DNA 손상 발생 시, FRET 기반 센서를 통해 ATM/ATR 키나제 신호가 세포주기를 촉진하는 키나제를 차단합니다. 이 과정은 DNA 손상 중점보다는 염색질 전체의 ATM 활동에 의해 제어되며, 결과적으로 손상 유발 G2 억제가 최소한의 지속 시간 동안 발생합니다.
● FRET 기반 프로브인 ATKAR를 이용하면, ATM 및 ATR의 활동을 살아있는 세포에서 직접 관찰할 수 있습니다.
● DNA 손상 발생 시, ATM 활동이 염색질 전체로 확산되어 Plk1 활동을 억제합니다.
● ATM 활동은 염색질에 결합된 인산화 효소인 Wip1에 의해 상쇄됩니다.
● DNA 손상 반응 중점에서도 ATM이 활성화되어 있음에도 불구하고, Plk1는 다시 활성화될 수 있습니다.
요약
DNA 손상이 발생한 후에는 돌연변이가 전파되는 것을 방지하기 위해 세포주기(cell cycle)가 중단됩니다. G2 단계의 중단은 ATM-/ATR-의존적인 신호에 의해 촉발되며, 이 신호는 Plk1과 같은 유사분열을 촉진하는 키나제(kinases)를 억제합니다. 그러나 Plk1은 ATR-의존적인 신호를 상쇄할 수 있고, 세포주기의 최종 재개에 필요합니다. 그렇지만 Plk1 활동이 언제 재개될 수 있는지는 아직 명확히 알려져 있지 않습니다.
이 연구에서는 FRET 기반 리포터를 사용하여 크로마틴에서의 ATM 활동의 전반적인 확산과 KAP1 등의 ATM 타깃의 인산화(phosphorylation)가 Plk1의 재활성화를 제어한다고 설명합니다. 이 인산화는 크로마틴에 결합된 인산화 효소(phosphatase)인 Wip1에 의해 빠르게 상쇄되며, 이로 인해 DNA 손상 부위에서의 지속적인 ATM 활동에도 불구하고 세포주기가 재개될 수 있습니다. 이번 연구에서는 실험 데이터와 수학적 모델링을 통해 세포주기 정지의 최소 지속 시간이 어떻게 제어되는지에 대한 모델을 제시합니다. 이 모델은 DNA 복구가 완료되기 전에 세포주기 재개가 어떻게 가능한지를 보여주며, 인간 세포에서의 체크포인트 적응 메커니즘을 제안합니다.
내용
DNA 이중 가닥 단절(DSBs)은 세포의 유전체 무결성에 큰 위협을 뜻하며, 이로 인한 손상이 제대로 파악되고 수리되지 않으면 돌연변이, 유전체 불안정성, 암 등이 발생할 수 있습니다. 세포는 이러한 DSBs 처리를 위해 DNA 손상 반응(DDR)을 시작하는데, 이 과정은 DNA 손상 센서, 신호 전달자, 그리고 여러 효과자 경로의 네트워크를 포함합니다. DDR의 주요 역할은 DNA 수리를 관리하고 세포 주기를 정지하는 체크포인트를 활성화하는 것입니다.
세포 주기의 G2 단계에서 이 과정은 특히 중요하며, 이는 DSBs가 존재하는 상태에서 세포 분열이 발생하면 이분성과 돌연변이의 전파 가능성이 있기 때문입니다. 변형된 세포와 변형되지 않은 세포 모두에서 세포 주기의 정지가 종종 모든 DNA 손상이 완전히 수리되기 전에 해제된다는 증거가 있다는 점이 흥미롭습니다.
세포가 체크포인트 제어와 DNA 수리의 완결을 어떻게 연결시키고, 세포 주기의 정지 기간을 어떻게 관리하는지에 대한 문제는 아직 해결되지 않았습니다. DSB에 동원되면, ATM (ataxia telangiectasia mutated) 키나제는 700개 이상의 단백질을 인산화해 신호 전달 사슬을 시작하는데, 이 중 많은 것들이 DDR의 다양한 단면에서 핵심 단백질입니다.
체크포인트가 시작된 후 ATM 억제가 세포 주기 재개의 효율성에 미치는 영향이 제한적이므로, ATM이 세포 주기 정지를 유지하는 역할은 아직 불확실합니다. 재단된 DNA 끝에 의해 활성화된 ATM 및 Rad3-관련 키나제(ATR)는 체크포인트 지속 시간의 주요 조절자입니다. G2에서 세포 주기 정지를 강제하기 위해, ATM- 및 ATR-의존적 신호 전달은 유사 분열-촉진 키나제인 cyclin-dependent kinase 1 (Cdk1), Polo-like kinase 1 (Plk1), 그리고 Aurora A의 활동을 억제합니다.
흥미롭게도, ATM/ATR은 분열성 키나제를 억제하지만, 분열성 키나제는 체크포인트를 반전시키는데도 연관되어 있습니다. Cyclin-dependent kinase 1 (Cdk1)과 Polo-like kinase 1 (Plk1)은 DDR에서 여러 대상을 인산화합니다. 특히, Plk1은 Claspin의 분해를 유도하여 체크포인트 복구를 촉진하는데, 이는 ATR-의존적인 Chk1 활성화에 필요한 단백질입니다. Plk1 활성화는 중앙 세포주기 엔진과 밀접하게 연결되어 있으며, 이는 Cdk1 활동을 촉진하는 피드백 루프에 연결되어 있습니다.
이 연구에서는 DNA 손상으로 인한 ATM 활동의 크로마틴 전반에 걸친 확산이 Plk1 활성화를 방해한다는 것을 보여줍니다. ATM의 활동은 크로마틴에 결합된 인산화효소 Wip1에 의해 효과적으로 상쇄되어, DNA 파손 부위에서 활성 ATM과 활성 ATR이 존재하더라도 Plk1이 재활성화됩니다.
수학적 모델에 따라, G2 체크포인트가 수리 완료를 모니터링하는 것이 아니라 크로마틴에서의 전역적인 ATM / Wip1 균형이 체크포인트 정지의 최소 기간을 제어한다고 제안합니다.
