유전자 복구 NHEJ와 HDR

문서 내 토픽

1. NHEJ와 HDR의 차이점

NHEJ와 HDR의 가장 큰 차이점은 복구과정에서 주형가닥이 사용되는지의 여부이다. NHEJ는 template을 기반으로 복구하는 과정이 아니기 때문에 예기치 않은 오류(indels)가 발생하면서 double strand의 복구가 일어난다. 하지만 HDR의 경우는 주형 template이 있는 경우 이 주형 template을 이용해서 이를 바탕으로 double strand를 복구한다는 특징이 있다.
2. NHEJ 단백질과 경로

NHEJ 과정에는 많은 단백질들이 관여한다. Ku70/Ku80 heterodimer protein(Ku protein)이 DSB ends에 결합하여 다른 NHEJ proteins를 불러오고 상호작용하는 scaffold 역할을 한다. DNA-PKcs, Artemis, XRCC4, XLF, PAXX 등의 단백질이 DNA ends 가공, ligation 등의 과정에 관여한다.
3. HDR 경로

HDR은 DNA template를 이용하여 DNA repair를 진행한다. DNA ends를 가공할 때는 5' end의 nucleotide를 제거하여 3' overhang을 형성한다. 이 3' overhang은 DNA template와 상호작용하여 D loop(displacement loop)를 형성하고, 복구 과정을 진행한다. HDR 과정은 DSBR, SSDA, BIR 등 3가지 유형으로 분류할 수 있다.
4. HDR 단백질

HDR에서는 CtIP, RAD51, BLM, EXO1, DNA2, RPA 등의 단백질이 관여한다. CtIP는 DNA ends processing을 개시하고 NHEJ와 경쟁적으로 실행되도록 한다. RAD51은 homology를 탐색하여 DNA template를 찾아내고 recombinase로 작용한다. 그 외 단백질들은 DNA ends 가공, 단일가닥 DNA 보호 등의 역할을 한다.
5. NHEJ와 HDR의 응용

NHEJ와 HDR은 유전자 타깃팅, CRISPR-Cas9 기술, 단백질 공학 등 다양한 생명공학 분야에서 활용된다. NHEJ는 예기치 않은 indels 발생으로 유전자 knockout에 사용되고, HDR은 새로운 유전자 삽입(knockin) 및 염기 치환 등에 활용된다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. NHEJ와 HDR의 차이점

NHEJ(Non-Homologous End Joining)와 HDR(Homology-Directed Repair)은 DNA 이중 가닥 절단(Double-Strand Break, DSB)을 복구하는 두 가지 주요 메커니즘입니다. NHEJ는 DNA 말단을 직접 연결하여 빠르게 복구하지만, 때로는 작은 삽입 또는 결실이 발생할 수 있습니다. 반면 HDR은 상동 DNA 서열을 사용하여 정확하게 복구하지만, 복잡하고 시간이 더 오래 걸립니다. NHEJ는 세포 주기의 모든 단계에서 일어나지만, HDR은 주로 S/G2 단계에서 일어납니다. 따라서 NHEJ는 빠르고 오류 허용적이며, HDR은 정확하지만 느립니다. 이 두 메커니즘은 서로 보완적으로 작용하여 세포의 유전체 안정성을 유지합니다.
2. NHEJ 단백질과 경로

NHEJ 경로에는 여러 핵심 단백질이 관여합니다. Ku70/Ku80 이종이량체가 DNA 말단을 인식하고 결합하여 DNA 말단을 보호합니다. DNA-PKcs는 Ku 단백질과 결합하여 DNA 말단을 활성화하고 NHEJ 경로를 개시합니다. Artemis는 DNA 말단을 처리하고 XRCC4-LigaseIV 복합체는 DNA 말단을 최종적으로 연결합니다. 이 단백질들은 순차적으로 작용하여 NHEJ 경로를 완성합니다. 이 과정에서 때때로 작은 삽입 또는 결실이 발생할 수 있습니다. NHEJ 경로는 세포 주기의 모든 단계에서 일어나며, 빠르고 오류 허용적이라는 특징을 가지고 있습니다.
3. HDR 경로

HDR(Homology-Directed Repair) 경로는 상동 DNA 서열을 사용하여 DNA 이중 가닥 절단(DSB)을 정확하게 복구하는 메커니즘입니다. 이 경로는 주로 S/G2 단계에서 일어나며, 복잡한 과정을 거칩니다. 먼저 MRE11-RAD50-NBS1(MRN) 복합체가 DSB 부위를 인식하고 CtIP와 함께 DNA 말단을 처리합니다. 그 다음 RPA가 단일 가닥 DNA 부위를 결합하고, RAD51이 RPA를 대체하여 핵심 필라멘트를 형성합니다. 이 RAD51 필라멘트가 상동 DNA 서열을 찾아 침투하고, DNA 합성과 홀리데이 정점 형성, 그리고 최종적인 DNA 연결이 일어납니다. HDR 경로는 정확성이 높지만 시간이 더 오래 걸리는 특징이 있습니다.
4. HDR 단백질

HDR(Homology-Directed Repair) 경로에는 여러 핵심 단백질이 관여합니다. MRE11-RAD50-NBS1(MRN) 복합체는 DNA 이중 가닥 절단(DSB)을 인식하고 DNA 말단을 처리합니다. CtIP는 MRN 복합체와 상호작용하여 DNA 말단 처리를 돕습니다. RPA는 단일 가닥 DNA 부위를 결합하고, RAD51은 RPA를 대체하여 핵심 필라멘트를 형성합니다. BRCA1과 BRCA2는 RAD51의 핵 내 이동과 필라멘트 형성을 촉진합니다. 이 RAD51 필라멘트가 상동 DNA 서열을 찾아 침투하고, DNA 합성과 홀리데이 정점 형성, 그리고 최종적인 DNA 연결이 일어납니다. 이처럼 HDR 경로에는 다양한 단백질이 복잡하게 관여하여 정확한 DNA 복구를 수행합니다.
5. NHEJ와 HDR의 응용

NHEJ와 HDR 메커니즘은 유전체 편집 기술에 다양하게 활용될 수 있습니다. NHEJ는 빠르고 오류 허용적이므로 무작위 돌연변이 유발에 유용합니다. 반면 HDR은 정확성이 높아 특정 염기 서열 삽입이나 교정에 적합합니다. 따라서 NHEJ를 활용하여 유전자 knockout을 수행하고, HDR을 활용하여 유전자 삽입이나 교정을 수행할 수 있습니다. 또한 NHEJ와 HDR의 균형을 조절하면 유전체 편집 효율을 높일 수 있습니다. 이 외에도 NHEJ와 HDR 메커니즘은 암 치료, 유전 질환 치료, 줄기 세포 연구 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다.

주제 연관 리포트도 확인해 보세요!