통이 없는 아급성 시력 손상을 일으키는 Leber Hereditary Optic Neuropathy (LHON)에서는 MT-ND1과 MT-ND4, MT-ND6 유전자 상의 돌연변이가 발견이 되었다. 간대성 근경련을 일으키고 근육의 약화와 운동실조, 치매 등을 일으키는 Myoclonic Epilepsy with Ragged Red Fibers (MERRF)에서는 tRNA lysine (tRNALys)을 encode하고 있는 MT-TK 돌연변이와 nucleotide 8344 위치에서 A에서 T로의 돌연변이가 발견되었다. 철적혈모구성 빈혈증 (sideroblastic anemia)과 외분비성 (exocrine) 췌장의 기능이상을 일으키는 Pearson’s syndrome에서는 mtDNA의 결핍가 나타난다. 색소 망막증 (pigmentary retinopathy)을 일으키는 Kearns-Sayre Syndrome (KSS)에서 또한 mtDNA 결핍이 확인이 된다. 또한 tRNA lucine UUR 유전자에서의 돌연변이와 nucleotide 3243 위치에서의 A에서 G로의 치환이 Mitochondial encephalopathy, lactic acidosis and strokelike episodes (MELAS)에서 확인이 된다.
3. 결론
미토콘드리아의 기능이 세포의 생존에 매우 중요하다는 것은 잘 알려져 왔지만 미토콘드리아에 의한 질병의 복잡성에 대해서는 최근에야 연구가 이루어지고 있다. 때문에 mtDNA의 손상과 회복 기전에 대한 연구는 미토콘드리아 관련 질환은 연구하는 필요한 부분이며 새로운 치료 가능성을 제시해 줄 수 있을 것이다.
References
1. Sharma, P. and H. Sampath, Mitochondrial DNA Integrity: Role in Health and Disease. Cells, 2019. 8(2).
2. Luo, S., et al., Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans. Proc Natl Acad Sci U S A, 2018. 115(51): p. 13039-13044.
장현준, hyunjun86@unist.ac.kt
울산과학기술원, 생명과학부
Key words
mitochondria DNA(mtDNA),
미토콘드리아 DNA,
1. 개요
미토콘드리아 (mitochondria)는 에너지 생산이라는 중요한 역할을 하고 있으며 산화적 인산화 (oxidative phosphorylation)를 통하여 세포의 주요한 에너지원인 ATP (adenosine triphosphate)의 대부분을 생산하고 미토콘드리아의 막 전위 (membrane potential)를 유지하며 기능하게 된다. 이러한 미토콘드리아의 기능은 수 천종의 단백질의 상호작용으로 이루어지는데 이들 대부분은 핵 (nuclear) 유전체 (genome)에 존재하며 발현 후 미토콘드리아로 이동하여 작용하게 된다. 하지만 미토콘드리아는 미토콘드리아 핵의 유전체와는 다른 자신의 고유한 유전체 또한 가지고 있다. 미토콘드리아 유전체는 13 단백질 정보를 가지고 있으며 이들은 산화적 인산화에 참여하고 있다. 미토콘드리아의 기능적 이상은 여러 질병을 일으키며 낮은 수준의 mtDNA (미토콘드리아 DNA) 손상의 만성적인 축적과 mtDNA copy 수의 감소가 노화와 함께 나타나며 당뇨병이나 퇴행성뇌질환과 같은 노화 관련 질병과 연관됨이 제시되고 있다. 이러한 mtDNA의 손상은 또한 회복 기전이 존재하기 때문에 노화 관련 질환을 치료할 수 있는 중요한 표적으로서 주목을 받고 있다. 본 보고서에서는 mtDNA를 유지하고 회복하는 기전에 대한 최신의 연구결과에 대해 정리 하였다.
2. 주요 내용
2.1. mtDNA의 구조
mtDNA는 산화적 인산화 사슬을 구성하며 ATP 생산에 주요인자들을 encode하고 있기 때문에 mtDNA는 생명유지에 중요하다. 흥미롭게도 일부 생명유지에 위협적이지 않은 mtDNA의 돌연변이가 생애주기 후반이나 대사스트레스 상황에서 작용하여 질병을 유발하는 것으로 나타나고 있다. 하지만 질병의 증상들이 돌연변이를 가지는 미토콘드리아의 수에 따라 다양한 양상을 보이기 때문에 이러한 돌연변이가 세포의 기능에 미치는 영향은 분석하기에는 어려움이 있다. 정상의 mtDNA와 돌연변이 mtDNA가 모두 미토콘드리아에 존재할 수 있으며 (heteroplasmy) 이는 세포 기능에 심각한 영향을 줄 수 있다. mtDNA heteroplasmy에 대한 tolerance는 아직 완전히 이해되지 않았으며 돌연변이의 종류, 세포 타입에 따라 tolerance가 다르게 나타나며 미토콘드리아 생성과 분해와 같은 경쟁적인 과정을 통해 크게 영향을 받을 것으로 생각된다. 또한 다양한 범위에서 그 영향아 나타나기 때문에 임상적으로 발견이 되지 않을 수 도 있다[1].
사람의 mtDNA는 16569 base pair로 이루어진 이중 가닥의 원형 구조이다. 미토콘드리아 기질 (matrix)의 막 근처에서 단백질과 결합하여 존재하고 있다. mtDNA는 미토콘드리아의 내막에 존재하는 산화적 인산화 복합체 (complex)를 구성하는 13 종의 단백질을 encode하고 있다. 이는 복합체 I의 7개 subunit과 복합체 III의 subunit 1개, 복합체 IV의 subunit 3개, 복합체 V의 subunit 2개이다. mtDNA는 또한 22개의 transfer RNA와 2개의 리보좀 (ribosomal) RNA (12S , 16S RNA)를 encode하고 있으며 이들은 핵에서 만들어진 미토콘드리아 구성 단백질들이 미토콘드리아로 이동하는데 중요한 역할을 하고 있다. 핵의 DNA와는 달리 mtDNA는 히스톤이 없으며 모계 유전되는 특징을 가진다. 하지만 부분적으로 부계 유전이 이루어진다는 보고도 이루어지고 있다[2].
mtDNA의 이중가닥 구조는 구아닌 (guanine)이 많은 heavy(H) 가닥과 light(L) 가닥으로 이루어져 있다. mtDNA의 구조는 척추동물에서 인간과 유사하며 noncoding DNA의 대부분이 약 1kb의 noncoding region (NCR)에 위치해 있다. 이 NCR은 mtDNA에서 염기 서열의 다형성 (polymorphism)이 많이 나타나는 부위로 특히 NCR 에 있는 2개의 hypervariable region (HVR)에 잘 알려진 여러 염기 서열 다형성들이 존재하며 이는 사람의 유전적 계보를 추적하는데 이용되기도 한다. mtDNA에 존재하는 NCR은 mtDNA의 전사 (transcription)와 번역 (translation)을 조절하는 역할을 가진다. NCR은 mtDNA 조절부위로서 H 한쪽 가닥의 복제 개시점 (replication origin)과 양쪽(H, L) 가닥의 전사 개시점을 포함한다. 이 조절 부위는 또한 D-loop (displacement loop)를 포함하고 있다. D-loop는 H 가닥과 L 가닥 그리고 L 가닥과 수소결합 (hydrogen bond)을 이루는 부분적으로 복제된 H 가닥으로 이루어진다. mtDNA의 복제는 이 D-loop에서 시작되며 전사를 위한 프로모터의 역할도 한다. 아직까지 D-loop의 정확한 기능은 불확실 하지만 유방암 등 특정 암의 발생과 연관되어 있음이 제시되고 있다. 또한 이 부위의 돌연변이가 골격근 (skeletal muscle)과 피부 섬유아세포 (skin fibroblast)의 노화에 연관되어 있다.
2.2. mtDNA손상의 발생
mtDNA에 encoding 된 단백질들의 세포 에너지 생산에서의 대체 불가한 중요성 때문에 mtDNA의 안정성 (stability)와 완전성 (integrity)를 유지하는 효소들은 세포에서 매우 중요하다. mtDNA는 산화적 병변 (oxidative lesion)의 발생에 의한 손상에 특히 취약하기에 mtDNA의 완전성 유지가 중요하다. mtDNA가 산화적 병변에 취약한 데는 몇가지 이유가 있다. 우선, mtDNA가 위치하는 곳이 미토콘드리아 막 부근으로써 ROS (reactive oxygen species)가 생산되는 위치와 가까이 접해 있다. 그리고 mtDNA의 복제가 비대칭적인 (asymmetric) 경로로 이루어지기 때문이다. 이러한 과정은 H 가닥의 일부가 장시간 단일가닥 (single-stranded) 구조로 존재하게 하고 그 결과 핵산의 탈아미노화 (deamination)을 유도하게 된다. 더욱이 미토콘드리아에 dGTP가 높게 존재하는 비대칭적인 dNTP의 분포가 mtDNA 복제과정에서 정확도를 떨어뜨리게 된고 돌연변이의 가능성을 증가시킨다. 또한 mtDNA는 저농도의 ROS에 의해서도 핵의 DNA에 비해 손상되기 쉬우며 DNA repair과정 또한 느리게 이루어진다. 더욱이 이는 산화적 스트레스가 길어질 경우 두드러지게 나타나게 된다. 한편 mtDNA는 노화에 따라 더욱 손상을 입기 쉽다고 알려져 있다. 이는 노화에 따른 ROS의 증가와 ROS quenching의 감소, DNA repair 능력의 감소 때문이다. mtDNA 여러 추정을 통해서 핵에 존재하는 유전체에 비해 mtDNA가 10에서 20배 높은 돌연변이률을 가짐이 제시되었다.
2.3. mtDNA의 산화적 손상이 복제와 전사에 미치는 영향
mtDNA의 높은 산화적 손상률에도 불구하고 ROS에 의한 미토콘드리아의 손상이 mtDNA의 복제와 전사에 미치는 영향은 많은 부분이 밝혀지지 않았다. DNA polymerase subunit gamma (POLG)는 단일가닥분해에 의해 복제를 진행 할 수 없게 됨이 알려져 있다. 하지만 낮은 수준의 복제 실속 (replication stalling)에 의한 에러가 일어나기 쉬운 방법 (error-prone manner)을 통하여 8-oxoG는 통과할 수 있다. 이러한 8-oxoG에서의 stalling은 mtDNA 복제는 활발이 이루어지고 있는 유사분열 이후 (post-mitotic) dNTP가 낮아져 있는 조직에서 증가하는 것으로 생각되고 있다. 이러한 8-oxoG에서의 복제 stalling은 POLG의 교정 (proofreading)작용에 의해 이루어지며 이는 8-oxoG에서의 돌연변이 이유도 생각되고 있다. 미토콘드리아의 전사에서 RNA Polymerase Mitochondrial (POLRMT)는 G:C에서 T:A로 염기전환을 가지는 전사체 (transcript)를 만들더라도 8-oxoG와 thymine glycol과 같은 산화 병변을 지나칠 수 있는 능력을 가지고 있다. 이러한 산화된 병변을 통과하는 작용은 TFIIS와 같은 nuclear elongation factor가 있을 때 보다 효과적으로 이루어진다. 최근에는 elongation factor인 TEFM이 있을 때 8-oxoG에서의 이른 전사 종료 (transcription termination)이 효과적으로 감소함으로써 POLRMT에 의한 병변의 통과가 잘 이루어짐이 밝혀졌다. 하지만 in vivo에서 산화적 병변에 대한 mtDNA의 전사가 일어남에도 아직까지 전사체의 시퀀스 변화와 비정상적인 단백질의 생성에 미치는 영향 등에 대한 총제적인 연구는 이루어지지 않고 있다.
2.4. mtDNA손상의 복구
미토콘드리아는 mtDNA 손상을 복구하기 위해서 핵의 여러 DNA 복구 요소들을 가져와 사용한다. 그렇기에 mismatch 복구와 non-homologous end joining과 같은 복구 과정이 미토콘드리아에서도 이루어진다. 하지만 미토콘드리아에서 일어나는 대부분의 mtDNA 복구는 염기절단복구(base excision repair, BER) 경로를 통해서 이루어진다. 사람의 cohorts연구와 BER에 결함이 있는 동물 모델을 연구함으로써 BER이 많은 질병 형질에서 중요하며 mtDNA 완전성 유지에 주요한 경로임이 제시되었다.
BER은 산화되거나 탈아민화 된 염기, 혹은 알킬화 (alkylation) 손상을 받거나 단일 가닥 분해 (single-strand break)가 이루어진 작은 non-helix distorting 병변을 제거하는 역할을 한다. BER은 여러 단계로 이루어진 과정으로 1개의 핵산을 넣어주는 short-patch와 2에서 10개의 핵산을 첨가하는 long-patch 두가지 방법을 통해 이루어진다. 일련의 과정은 손상된 염기의 인식과 삭제, 염기가 제거된 부위의 제거, 말단부위 처리, 틈 (gap)의 보충, DNA 연결로 이루어진다. BER은 특정 DNA 손상을 인식하는 DNA glycosylase (glycoside 절단효소)가 손상된 염기와 DNA backbone 사이의 N-glycoside 결합을 제거하면서 시작이 된다. DNA glycosylase는 단일기능성 (monofunctional)과 이중기능성 (bifunctional) glycosylase로 나뉜다. 아데닌 (adenine) DNA glycosylase (MUTY)와 같은 단일기능성 glycosylase는 glycosylase의 기능만을 가지며 단일가닥의 분해를 일으키는 AP endonuclease (APE1) 같은 하위 단계의 효소 작용을 필요로 하게 된다. 탈아민화나 알킬화된 염기처럼 산화적 손상이 아닌 경우는 단일기능성 DNA glycosylase에 의해 제거된다. MUTY는 인산화된 구아닌 맞은 편에서 잘못 연결된 아데닌을 제거한다. 이와는 대조적으로 대부분의 산화적 손상은 endonuclease III like-1 (NTH1)과 같은 glycosylase활성화 AP lyase활성을 가지는 이중기능성 glycosylase에 인식된다. 이중기능성 glycosylase에 의한 염기 제거는 APE1와 polynucleotide kinase phosphate (PNKP)에 의한 DNA 말단 처리가 추후 필요하며, 이는 POLG에 의한 핵산 첨가로 이어진다.
DNA glycosylase는 핵에 encode되어 있는 여러 효소 들이다. 이들은 mitochondrial targeting sequence (MTS)를 가지고 있어 미토콘드리아로 이동하게 된다. 사람에서는 6개의 DNA glycosylase가 산화된 DNA 손상을 치료한다고 알려져 있다. 이들은 MUTY homolog (MYH), 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1), endonuclease three homolog 1 (NTH1), Nei endonuclease VIII-like 1,2,3 (NEIL1,2,3)이고 이들 중 MUTY, OGG1, NEIL1, NEIL2, NTH1가 미토콘드리아에서 발견이 되었다.
MUTY는 산화된 구아닌 (8-oxoG)의 맞은편에서 잘못 연결된 아데닌을 잘라내는 역할을 한다. MUTY는 사람의 여러 조직에서 널리 발현이 되고 있으며 특히 흉선 (thymus)와 고환 (testis), 태아 (embryonic) 조직에서 높게 발현이 되고 있다. NEIL glycosylase 패밀리는 FapyA, FapyG, hydroxyuracil과 같은 산화된 피리미딘 (pyrimidines) 또는8-oxoG가 더욱 산화 된 hydantoin 병변과 thymine glycol 등에 작용하게 된다. NEIL1은 전반적으로 발현이 되고 있으며 간 (liver), 흉선, 췌장 (pancreas)에서 높게 발현된다고 알려져 있다. NEIL2는 고환과 골격근에서 높게 발현이 되며, NEIL3는 줄기세포 (stem cell)을 포함하는 뇌 부위에서만 선택적으로 발현이 된다고 알려져 있다. NTH1과 OGG1은 이중기능성 DNA glycosylase로 각각이 thymine glycol과 산화된 구아닌 (8-oxoG, FapyG) 병변을 인식 치료한다. NTH1은 설치류에서 여러 곳에서 발현이 되고 있으며 심장과 뇌에서 특히 높게 발현이 되고 있다. 사람의 OGG1은 흉선과 고환, 내장 (intestine), 뇌, B세포의 종자중심 (germinal center), 표피의 상위 과립층 (upper granular layer)에 존재하는 각질형성세포 (keratinocyte)에서 발현이 높게 나타난다. MutT homolog 1 (MTH1)은 glycosylase이지만 BER에는 참여하진 않는다. 하지만 일부가 미토콘드리아로 이동하여 미토콘드리아의 dNTP pool을 정리함으로써 mtDNA에 산화적 병변이 생기는 것을 억제하는 기능을 하는 것으로 생각되고 있다.
2.4. mtDNA 돌연변이에 의한 질병
mtDNA손상 복구에서 DNA glycosylase의 구조와 작동 방식, 생화학적 조절 등 여러 사항이 연구되었지만 아직까지 복구되지 못한 mtDNA 손상과 질병 발병 사이의 생리학적 연관성에 대해서는 명확하지 않은 부분이 많다. 노화와 DNA 손상의 축적 사이의 연관성이 알려져 있기에 노화에 따른 질병과 mtDNA 손상 복구 결함 사이의 연관성은 예상이 되고 있다. 사람의 다형성 분석 연구와 설치류의 DNA glycosylase 결핍 질병 모델 연구를 통하여 암 (cancer)과 퇴행성뇌질환 대사성 질환의 발병이 mtDNA의 산화적 손상 복구와 연관되어 있음이 제시되었다.
mtDNA의 돌연변이는 크게 polypeptide 돌연변이와 rRNA 돌연변이 tRNA 돌연변이 그리고 rearrangement 돌연변이 4종류로 분류 할 수 있다. 이들은 단백질의 합성에 영향을 자체에 영향을 줄 뿐만 아니라 mtDNA의 복제 등에도 영향을 줄 수 있다. mtDNA 시퀀스와 variation에 대한 데이터베이스 연구를 통해 특정한 mtDNA의 돌연변이와 특정 질병 사이에 높은 연관성이 있음이 밝혀 졌다. 양쪽 눈의 고통이 없는 아급성 시력 손상을 일으키는 Leber Hereditary Optic Neuropathy (LHON)에서는 MT-ND1과 MT-ND4, MT-ND6 유전자 상의 돌연변이가 발견이 되었다. 간대성 근경련을 일으키고 근육의 약화와 운동실조, 치매 등을 일으키는 Myoclonic Epilepsy with Ragged Red Fibers (MERRF)에서는 tRNA lysine (tRNALys)을 encode하고 있는 MT-TK 돌연변이와 nucleotide 8344 위치에서 A에서 T로의 돌연변이가 발견되었다. 철적혈모구성 빈혈증 (sideroblastic anemia)과 외분비성 (exocrine) 췌장의 기능이상을 일으키는 Pearson’s syndrome에서는 mtDNA의 결핍가 나타난다. 색소 망막증 (pigmentary retinopathy)을 일으키는 Kearns-Sayre Syndrome (KSS)에서 또한 mtDNA 결핍이 확인이 된다. 또한 tRNA lucine UUR 유전자에서의 돌연변이와 nucleotide 3243 위치에서의 A에서 G로의 치환이 Mitochondial encephalopathy, lactic acidosis and strokelike episodes (MELAS)에서 확인이 된다.
3. 결론
미토콘드리아의 기능이 세포의 생존에 매우 중요하다는 것은 잘 알려져 왔지만 미토콘드리아에 의한 질병의 복잡성에 대해서는 최근에야 연구가 이루어지고 있다. 때문에 mtDNA의 손상과 회복 기전에 대한 연구는 미토콘드리아 관련 질환은 연구하는 필요한 부분이며 새로운 치료 가능성을 제시해 줄 수 있을 것이다.
References
1. Sharma, P. and H. Sampath, Mitochondrial DNA Integrity: Role in Health and Disease. Cells, 2019. 8(2).
2. Luo, S., et al., Biparental Inheritance of Mitochondrial DNA in Humans. Proc Natl Acad Sci U S A, 2018. 115(51): p. 13039-13044.