BRCA1

1. 개요

BRCA1은 DNA 복구 및 게놈 안정성에 중요한 역할을 하는 단백질을 암호화하는 유전자이다. BRCA1은 주로 유방암 및 난소암과 관련이 있으며, 이 유전자의 돌연변이는 유전성 유방-난소암 증후군을 유발하여 암 위험을 증가시킨다. BRCA1 단백질은 여러 도메인을 포함하며, DNA 이중 가닥 절단 복구, 전사 조절, 세포 주기 조절 등 다양한 기능을 수행한다. BRCA1의 발현 감소 또는 기능 상실 돌연변이는 암 발생 위험을 높이며, 특정 집단에서 창시자 효과를 통해 특정 돌연변이가 흔하게 나타나기도 한다. BRCA1과 관련된 특허, 소송 및 논란이 있었으며, BRCA1 발현 수준은 암 화학요법의 효과와 관련이 있다.

2. 발견

1990년 캘리포니아 대학교 버클리의 메리 클레어 킹 연구팀은 유방암 민감도와 관련된 DNA 복원 효소를 암호화하는 유전자의 존재 가능성을 처음으로 제시하였다. 1994년 유타 대학교 연구진을 포함한 국제 연구팀이 이 유전자를 클로닝하는데 성공했다.

3. 유전자

1990년 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스(UC Berkeley)의 메리-클레어 킹 연구팀이 BRCA1의 염색체 위치를 발견했다. 1994년 유타 대학교, 국립환경보건과학연구소(NIEHS), 마이리어드 제네틱스(Myriad Genetics)의 과학자들이 이 유전자를 클로닝했다.

대부분의 척추동물에서 BRCA1의 상동유전자가 확인되었다. BRCA1 유전자는 17번 염색체 장완(q arm)의 중심절(セントロメア)에 가까운 17q21.32 영역에 위치한다.

4. 단백질 구조

BRCA1 단백질은 다음과 같은 도메인을 포함한다.

* 아연 손가락, C3HC4 유형 (RING finger)
* BRCA1 C 말단 (BRCT) 도메인

이 단백질은 또한 핵 위치 신호 및 핵 수출 신호 모티프를 포함한다.

인간 BRCA1 단백질은 Znf C3HC4-RING 도메인, BRCA1 세린 도메인 및 두 개의 BRCT 도메인 등 네 가지 주요 단백질 도메인으로 구성된다. 이러한 도메인은 BRCA1 단백질의 약 27%를 차지한다. BRCA1에는 여섯 가지의 알려진 이소형이 있다.

BRCA1은 BRCA2와 상동체 또는 상동유전자가 아니다.

4.1. 아연 RING finger domain

RING 모티프는 징크 핑거의 일종으로, 진핵생물 펩타이드에서 발견된다. 40~60개의 아미노산으로 구성되며, 8개의 보존된 금속 결합 잔기, 즉 두 개의 아연 원자를 배위하는 두 개의 사중항 시스테인 또는 히스티딘 잔기로 이루어져 있다. 이 모티프는 짧은 반평행 베타-시트, 두 개의 아연 결합 루프, 그리고 작은 도메인 내 중앙의 알파 나선을 포함한다. 이 RING 도메인은 RING 모티프를 포함하는 BARD1을 포함한 관련 단백질과 상호 작용하여 이종이합체를 형성한다. BRCA1 RING 모티프는 BRCA1 단백질의 8-22번과 81-96번 잔기로 형성된 알파 나선에 의해 둘러싸여 있다. 이는 BARD1의 상동 영역과 상호 작용하는데, 이 영역 또한 36-48번과 101-116번 잔기로 형성된 두 개의 알파-나선으로 둘러싸인 RING 핑거로 구성되어 있다. 이 네 개의 나선은 이종이합체화 인터페이스를 형성하고 BRCA1-BARD1 이종이합체 복합체를 안정화시킨다. 인접한 잔기 사이의 상호 작용과 소수성 상호 작용을 통해 추가적인 안정화가 이루어진다. BARD1/BRCA1 상호 작용은 BRCA1의 종양 발생 아미노산 치환에 의해 방해받는데, 이는 이러한 단백질 사이의 안정적인 복합체 형성이 BRCA1 종양 억제의 필수적인 측면일 수 있음을 시사한다.

RING 도메인은 단백질 유비퀴틴화를 촉매하는 유비퀴틴 E3 리가아제의 중요한 요소이다. 유비퀴틴은 모든 조직에서 발견되는 작은 조절 단백질로, 단백질을 세포 내 구획으로 유도한다. 특히 BRCA1 폴리펩타이드는 Lys-48-연결된 폴리유비퀴틴 사슬이 휴지기 세포 핵 전체에 분산되어 있지만, DNA 복제가 시작되면 BRCA2와 BARD1을 포함하는 제한된 그룹으로 모인다. BARD1은 유비퀴틴화를 위한 단백질 표적의 인식과 결합에 관여하는 것으로 생각된다. BARD1는 단백질에 부착하여 파괴를 위한 표지로 작용한다. 유비퀴틴화는 BRCA1 융합 단백질을 통해 발생하며, 아연 킬레이션에 의해 억제된다. 융합 단백질의 효소 활성은 RING 도메인의 적절한 접힘에 의존한다.

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4.2. 세린 클러스터 도메인

BRCA1 세린 클러스터 도메인(SCD)은 아미노산 1280~1524에 걸쳐 있다. 이 도메인의 일부는 엑손 11~13에 위치하며, 이곳에서는 높은 돌연변이율이 나타난다. BRCA1의 인산화 부위는 SCD에 집중되어 있으며, ATM/ATR 키나아제에 의해 시험관 내(in vitro) 및 생체 내(in vivo)에서 인산화된다. ATM/ATR은 DNA 손상에 의해 활성화되는 키나아제이다. 세린 잔기의 돌연변이는 DNA 손상 부위로의 BRCA1 국재화 및 DNA 손상 반응 기능에 영향을 미칠 수 있다.

4.3. BRCT 도메인

BRCA1 단백질의 이중 반복 BRCT 도메인은 길이 약 70Å, 너비 30~35Å의 길쭉한 구조이다. BRCT 도메인의 85~95개 아미노산은 단일 모듈 또는 두 개의 도메인을 포함하는 여러 개의 탠덤 반복으로 존재할 수 있다. 이러한 두 가지 가능성 모두 다양한 다른 형태로 단일 단백질에서 발생할 수 있다. BRCA1 단백질의 C 말단 BRCT 영역은 DNA 복구, 전사 조절 및 종양 억제 기능에 필수적이다. BRCA1에서 이중 탠덤 반복 BRCT 도메인은 3차원 구조에서 머리부터 꼬리까지 배열되어 계면에서 1600Å의 소수성, 용매 접근 가능한 표면적을 묻는다. 이 모든 것은 계면을 구성하는 단단히 포장된 knob-in-hole 구조에 기여한다. 이러한 상동 도메인은 상호 작용하여 DNA 손상에 대한 세포 반응을 조절한다. 이 두 단백질의 계면에서 발생하는 미스센스 돌연변이는 세포 주기를 교란하여 암 발생 위험을 증가시킬 수 있다.

5. 기능 및 메커니즘

BRCA1은 DNA의 이중 가닥 절단을 복구하는 복합체의 일부이다. DNA 이중 나선의 가닥은 손상될 때 지속적으로 끊어지는데, 때로는 한 가닥만 끊어지기도 하고, 때로는 두 가닥 모두 동시에 끊어지기도 한다. BRCA1은 두 가닥 모두 끊어졌을 때 DNA를 복구하는 단백질 복합체의 일부이며, 상동 재조합 메커니즘에 관여한다. 이 메커니즘에서 복구 단백질은 손상되지 않은 자매 염색분체에서 동일한 서열을 복사한다.

정상 세포의 핵에서 BRCA1 단백질은 DNA 이중 가닥 절단 복구 과정에서 RAD51과 상호작용한다. 염색체가 유전 물질을 교환할 때(상동 재조합, 예: 감수 분열 중 "교차")에도 이러한 절단이 발생할 수 있다. BRCA1과 유사한 기능을 하는 BRCA2 단백질도 RAD51 단백질과 상호작용하며, 이 세 단백질은 DNA 손상 복구에 영향을 미쳐 인간 게놈의 안정성을 유지하는 역할을 한다.

BRCA1은 불일치 복구에도 관여하며, DNA 불일치 복구 단백질인 MSH2와 상호작용한다. 발로신 함유 단백질(VCP, p97)은 손상된 DNA 부위에 BRCA1을 모집하는 역할을 하며, BRCA1은 VCP와 상호작용한다. BRCA1은 c-Myc 및 게놈 안정성 유지에 중요한 다른 단백질과도 상호작용한다.

BRCA1은 분지형 DNA 구조에 대해 더 높은 친화력을 가지며 DNA에 직접 결합한다. 이 능력은 MRN 복합체와 Mre11 자체의 뉴클레아제 활성을 억제하는 데 기여하며, 이는 BRCA1이 비상동 말단 결합(NHEJ)에 의한 낮은 충실도 DNA 복구를 촉진하는 역할을 설명할 수 있다. BRCA1은 또한 DNA 이중 가닥 절단 복구 초점에서 γ-H2AX (세린-139에서 인산화된 히스톤 H2AX)와 공동으로 국재화되어 복구 인자를 모집하는 데 역할을 할 수 있음을 나타낸다.

BRCA1은 DNA 손상 시 신호 전달에 중요한 역할을 하며, 세포 주기에 따라 인산화를 받을 뿐만 아니라 DNA 손상에 따라 인산화를 받는다. 인산화된 BRCA1은 RAD51 등의 DNA 복구 단백질과 협력하여 DNA 손상을 복구한다.

6. 전사

BRCA1은 RNA 중합효소 II 홀로효소의 구성 요소로 추정되었으나, 후속 연구에서 SWI/SNF 크로마틴 개조 복합체와 상호작용하는 것으로 밝혀졌다. 또한 음성 신장 인자 (NELF) 복합체의 COBRA1 서브유닛과 상호작용한다.

7. 돌연변이와 암 위험

BRCA1 유전자의 발현 감소는 고등급 관상피 유방암에서 흔하게 나타나며, 이는 생식세포 돌연변이나 유전자 발현 하향 조절을 통해 종양 형성을 유발한다. BRCA1은 이중 가닥 절단과 같은 DNA 손상을 복구하는 상동 재조합 경로에 중요한 역할을 한다. BRCA1 단백질이 부족하면 오류 발생 가능성이 높은 메커니즘으로 DNA 손상을 복구하게 되어 돌연변이와 염색체 재배열을 일으켜 유방암으로 진행될 수 있다.

BRCA1 발현은 상피성 난소암(EOCs)의 55%에서 낮게 나타나며, 특히 장액성 난소암의 경우 50% 이상에서 BRCA1 발현이 낮다. BRCA1 결핍으로 인한 상동 재조합 복구 결함은 고등급 장액성 난소암의 진행과 치료 반응에 영향을 미치는 분자 사건을 유발한다.

BRCA1은 이온화 방사선 등 DNA 손상 유발 물질에 의해 세포에 스트레스가 가해질 때 세포자멸사를 촉진한다. DNA 손상 복구와 세포자멸사는 게놈 무결성 유지에 필수적이다. DNA 복구 결핍 세포는 DNA 손상이 축적되고, 세포자멸사에 결함이 있으면 과도한 DNA 손상에도 생존하여 돌연변이를 통한 암 발생 가능성이 커진다.

1990년 캘리포니아 대학교 버클리캠퍼스의 메리-클레어 킹 연구팀은 조기 발병 가족성 유방암의 원인 유전자가 17번 염색체 장완에 존재함을 발견했고, 1994년 유타 대학교의 미키 요시오 연구팀이 BRCA1을 확인했다.

BRCA1은 DNA 손상 시 신호 전달에 중요하며, 세포 주기 및 DNA 손상에 따라 인산화된다. 인산화된 BRCA1은 RAD51 등 DNA 복구 단백질과 협력하여 DNA 손상을 복구한다. RAD51은 DNA 나선 구조를 풀고 상동성을 이용해 손상된 DNA 복구를 돕지만, BRCA1이나 BRCA2에 변이가 있으면 DNA 복구가 제대로 이루어지지 않는다. 배양 세포 실험에서 BRCA1 기능이 부분적으로 상실된 세포는 X선에 대한 감수성이 높았다. BRCA1 변이를 동반하는 가족성 유방암 가계에서는 젊은 나이의 유방암, 양측성 유방암, 난소암 동반 발병 빈도가 높다. BRCA1과 BRCA2 변이를 모두 가지면 유방암 평생 발병률이 80% 이상이다(미국 데이터).

8. BRCA1 발현 저하와 암

고등급 관상피 유방암 및 상피성 난소암에서 BRCA1 발현이 감소하거나 검출되지 않는 경우가 많다. 유방암 종양에서 자주 발견되는 특정 잠복 바이러스는 BRCA1 유전자의 발현을 감소시켜 유방 종양 발생을 유발할 수 있다. BRCA1 발현 감소는 DNA 손상 복구 능력 저하로 이어져 돌연변이 및 염색체 재배열을 유발하고, 암 발생 위험을 높인다.

8.1. BRCA1 돌연변이와 암

BRCA1 돌연변이는 유방암 환자의 약 3~8%, 난소암 환자의 약 18%에서 발견되는 것으로 알려져 있다. 그러나 무작위로 선택된 원발성 유방암의 경우 BRCA1 유전자 프로모터 과메틸화는 13%에서만 나타났고, 난소 상피암(EOC) 환자의 경우 5%~15%에서만 나타나, BRCA1 유전자 프로모터 메틸화는 BRCA1 발현 감소의 주요 원인으로 보기 어렵다.

1990년 캘리포니아 대학교 버클리캠퍼스(University of California, Berkeley)의 메리-클레어 킹(Mary-Claire King) 연구팀은 조기 발병 가족성 유방암의 원인 유전자가 17번 염색체 장완에 존재함을 발견했고, 1994년 유타 대학교(University of Utah)의 미키 요시오(三木義男) 연구팀이 BRCA1을 확인했다.

BRCA1은 DNA 손상 시 신호 전달에 중요한 역할을 하며, 세포 주기에 따라 인산화를 받을 뿐만 아니라 DNA 손상에 따라서도 인산화를 받는다. 인산화된 BRCA1은 RAD51 등의 DNA 복구 단백질과 협력하여 DNA 손상을 복구한다. RAD51은 DNA 나선 구조를 풀고 DNA 상동성을 이용해 손상된 DNA 복구를 돕지만, RAD51을 제어하는 BRCA1이나 RAD51과 결합하는 BRCA2에 변이가 있으면 DNA 복구가 제대로 되지 않는다. 실제로 배양 세포에 X선을 쬐어 DNA 복구를 확인하는 실험에서 BRCA1 기능을 부분적으로 상실한 세포는 X선에 대한 감수성이 높아지는 것이 확인되었다.

BRCA1 변이를 동반하는 가족성 유방암 가계에서는 젊은 나이에 유방암과 양측성 유방암 발병 빈도가 높고 난소암 동반 발병도 많다. BRCA1과 BRCA2 변이를 모두 가지고 있으면 유방암 평생 발병률이 80% 이상으로 높아진다(미국 데이터). 이러한 사실이 확인된 후, 미국에서는 변이 유전자 보인자에 대한 유방 예방적 절제가 임의로 시행되고 있으며, 배우 안젤리나 졸리(Angelina Jolie)가 위험 감소를 위해 절제했을 때 화제가 되었다.

8.2. BRCA1 프로모터 과메틸화와 암

BRCA1 유전자 프로모터의 과메틸화는 무작위로 선택된 원발성 유방암의 경우 13%에서만 나타났다. 마찬가지로, BRCA1 유전자 프로모터의 과메틸화는 난소 상피암(EOC) 환자의 경우 5%~15%에서만 나타났다.

따라서, 이러한 암에서 BRCA1 발현이 낮더라도, BRCA1 유전자 프로모터의 메틸화는 발현 감소의 주요 원인으로 보기는 어렵다.

8.3. 마이크로RNA에 의한 BRCA1 발현 억제

마이크로RNA가 과발현될 경우 특정 DNA 복구 단백질의 발현을 직접 감소시킨다. 유방암의 경우, 마이크로RNA-182(miR-182)가 BRCA1을 특이적으로 표적으로 한다. 유방암은 삼중음성 유방암, HER2+, ER+/PR+, 침윤성 소엽암 등으로 분류될 수 있다. 이 네 가지 유형의 유방암 모두 정상 유방 조직에 비해 miR-182가 평균 약 100배 증가한 것으로 나타났다. 유방암 세포주에서 BRCA1 단백질 수준과 miR-182 발현 사이에는 역상관관계가 있다. 따라서 고등급 관상 유방암에서 BRCA1의 감소 또는 부재는 miR-182의 과발현 때문일 가능성이 높다.

miR-182 외에도 거의 동일한 두 개의 마이크로RNA인 miR-146a와 miR-146b-5p도 BRCA1 발현을 억제한다. 이 두 마이크로RNA는 삼중음성 종양에서 과발현되며, 이러한 과발현은 BRCA1 비활성화를 초래한다. 따라서 miR-146a 및/또는 miR-146b-5p도 이러한 삼중음성 유방암에서 BRCA1 발현 감소에 기여할 수 있다.

장액성 난관 상피내암과 고등급 장액성 난소암(HG-SOC) 모두에서 miR-182는 약 70%의 경우 과발현된다. miR-182가 과발현된 세포에서는 이온화 방사선에 노출된 후에도 BRCA1이 낮게 유지되었다. 따라서 HG-SOC에서 감소되거나 없는 BRCA1의 많은 부분은 miR-182의 과발현 때문일 수 있다.

난소암 세포에서 BRCA1의 발현을 감소시키는 것으로 알려진 또 다른 마이크로RNA는 miR-9이다. IIIc기 또는 IV기 장액성 난소암(HG-SOG) 환자의 종양 58개 중에서 miR-9와 BRCA1의 발현 사이에 역상관관계가 발견되었으며, 따라서 miR-9의 증가는 이러한 난소암에서 BRCA1의 감소된 발현에도 기여할 수 있다.

9. 생식세포 계열 돌연변이와 창시자 효과

특정 집단에서 흔하게 나타나는 BRCA1 종자 돌연변이는 공통 조상으로부터 유래했을 가능성을 시사한다. 아슈케나지 유대인, 네덜란드인, 폴란드인 등 여러 인구 집단에서 창시자 돌연변이가 발견되었다. 한국인 BRCA1/2 유전자 변이 양성자 719명을 대상으로 진행한 연구 결과, 한국인에게 특이적인 18개의 BRCA1/2 유전자 반복 변이가 관찰되었다. 이는 BRCA1/2 유전자 검사의 해석에 중요한 정보를 제공한다. DNA 복구가 결핍되면 DNA 손상이 축적되는 경향이 있다. 이러한 과도한 DNA 손상은 오류 발생이 잦은 손상 회피 합성으로 인해 DNA 복제 과정에서 돌연변이 오류를 증가시킬 수 있다. 또한 과도한 DNA 손상은 DNA 복구 과정에서 발생하는 오류로 인해 후성유전학적 변화를 증가시킬 수 있다.

10. 여성 생식능

BRCA1은 DNA 손상 시 신호 전달에 중요한 역할을 하며, 세포 주기에 따라 인산화를 받는 것으로 알려져 있다. 인산화된 BRCA1은 RAD51 등의 DNA 복구 단백질과 협력하여 DNA 손상을 복구한다. BRCA1에 변이가 있으면 DNA 복구가 제대로 되지 않아 난소 노화, 생식력 저하, 조기 폐경 등을 유발할 수 있다.

11. 암 화학요법

비소세포폐암(NSCLC) 환자는 종종 DNA에 가교 결합을 유발하는 백금 화합물(예: 시스플라틴, 카보플라틴, 옥살리플라틴)로 치료받는다. 1차 종양에서 BRCA1 발현이 낮은 비소세포폐암 환자는 백금 기반 화학요법 후 생존율이 향상되는 경향을 보인다. 이는 암에서 BRCA1이 낮고 DNA 복구 수준이 낮으면 DNA 가교 결합제에 의한 치료에 더 취약해지기 때문이다. 높은 BRCA1은 백금 약물에 의해 유도된 DNA 손상을 제거하여 암세포를 보호할 수 있다. 따라서 BRCA1 발현 수준은 폐암 화학요법을 맞춤화하는 데 중요한 도구가 될 수 있다.

BRCA1 발현 수준은 난소암 치료와도 관련이 있다. 백금 약물로 치료받은 산발성 난소암 환자 중, BRCA1 발현이 낮은 환자(46개월)는 BRCA1 발현이 높은 환자(33개월)보다 중앙 생존 기간이 더 길었다.

12. 특허, 시행, 소송 및 논란

마이리어드 제네틱스는 BRCA1 유전자 및 관련 진단 방법에 대한 특허를 출원하여 독점적 라이선스를 보유하고, 이를 미국 내 임상 진단 연구소에 대해 집행해 왔다. 이러한 사업 모델은 마이리어드가 성장하는 데 기여했지만, 높은 검사 비용과 다른 연구소의 2차 소견을 받을 수 없다는 점 때문에 논란이 있었다. 이는 유전자검사협회 대 마이리어드 제네틱스 소송으로 이어졌다.

2013년 6월, 미국 연방 대법원은 "자연적으로 발생하는 DNA 구간은 자연의 산물이며 단순히 분리되었다는 이유만으로 특허 자격이 있는 것은 아니다"라고 판결하여 BRCA1 및 BRCA2 유전자에 대한 마이리어드의 특허를 무효화했다. 그러나 법원은 자연계에 없는 것을 만들기 위해 유전자를 조작한 경우에는 여전히 특허 보호를 받을 수 있다고 판결했다.

호주 연방 법원은 2013년 2월 BRCA1 유전자에 대한 호주 마이리어드 제네틱스 특허의 유효성을 인정했지만, 2015년 10월 7일 호주 고등법원은 "고등법원은 유방암과 난소암의 발병 가능성을 나타내는 표준과 특정한 변이가 있는 BRCA1 단백질을 코딩하는 분리된 핵산이 '특허 가능한 발명'이 아니라고 판결했습니다."라며 마이리어드 제네틱스에 대한 소송에서 원고의 손을 들어주었다.

마이리어드 제네틱스(Myriad Genetics)사는 BRCA1 및 BRCA2 유전자 분리 및 동정에 관한 기술에 대해 미국에서 특허를 취득했으나, 미국 자유권 협회(American Civil Liberties Union)가 제기한 소송에서 2010년 5월 29일 뉴욕 지방법원에서 특허 무효 판결이 내려졌다. 이후 항소와 상고를 거쳐, 2013년 6월 미국 연방대법원에서 최종적으로 특허 무효 판결이 선고되었다. 대법원은 "자연의 DNA 서열은 자연의 산물이며, 지금까지 발견되지 않았던 것을 단순히 분리했다는 것만으로는 특허가 될 수 없다."는 이유를 들었다.

13. 상호작용

BRCA1은 다음과 같은 단백질들과 상호작용하는 것으로 알려져 있다.