텔로머레이스: 두 판 사이의 차이

텔로머레이스는 생체내의 효소로 주요 구성성분은 단백질이다. 하지만 다른 효소와는 다르게 단백질 외에 추가적으로 RNA분자를 포함하고 있다. 이 RNA염기서열은 텔로미어를 신장시키는데 있어서 주형으로 작용하기 때문에 텔로미어와 상보적인 염기서열을 포함하고 있다. 이러한 구조를 이용하여 텔로머레이스는 [[DNA중합효소]]와 독자적으로 DNA의 염기서열 끝에 텔로미어 염기서열을 덧붙여 연장할 수 있다. <ref name="ReferenceA">Greider CW, Blackburn EH. The telomere terminal transferase of Tetrahymena is a ribonucleoprotein enzyme with two kinds of primer specificity. Cell. 1987 Dec 24;51(6):887‐98.</ref><ref>Greider CW, Blackburn EH. The telomere terminal transferase of Tetrahymena is a ribonucleoprotein enzyme with two kinds of primer specificity. Cell. 1987 Dec 24;51(6):887‐98</ref>

1930년도에 과학자 [[바바라 매클린톡]](Barbara McClintock, 1902년 6월 16일~1992년 9월 2일)은 현미경 관찰 실험을 통해 말단부분이 제거된 염색체는 세포분열시 DNA를 복제하지 못하고 서로 엉겨 붙는 현상을 관찰하였다.<ref>McClintock B. The Stability of Broken Ends of Chromosomes in Zea Mays. Genetics.1941 Mar;26(2):234‐82. </ref> 비슷한 현상을 관찰했던 헤르만 뮬러(Hermann Joseph Muller, 1890년 11월 21일~1967년 4월 5일)는 그리스어로 끝부분을 의미하는 텔로미어라는 어원을 제안하였다. 1970년도에 과학자 [[제임스 D. 왓슨]](James D. Watson, 1928년 4월 6일)은 처음으로 [[DNA 복제]]기작에 문제점이 있음을 발견하였으며, 이로 인해 세포가 계속분열을 반복하다보면 DNA의 3‘말단 부분의 길이가 짧아질 것이라고 제안했다.<ref>Watson JD. Origin of concatemeric T7 DNA. Nat New Biol. 1972 Oct 18;239(94):197‐201.</ref> 이러한 현상을 '''말단복제문제'''라고 하며, 말단복제는 선형의 DNA를 가지고 있는 진핵생물에게서만 일어나는 현상이다. 노벨상을 받은 엘리자베스 블랙번과 잭 쇼스탁는 텔로미어 구조를 밝힘으로써 위의 두 가지 현상의 의문점을 해결하였다. 엘리자베스 블랙번은 '''DNA 시퀀싱(DNA sequencing)''' 기술을 이용하여 ''테트라하이메나(Tetrahymena)''의 염색체 끝부분에 CCCCAA라는 염기서열이 반복적으로 존재한다는 것을 알아내었다.<ref>Yao MC, Blackburn E, Gall J. Tandemly repeated C‐C‐C‐C‐A‐A hexanucleotide of Tetrahymena rDNA is present elsewhere in the genome and may be related to the alteration of the somatic genome. J Cell Biol. 1981 Aug;90(2):515‐20.</ref> 또한 잭 쇼스탁은 엘리자베스 블랙번과의 실험을 통해 이러한 텔로미어의 기능이 복제시 DNA를 보호하여 분해되거나 엉겨 붙지 않도록 해준다는 것을 알아내었다.<ref> Szostak JW, Blackburn EH. Cloning yeast telomeres on linear plasmid vectors. Cell. 1982 May;29(1):245‐55.</ref> 연구자들은 이러한 텔로미어의 반복염기서열 구조에 의해 말단복제문제 또한 이해할 수 있었다. 하지만 여전히 의문점은 많이 남아있었다. 만약 세포의 계속되는 분열로 DNA의 말단인 텔로미어 부분이 계속 짧아진다면, 우리는 어떻게 후손들에게 동일한 길이의 염색체를 물려주는 것일까? 세대가 지날수록 텔로미어의 길이는 계속 짧아져서 어느 순간 후손에게 물려줄 수 없는 것이 아닐까? 답은 바로 생체촉매(효소)인 텔로머레이스에 있다.

텔로미어의 발견으로 과학자들은 세포분열시 염색체가 어떻게 분해되지 않고 안정된 형태를 유지하는지 이해할 수 있었다. 하지만 여전히 연구자들은 텔로미어의 길이가 어떻게 유지되는지에 대해 의문점이 남아있었다. 1984년 캐롤 그레이더는 텔로미어의 길이를 신장시키는 특별한 효소가 있을 것이라고 제안하였다. 그녀는 실험을 통해 텔로미어의 반복염기서열구조를 신장시키는 새로운 효소가 있다는 것을 밝혀 내었고, 이를 텔로머레이스라고 명명하였다.<ref name="ReferenceB">Greider CW, Blackburn EH. Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts. Cell. 1985 Dec;43(2 Pt 1):405‐13.</ref> 이로써 텔로머레이스의 존재와 기능까지는 알아냈지만, 과학자들은 어떻게 이러한 기작이 일어나고 그 구조가 어떻게 되는지는 아직 밝혀내지 못했었다. 1987년 캐럴 그레이더와 엘리자베스 블랙번은 실험을 통해 텔로머레이스는 RNA분자와 단백질로 구성되어있다는 것을 알아내었다.<ref>Greider CW, Blackburn EH. The telomere terminal transferase of Tetrahymena is a ribonucleoprotein enzyme with two kinds of primer specificity. Cell. 1987 Dec 24;51(6):887‐98.<name="ReferenceA"/ref> 그 후 1989년, 추가적인 실험을 통하여 이 RNA분자에는 텔로미어의 반복염기서열 조각과 상보적인 염기서열이 포함되어있다는 것을 알아내었으며, 이를 통해 텔로머레이스의 RNA분자가 텔로미어 복제시 주형으로 작용한다는 것을 구명하였다.<ref>Greider CW, Blackburn EH. A telomeric sequence in the RNA of Tetrahymena telomerase required for telomere repeat synthesis. Nature. 1989 Jan 26;337(6205):331‐7..</ref>

먼저 엘리자베스 블랙번과 캐럴 그라이더는 먼저 텔로미어가 신장되는 방법에 대한 연구를 했다. 이들은 (TTAGGG)4 [[프라이머]](Primer)와 [[방사성 동위 원소]]가 연결된 염기, 그리고 ''테트라하이메나(Tetrahymena)''의 세포 추출물을 이용한 [[겔 전기 영동법]] 실험을 하였다. 실험결과, 전기영동 상에서 특이한 사다리 모양의 반복 무늬가 생겨났고, 이를 통해 그들은 [TTAGGG]4 서열의 프라이머가 필요하다는 점, 텔로미어의 신장에 [[구아닌]]과 [[티민]] 등의 염기가 사용된다는 점을 알 수 있었다. 이 반복 무늬를 보고 글라이더는 텔로미어의 신장이 효소활동에 의해 이루어진다는 가정을 하였고 추가적인 실험을 진행하였다. 먼저 DNA의 길이를 신장하는 효소가 DNA 중합효소라고 생각하고, 대장균의 DNA 중합효소 1을 넣어주었으나, 반응이 일어나지 않았다. 이를 통해, 우리가 알고 있는 기존의 효소와는 다른 종류의 효소가 텔로미어 신장을 매개한다는 것을 알 수 있었다. 또 엘리자베스 블랙번과 캐럴 그라이더는 서로 다른 종류의 프라이머를 넣어 텔로미어의 신장이 일어나는지 확인하는 실험을 진행하였다. 그 결과 텔로미어는 ''테트라하이메나''와 ''Yeast''의 프라이머에서만 텔로미어의 신장이 일어났다. 이를 통해 텔로미어의 신장이 특정한 서열의 프라이머에서만 일어나는 현상이라는 것을 알 수 있었다. 마지막으로 그들은 텔로미어의 신장 반응을 일으킬 수 있는 조건에 90도의 열을 5분 동안 가해주는 변수와 [[프로테이스]] K(protease K)를 넣어주는 변수를 각각 적용해주었다. 텔로미어를 연장시키는 것이 효소라면 단백질로 이루어져 있을 것이고 그 단백질이 파괴된다면 신장 반응이 일어나지 않을 것이라는 가정 하에서 실험을 하였다. 그 결과, 텔로미어의 신장 반응이 위의 두 변수를 가해주지 않았을 때보다 저해되었고, 텔로미어를 신장시키는 것이 효소에 의한 것임을 알 수 있었다.<ref>Greider CW, Blackburn EH. Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts. Cell. 1985 Dec;43(2 Pt 1):405‐13.<name="ReferenceB"/ref>

텔로미어는 말단복제문제에 의해 세포가 분열할 때 마다 짧아지는데 이 텔로미어 길이가 특정한 길이보다 더 짧아지면 이것은 더 이상 염색체의 보호기능을 할 수 없게 된다. 이런 텔로미어의 기능 상실은 [[DNA]]의 손상으로 세포에서 인식하여 세포 노화나 세포 자살 과정으로 진행된다.<ref>d’Adda di Fagagna F, Reaper PM, Clay-Farrace L, Fiegler H, Carr P, Von Zglinicki T, Saretzki G, Carter NP, Jackson SP (2003) A DNA damage checkpoint response in telomereinitiated senescence. Nature</ref> 텔로미어를 통한 세포노화, 세포 자살 과정은 암 억제 단백질인 [[p53]]을 통해 진행된다. 만약 이 단백질에 문제가 생기면 텔로미어의 길이가 짧더라도 계속 세포분열을 하는 쪽으로 진행된다. 하지만 세포 죽음의 그 다음 단계는 p53과 상관없이 일어난다. 이 과정은 염색체의 안정성을 깨뜨려 세포가 죽음으로 가도록 유도한다.<ref>Wright WE, Shay JW (1992) The twostage mechanism controlling cellular senescence and immortalization. Exp Gerontol 27:383–389</ref> 텔로미어가 짧아지는 것, 세포 노화 그리고 세포 분열 억제과정은 암을 억제하는 인간의 기본적인 방법이다.<ref> {{Wright WE, Shay JW (1992) The twostage mechanism controlling cellular senescence and immortalization. Exp Gerontol 27:383–389</ref> 반대로 텔로미어의 기능 상실과 세포 성장 순환과정의 억제는 노화과정에서 세포의 활성도를 떨어뜨리고 기관의 유지를 방해한다. 대부분의 사람의 조직과 기관들은 노화과정에서 텔로미어의 길이가 짧아진다.<ref>Djojosubroto MW, Choi YS, Lee HW, Rudolph KL (2003) Telomeres and telomerase in aging, regeneration and cancer. Mol Cells 15:164–175</ref> 텔로머레이스 발현하지 못하는 쥐를 이용한 실험에서 이 쥐들은 텔로머레이스의 활성을 보이지 않으므로 이른 노화 표현형, 특히 세포전환이 빠른 기관에서 많이 나타났다.<ref> Choudhury AR, Ju Z, Djojosubroto MW, Schienke A, Lechel A, Schaetzlein S, Jiang H, Stepczynska A, Wang C, Buer J, Lee HW, von Zglinicki T, Ganser A, Schirmacher P, Nakauchi H, Rudolph KL (2007) Cdkn1a deletion improves stem cell function and lifespan of mice with dysfunctional telomeres without accelerating cancer formation. Nat Genet 39(1):99–105</ref> 짧은 텔로미어로 인해 이른 노화과정을 겪는 쥐들은 소장 내벽의 붕괴, 백색수의 붕괴, 망가진[[B cell]], 떨어진 간기능을 보였다.<ref> Satyanarayana A, Wiemann SU, Buer J, Lauber J, Dittmar KE, Wustefeld T, Blasco MA, Manns MP, Rudolph KL (2003) Telomere shortening impairs organ regeneration by inhibiting cell cycle re-entry of a subpopulation of cells. EMBO J 22(15):4003–4013 </ref>

{{주석각주}}