김영진 박사의 치과방사선 (23)

2) DNA 장해의 회복
DNA 장해에는 DNA 나선 2개 또는 1개 절단 외에도, 심각한 정도가 다른 염기손상 등 다양한 단계가 있다. 이러한 장해는 아래 표와 같이 전리방사선에 의한 것뿐만 아니라 다른 자연요인에 의해서도 일어난다. 

① 광회복(光回復; photoreactivation)
  DNA에 자외선을 쬐면 DNA배열 상에서 이웃하는 2분자의 티민(T) 사이에 화합결합이 생겨 티민이량체(thymine-thymine dimer)가 생성된다. 즉 DNA상에 인접하고 있는 4개의 염기가운데에서 피리미딘염기 이량체가 생성되는 것이다. 

이는 티민-티민, 티민-시토신, 시토신-시토신으로 피리미딘 염기결합이 이루어지며 이 중 티민끼리의 결합을 티민이량체라고 하는데 이것이 DNA를 손상시킨다.
 이 티민이량체는 서로 공유 결합되어 있는데 Photolyase(50~61kDa 범위의 분자량을 갖는 단량체 단백)에 의해 결합이 끊어진다. 결합이 끊어지면 결국 티민(T)이 다른 물질로 변해 버리고 바른 유전정보가 전달되지 못해 최종적으로 돌연변이나 피부암 등을 유발하는 것이다. Photolyase는 청색광(스펙트럼의 보라색/파란색 끝)에 의해 활성화 된다.
 
광회복(photoreactivation)은 세균에서 포유동물에 이르기까지, 전리 방사선에 의한 유전자 손상의 회복과정에서 제거회복 매커니즘의 주된 역할을 하고 있으며 이 과정에서 동원되는 효소군도 다양한 종류가 관여하고 있는 것으로 알려졌다.

purine이나 pyrimidine에 순간적으로 UV(Ultra violet)광선의 에너지가 흡수되면 반응성이 높아진다. DNA에 의해 에너지 흡수가 일어나는 UV 광선의 최대 흡수파장은 254nm이며 UV 광선에 의해 유도되는 돌연변이 과정은 직접적으로 purine과 pyrimidine이 UV 광선의 에너지를 흡수함으로서 매개된다. 그리고 UV 광선의 흡수에 의한 pyrimidine의 두 가지 산물은 pyrimidine 수화물과 thymine dimer이다. 자외선(200nm~380nm)에 의한 DNA손상의 대부분은 위에서 설명한 티민이량체(thymine dimer)형성으로 인한 것이다. 

대장균에서는 이 이량체가 광회복, 즉 산소와 빛(320nm~410nm)이 존재하는 상태에서는 DNA사슬이 절단되지 않으므로 높은 효율로 회복된다. 

티민이량체 형성은 γ선이나 고속입자선에 의한 ‘체렌코프 광(Cherenkov radiation; 방사선 치료를 받는 환자 중 일부는 눈앞에서 번쩍이는 빛을 본다. 미국 다트머스대학 연구진은 특수 카메라 이미징 시스템을 사용해 그 빛은 방사선 빔이 눈의 체액이나 젤을 통과할 때 생성되는 체렌코프 방사선이라고 발표했다. 이는 하전입자가 빛의 위상속도보다 더 빠른 속도로 유전체 매질을 통과할 때 전자기파를 방출하는 효과로 나타나는 현상이다)’ 발생 때에도 생긴다. 

선천성 유전질환인 색소성 건피증(Xeroderma pigmentoosum)에서는 유전자의 변이에 따라 자외선에 대해 감수성이 높아져 태양광에 노출된 피부에 암이 많이 생긴다. 이러한 환자의 DNA를 조사해 보면 티민이량체를 형성하여 DNA를 손상시킨 결과인 것으로 확인된다. 

② 제거회복(除去回復; Excision repair)
 

알킬화(alkylate) 또는 탈아미노화(deaminate) 된 DNA 염기는 DNA 글리코실라아제 수선 효소(glycosylase repair enzyme)에 의해서 제거된다. 
 AP(apurinic/apyrimidinic) endonuclease 효소는 Abasic 부위를 절개하여 DNA 가닥에 절단 또는 틈을 만든 다음 해당부위를 ‘정리’하여 수리 및 재합성을 시작한다. 

그 준비과정에서 파손된 가닥이나 기타 남아있는 화학물질 등 쓸모없는 다양한 중간체들을 효소로 제거한다. 그리고 마지막 두 단계에서 하나 이상의 뉴클레오타이드가 합성되어 손상된 틈을 채우고 DNA가닥을 밀봉하여 repair한다. 이와 같이 DNA 중합효소(DNA polymerase; DNA 폴리머레이스)는 새로운 뉴클레오타이드로 잘린 부위를 채우고, DNA 연결효소(DNA ligase)는 새로운 DNA와 오래된 DNA 사이를 메꾸어 회복시킨다. 염기 제거 회복과정은 DNA 글리코실라제(DNA glycosylases)로 알려진 효소에 의해 DNA나선에서 돌연변이 염기를 식별하고 제거하는 수순부터 시작하는데 이 과정은 위의 그림과 같은 다섯 가지 단계를 거치게 된다. 
              
③ 재결합(再結合) 회복
대장균에서는 손상의 말단 부위에서 약 1000개의 염기서열 정도가 재결합 하여 염기 손상이나 DNA 1개 나선절단을 회복시킨다. 사람과 같은 이배체 개체에서는 같은 염색체가 한 쌍이므로 한쪽의 염색체 DNA에 2개 나선절단이 생겨도 손상 없는 상동염색체 DNA를 바탕으로 재결합이 이루어짐으로써 DNA손상을 효과적으로 회복시킬 수 있다.  

글_ 김영진 박사 
전 건강보험심사평가원 상근 심사위원
대한치의학회 고문 역임 
제 23회 ‘치과의료문화상’ 수상 
제 30회 보건의 날 ‘대한민국국민포장’ 수훈