DNA를 푸는 효소는 어떻게 조절되는가

분열효모의 헬리케이스 Pfh1은 미토콘드리아 단일가닥 DNA 결합 단백질(SSB)인 spRim1이 있을 때 DNA를 더 빠르게 풀지만, 한 차례에 풀어내는 길이는 늘어나지 않았다. 미국국립과학원회보(PNAS)에 발표된 이번 연구는 Pfh1이 짧은 풀림과 되감김을 반복하며, DNA 양 가닥과의 접촉과 아데노신삼인산(ATP) 이용이 두 과정을 조절한다는 결과를 제시했다.

헬리케이스는 ATP 에너지를 이용해 DNA 이중가닥을 분리하는 분자 모터다. 분열효모 Schizosaccharomyces pombe의 유일한 Pif1 계열 헬리케이스인 Pfh1은 핵과 미토콘드리아 유전체 유지에 필수적이다. 기존 연구에서도 반복적인 풀림·되감김이 관찰됐지만, 풀림이 짧은 구간에서 멈추는 이유와 되감김 방식, 보조 단백질의 조절 역할은 충분히 설명되지 않았다.

빨라진 풀림, 늘어나지 않은 진행 길이

연구팀은 정제한 단백질과 핵산 기질을 이용한 시험관 내 단일분자 실험을 수행했다. 광학 집게로 DNA 헤어핀의 길이 변화를 측정해 풀림과 되감김을 추적하고, 광학 집게와 공초점 형광 현미경을 결합해 단일가닥 DNA 위에서 Pfh1의 이동도 관찰했다. 대표 조건에서 Pfh1과 spRim1은 각각 2 nM이었으며, ATP 농도와 DNA에 가하는 힘을 바꿔 활성을 비교했다.

Pfh1 단독 조건에서는 평균 22 ± 0.5염기쌍을 푼 뒤 되감김이 일어났다. spRim1을 넣어도 한 차례에 풀리는 길이인 과정성(processivity)은 21 ± 0.5염기쌍으로 유의하게 달라지지 않았다. 반면 일시적 정지와 짧은 후진을 제외한 전진 풀림 속도를 분석해 얻은 최대속도는 75 ± 5에서 115 ± 2염기쌍/초로 약 1.5배 높아졌다. 더 빠르게 움직여도 더 긴 구간을 연속해서 풀지는 않았다는 뜻이다.

spRim1은 되감김 속도를 높이고 다음 풀림까지의 대기 시간도 줄였다. 연구팀은 spRim1이 풀림 과정에서 밀려난 DNA 가닥에 결합해 Pfh1의 가닥 접촉과 경쟁한다고 해석했다. 인간 미토콘드리아 SSB도 분열효모 Pfh1의 풀림 속도를 비슷하게 높였다. 이 결과는 종 특이적 단백질 간 직접 결합보다 SSB의 DNA 결합에 의한 조절을 지지한다.

ATP가 조절하는 되감김과 뒤로 미끄러지는 모델

되감김 속도는 ATP 농도에 따라 달라졌고, 천천히 가수분해되는 ATP 유사체를 첨가하면 크게 느려졌다. 이는 되감김이 단백질 이탈 뒤 DNA가 저절로 닫히는 현상만으로 설명되지 않으며, ATP 이용과 Pfh1–DNA 접촉의 조절을 수반함을 보여준다.

밀려나는 가닥 일부를 RNA로 바꾼 혼성 기질에서도 되감김 속도는 DNA 기질과 비슷했다. Pfh1이 단일가닥 RNA를 따라 방향성 있게 이동하지 못한다는 선행 결과를 고려하면, 반대 가닥으로 갈아타서 이동한다는 설명과 맞지 않는다. 연구진은 Pfh1이 이동 가닥을 붙잡는 힘을 일시적으로 느슨하게 하고, 두 가닥이 다시 결합하면서 효소가 뒤로 미끄러지는 모델을 제안했다. 다만 다른 기질에서 가닥 전환이 일어날 가능성까지 배제하지는 않았다.

이번 결과는 양 가닥과의 접촉이 풀림을 돕는 동시에 진행 길이를 제한할 수 있다는 기계화학적 모델을 뒷받침한다. 실제 세포의 복제 장치에서도 같은 조절이 작동하는지, 인간 PIF1에 얼마나 적용되는지는 후속 검증 과제로 남았다. 연구 방법과 결과는 PNAS 논문 공개 본문에서 확인할 수 있다.