미토콘드리아 DNA 합성생물학 연구 동향

중원대학교 의생명과학과 윤영걸 교수

1. 개요

미토콘드리아는 진핵세포의 세포질 내에 뚜렷한 두 개의 막으로 둘러싸여 있는 세포 내 소 기관이다. 두 개의 막 중에서 외막은 5kDa 이하 크기의 분자들은 잘 투과할 수 있으나 내막은 그것의 독특한 지질 조성 때문에 세포 내 물질들이 자유로이 왕래할 수 없다. 이러한 내막의 불투과성으로 인하여 미토콘드리아 매트릭스(matrix)와 막 간 공간(intermembrane space) 사이에 수소이온(H+)농도의 불균형이 발생하고 이러한 화학적 불균형이 생체 에너지 합성의 원동력으로 이용되어 ATP를 생산한다.

미토콘드리아는 독특하게도 핵에 존재하는 염색체 DNA와는 별도로 자기 자신의 DNA를 보유하고 있으며, 그 기원은 외부로부터 유래한 원시 박테리아로 인식되고 있다(Poole & Penny, 2007). 원시 박테리아와 초기 진핵세포 사이의 공생관계가 진화와 함께 지속되면서 대부분의 원시 박테리아의 DNA들은 초기 진핵세포의 핵으로 이전되었고, 현재는 핵으로 이전되지 못한 일부 DNA들이 남아 미토콘드리아 내에 미토콘드리아 DNA(mtDNA)로 남겨지게 되었다(Brandvain et al., 2007; Tsaousis et al., 2008).

인간의 mtDNA는 원형의 이중나선 DNA로서 크기는 16,569 bp 이다(Fig. 1). 이 mtDNA는 인트론이 없고 37개의 전자전달계와 산화적인산화 반응에 필요한 유전자(13 proteins, 22 tRNAs 그리고 2 rRNAs)가 촘촘하게 배열되어 있다. 주요 비전이 서열은 mtDNA의 전사와 복제에 관련되어 있는 D-loop과 OL(theoriginofL-strandreplication)서열이며, 13개의 protein-coding 유전자 중에서 ND1~ND6와 ND4L는 complex I을, cytochrome b는 complex III를, COXI~COXIII는 complex IV를, ATP6와 ATP8은 ATP synthase를 암호화하고 있다(Scheffler, 2001). 나머지 24개의 유전자(22 tRNAs와 2 rRNAs)들은 mtDNA의 전이를 위한 machinery들을 암호화하고 있다. 그 외의 미토콘드리아의 생성, 유지 및 조절에 관련된 유전자들은 대부분 핵에 위치해 있다. 포유류 진핵세포에는 세포당 약 1,000개의 미토콘드리아를 함유하고 있으며 각각의 미토콘드리아는 2~10개의 mtDNA를 지니고 있다고 알려져 있다().

MtDNA는 ATP 생성과정 중에 발생하는 세포 내의 활성산소에 직접 노출되어 있고, 또한 손상된 DNA의 복구 능력이 취약하여 핵 DNA에 비하여 10~20 배 정도 돌연변이의 빈도가 높으며 이러한 돌연변이로 인하여 다양한 인체 질환이 야기되는 것으로 알려져 있다. 1988년 Wallace 등은 mtDNA에 위치한 NADH dehydrogenase subunit 4 (ND4) 유전자의 염기서열 변이로 인해 신경성 질환인 Leber’s hereditary optic neuropathy (LHON)가 발생함을 보여주었고, 또한 Holt 등도 미토콘드리아 근병증(mitochondrial myopathy)의 질환을 가진 환자의 근육세포에서 유전자의 일부가 제거된 mtDNA deletion mutant를 발견하였다(Holt et al., 1988; Wallace et al., 1988). 이후로 현재까지 mtDNA에 위치한 각각의 유전자들의 돌연변이에 의해 다양한 질환이 발생한다는 것이 밝혀졌다(Lightowlers et al., 2015).

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