모든 생물은 환경 스트레스로부터 자신을 보호하고 생존하기 위해 자체적인 DNA를 보호하는 시스템을 가지고 있다. 진핵 생물은 histone 단백질을 가지고 있어 DNA를 nucleosome 형태로 압축하고 nucleus를 외부 스트레스로부터 보호하고 bacteria는 histone과 비슷한 특성을 가진 sigma factor를 가지고 대장균에 존재하는 DPS는 높은 압력, 산화적인 스트레스, 자외선과 감마선 노출, 과도한 금속성 물질에 대한 노출 등과 같은 다양한 스트레스에 대한 강력한 보호기능을 수행하고 이를 관찰함으로써 하등생명체의 유전물질인 DNA 물질보호는 대장균의 생육과 보존에 결정적인 역할을 수행함을 알 수 있었다. 나선형 구조는 \( \alpha \)Ⅰ, \( \alpha \)Ⅱ, \( \alpha \)Ⅳ, \( \alpha \)Ⅴ로 구성되어 지며 DPS 단위체는 기본적으로 4개의 나선형 입체 구조를 가지고 있다.
<h1>서 론</h1> <p>모든 생물 종들은 살아가면서 다양한 종류의 스트레스를 받고 그에 대한 저항성 능력을 통하여 환경스트레스로부터 자신을 보호하고 생존하며 종을 유지 보존하고 있다. 환경적인 스트레스는 생물에게 직접적으로 해를 가하는 것이 대부분이지만, 종종 DNA에 mutation 혹은 deletion을 일으켜서 DNA을 손상시키고 잘못된 유전정보를 가지게 한다. 그래서 모든 생물들은 스스로 DNA를 보호하기 위하여 자체적인 보호하는 시스템을 가지고 있다. 대표적인 예로 진핵 생물은 histone 단백질을 가지고 있는데 이 histone 단백질은 작고, 염기성 성질을 가진다. 이 단백질은 산성 성질을 가지는 DNA와 강하게 결합함으로써 DNA를 nucleosome 형태로 압축하고 nucleus 안에서 외부 스트레스에 대한 보호기능을 수행한다. bacteria는 진핵 세포와 달리 핵이 없으며 DNA가 세포질에 분포하고 있으나 histone 비슷한 특성을 가진 histone 유사 단백질을 여러 종류 가지고 있다. bacteria histone 유사 단백질은 DNA를 압축하여 nucleosome 형태로 만들지는 못하지만, bacteria DNA와 결합하여 DNA를 안정화시킨다. 원핵 생물에서 DNA-binding protein에 대한 연구를 수행한 결과, 배지의 영양분 결핍상태인 굶주린(starved) 대장균 내에서 DNA 조절과 보호 기능을 가지는 새로운 DNA-binding protein를 발견하였는데 이것을 DPS (\(\mathrm{\underline{D}}\)NA-binding \(\mathrm{\underline{p}}\)rotein from \(\mathrm{\underline{s}}\)tarved cells)라고 명명하였다.</p> <p>대장균에 존재하는 DPS는 167개의 아미노산으로 구성되어 있으며 \( 19 \mathrm{kDal} \)의 분자량을 가진다고 보고되었다. DPS는 DNA 결합단백질로서 DNA의 특정한 서열을 구별하지 않고 유전물질과 결합함으로서 매우 안정한 형태의 DNA-단백질복합체를 형성한다. 대장균 내 유전물질인 DNA가 DPS와 복합체를 형성하면 유전자 절단효소(DNase)에 대한 저항성을 가지게 된다. DPS의 구조는 지름 \( \sim 45 \mathrm{\mathring{A}} \) 인 Hole을 중심으로 12개의 동일한 subunit가 4면 대칭으로 조립된 shell-likestructure를 가지고 있다는 사실이 보고되었다. DPS 단위체(subunit)는 기본적으로 4개의 나선형 입체 구조를 가지고 있고, 이 나선형 구조는 \( \alpha \)Ⅰ, \( \alpha \)Ⅱ, \( \alpha \)Ⅳ, \( \alpha \)Ⅴ로 구성된다. \( \alpha \)Ⅰ과 \( \alpha \)Ⅱ는 \( \alpha \)Ⅳ와 \( \alpha \)Ⅴ와 연결되는데 중간의 긴 loop 안의 짧은 나선형 \( \alpha \)Ⅲ 구조를 나타낸다. 이러한 구조적 특이성에 의하여 DPS는 각 단위체간 상호작용을 통하여 입체구조를 형성하며 DNA와 결합할 수 있는 구조적 특성을 가지게 된다. 결국 DPS는 DNA와 결합하게 되고, 이들 DNA-단백질 결합체들은 중합과정을 거쳐 압축된 거대한 복합체 구조를 형성하여 환경변화에 대하여 안정하게 유전물질을 보호하게 된다. 또한 DPS는 \( \alpha \)Ⅰ과 ( \alpha \)Ⅱ에 존재하는 site 1과 2에 존재하는 아미노산 잔기들(site 1: His31, Asp58, Glu62, site 2: His43, Glu62, Glu47)에 의해서 \( \mathrm{Fe}^{2+} \)와 결합한다. DPS 단백질의 구조와 이 단백질이 DNA와 결합하여 DNA를 안정화시키는 모델은 여러 논문들에 의해 보고되어 잘 밝혀져 있다. 이러한 구조적 특이성에 의하여 DNA를 유전자 분해효소인 DNase로부터 방어하는 기능을 수행한다. DPS는 ferritin과 유사한 단백질로써 Fenton 반응에 의한 피해를 예방하는 임무를 수행하는데 크나큰 기여를 한다. 처음 DPS를 발견하였을 때, 자기 스스로 단백질을 조절될 수 있을 것이라는 단서가 보고되었지만 DPS의 과 발현 혹은 손실이 어떤 특정한 유전자와도 상위 혹은 하위 조절에 있어 직접 연관되는 것은 보고되지 않고 있다. 그래서 DPS 단백질의 기능을 조절하는 조절기능의 생체물질은 밝혀지지 않았으며 이에 대한 연구가 필요한 상황이다. 12개 서브 유닛으로 구성된 Listeria innocua 종의 ferritin과 비슷한 구조의 대장균 DPS는 DNA에 결합하여 활성 산소 종에 의한 공격을 보호하는 기전이 \( \mathrm{Fe}^{2+} \)과 결합하는 저장 단백질인 ferritin과 유사한 기능을 수행하고 있음이 보고되었다. DPS의 dinuclear ferrocidase sites로 추정되는 12개 부분은 각각 단백질의 인접한 서브 유닛의 6개의 접점에 위치한다. 두 개의 철 이온은 환원된 \( \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} \)의 한 분자를 산화하고 이로 인하여 Fenton 반응(Fenton chemistry: \( \mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} \rightarrow \mathrm{Fe}^{3+}+\mathrm{OH}^{-} \left.+^{\bullet} \mathrm{OH}\right) \))를 경유한 hydroxyl radical 형성을 방지한다.</p> <p>이러한 DPS의 구조적 특성이나 DNA와의 결합형태, 그리고 DPS와 DNA 와의 결합에 작용하는 화학구조나 잔기 등의 형태적 특성과는 달리, DPS 단백질의 생체 내 역할과 특히 외부의 환경적 스트레스가 왔을 때 이 단백질이 어떠한 기능을 수행하는지에 대한 연구는 거의 이루어지지 않은 상태이다. 따라서, 본 연구에서는 다양한 외부의 환경적 스트레스에 대하여 DPS 단백질의 생체 내 기능이 무엇인지, 그리고 대장균의 생육에 DPS 단백질이 어떠한 역할을 수행하는 지에 대한 연구를 수행하였다. 이러한 연구를 위하여 DPS 단백질을 코딩하는 dps 유전자를 대장균에서 제거한 돌연변이 대장균을 제조하고 이 변이 대장균의 특성을 정상적인 대장균(wild type E. coli)과 비교하며 생육 및 성장속도 등을 관찰하여 보았다. 이러한 실험을 통하여 대장균에 존재하는 DPS는 산화적인 스트레스, 높은 압력, 자외선과 감마선 노출, 과도한 금속성 물질에 대한 노출 등과 같은 다양한 스트레스에 대하여 강력한 보호기능을 수행함을 관찰함으로서, 하등생명체의 유전물질인 DNA 물질보호는 대장균의 생육과 보존에 결정적인 역할을 수행함을 알 수 있었다.</p>