기초과학연구원(IBS) RNA 연구단 김빛내리 단장(서울대 생명과학부 석좌교수) 연구팀은 마이크로RNA(이하 miRNA) 생성과 RNA 치료제에 중요한 ‘다이서(DICER) 단백질’의 핵심 작동 원리를 밝혀냈다. 뿐만 아니라, 노성훈 서울대 교수 연구팀과 함께 지난 20여 년간 베일에 쌓여있던 다이서의 3차원 구조를 초저온전자현미경(cryo-EM) 기술을 활용해 세계 최초로 규명했다.
암을 비롯한 질병들의 원인을 밝히고 RNA 치료제 개발하는 데 크게 기여할 것으로 기대되는 두 연구결과는 세계 최고 권위지 네이처(Nature, IF 69.5)에 2월 23일(한국시간) 동시 게재됨으로써 그 학술적 가치를 인정받았다.
miRNA는 약 22개의 뉴클레오타이드(DNA나 RNA같은 핵산을 이루는 단위체)로 구성된 작은 RNA로, 단백질을 만들어내는 메신저RNA(mRNA)와 결합하여 특정 유전자의 발현을 선택적으로 억제한다. 즉, 유전자 발현과정을 조절함으로써 세포의 증식과 분화, 면역 반응, 노화와 질병 등 생명 현상의 모든 과정에 직간접적으로 영향을 미치는 유전자 발현 조절자다. 인간 몸에는 수백 종의 miRNA들이 존재하는데, miRNA는 그 재료물질인 기다란 miRNA 전구체가 드로셔(DROSHA) 단백질과 다이서 단백질에 의해 순차적으로 절단되는 독특한 과정을 거쳐 생성된다. 따라서, miRNA 전구체가 어떻게 절단되는지 규명하는 것은 생명현상과 질병에 대해 이해하는 데 매우 중요하다.
* 드로셔(DROSHA) : miRNA 1차 전구체(pri-miRNA)를 자르는 절단효소로, miRNA 생합성 과정의 핵심효소이다. 드로셔 분자 1개와 DGCR8(DiGeorge syndrome critical region 8 혹은 Pasha) 분자 2개가 복합체를 이루며, DGCR8는 miRNA 1차 전구체와 결합하여 파트너인 드로셔의 절단 메커니즘 효율을 높여주는 역할을 한다.
RNA 연구단은 이미 지난 연구에서 miRNA 생성 효소 중 하나인 드로셔의 기능과 구성을 규명하고, (Cell, 2015) 이어 드로셔의 3차원 구조를 세계 최초로 밝히는데 성공해 (Cell, 2016) 그 작동 원리를 이해할 수 있는 바탕을 마련한 바 있다. 이번에 연구한 다이서는, 드로셔에 의해 절단된 miRNA 전구체의 말단을 인지하고, 마치 재단사처럼 그 말단으로부터 특정 거리를 자로 재듯 잘라 miRNA를 만든다고 알려져 있었다. 그러나 miRNA 전구체의 말단은 세포 내 다른 단백질들에 의해 손상되기 쉬워, 이를 최적화하여 RNA 치료제에 응용하는 데 어려움이 있었다.
연구진은 다이서의 숨은 작동 원리를 확인하기 위해 RNA를 이루는 네 가지 염기인 구아닌(Guanine), 우라실(Uracil), 사이토신(Cytosine) 및 아데닌(Adenine)이 무작위로 구성된 miRNA 전구체를 백만 종 넘게 합성했다. 그 다음 이 전구체들을 다이서로 한꺼번에 자르고 정량적으로 조사할 수 있는 대규모 병렬 분석법을 적용해 다이서가 전구체를 절단하는데 필요한 서열을 발견했다. 이렇게 발견한 서열을 ‘GYM 서열’이라고 명명했다.
연구진은 다이서가 miRNA 전구체의 절단 위치를 결정하는데 GYM 서열이 중요하다는 것을 확인했다. 특히 기존에 알려진 것처럼 다이서가 드로셔에 의해 만들어진 말단만을 인지하여 절단하는 것이 아닌 miRNA 전구체의 내부 서열을 인지함으로써 스스로 절단 위치를 결정할 수 있다는 것을 밝혔다. 나아가 RNA 치료기술로 각광받고 있는 ‘RNA 간섭(RNA Interference, RNAi)’기술에 GYM 서열을 적용하여, GYM 서열이 RNA 간섭 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 확인했다. RNA 간섭은 인공적인 miRNA를 활용해 질병을 일으키는 유전자를 억제하는 기술이다. GYM 서열을 이용하면, 세포 내에서 정확한 miRNA를 다량 생산할 수 있어 유전자를 더욱 효과적으로 제어할 수 있게 된다.
* RNA 간섭(RNA Interference, RNAi) : miRNA 또는 화학적으로 합성된 이중가닥 RNA(shRNA 또는 siRNA)에 의해 유도되며, 특정 유전정보를 가진 메신저RNA(mRNA)를 선택적으로 분해함으로써 단백질 합성을 차단, 유전자 발현을 억제한다.
나아가, 연구진은 세포 및 거대분자 이미징 핵심지원센터 노성훈 교수 연구팀과 공동으로 인간 다이서가 miRNA 전구체를 자르는 순간을 포착, 다이서-miRNA 전구체의 3차원 구조를 높은 해상도에서 관찰하는 데에도 성공했다. 인간 다이서 단백질의 3차원 구조는 지난 20여 년간 세계 여러 연구진의 노력에도 풀리지 않았으나, 공동 연구팀이 세계 최초로 활성화된 상태의 구조를 규명해낸 것이다. 이러한 성공에는 IBS와 서울대의 첨단 초저온전자현미경의 활용이 주요했다. 연구팀은 이 3차원 구조를 통해 다이서가 어떻게 miRNA 전구체를 인지하는지, 어떤 서열이 다이서와의 결합에 중요한지를 밝힐 수 있었다. 이러한 발견은 더욱 효과적인 RNA 치료제 개발을 가능하게 할 것이다.
또한, 공동 연구팀은 일부 암 환자들에게서 다이서의 특정 부분에 돌연변이가 발생한다는 것을 발견했는데, 이 돌연변이가 생기면 miRNA 전구체를 제대로 인지하지 못해 miRNA 생성에 심각한 문제가 생긴다는 것을 확인했다. 이 발견은 암 발병 기전에 대한 새로운 이해의 실마리를 제공할 것으로 기대된다.
김빛내리 단장은 “miRNA 생성과정을 이해하면 질병의 발병 원인을 파악하는 데 도움이 되고, RNA 간섭 효율을 높여 유전자 치료기술을 발전시킬 수 있다”고 전했다. 또한, “이번 결과는 장기간 연속성 있게 연구할 수 있는 환경이 주어진 덕분에 가능했던 것”이라며, “miRNA 생성과정에 대한 이해를 한층 확장하고 국제적인 경쟁력을 이어갈 수 있게 되었다”고 의의를 밝혔다.
① 마이크로RNA 최초전사체는 핵 내에서 드로셔-DGCR8 단백질 복합체에 의해서 1차적으로 절단된다.
② 이렇게 생성된 ‘머리핀’ 모양의 마이크로RNA 전구체는 세포질로 방출된 후 다이서에 의해 2차적으로 절단된다.
③ 그 결과 생성된 마이크로RNA 이중나선은 아고넛에 결합해서 그 중 한 가닥이 남아 복합체를 완성한다.
④ 아고넛에 들어간 마이크로RNA는 mRNA에 결합해 mRNA를 분해함으로써, mRNA로부터 단백질이 만들어지는 것을 막는다. 이러한 현상을 RNA간섭(RNA interference, RNAi)이라고 한다.
(위) 비활성화 상태의 다이서(왼쪽 그림의 옅은 회색)가 마이크로RNA 전구체와 결합하기 위해서는 큰 구조적인 변화가 필요하다. 여러 세부 구조물들이 크게 움직여야 마이크로RNA 전구체와 밀착할 수 있다. 이때 다이서는 이중나선 RNA 결합 도메인을 통해 GYM 서열을, 플랫폼 도메인을 통해 5′말단을, PAZ 도메인을 통해 3′말단을 인지함으로써 마이크로RNA 전구체를 특이적으로 인식할 수 있다. 이렇게 결합한 마이크로RNA 전구체는 다이서에 의해 절단된다 (파란색, 녹색 화살표).
(아래) 마이크로RNA 전구체가 GYM 서열을 가지고 있지 않거나 5′말단 서열이 구아닌이면 다이서는 마이크로RNA 전구체를 효과적으로 자를 수 없다. 절단 효율과 정확도가 떨어지기 때문이 기능이 서로 다른 마이크로RNA들이 소량 만들어지게 된다. 일부 암 환자의 경우 다이서에 돌연변이가 생겨 동일한 문제를 겪게 된다. 반대로, 마이크로RNA 전구체가 GYM 서열 등 최적의 서열을 가진다면, 다이서는 정확하고 효율적으로 자를 수 있다. 그 결과 균질한 마이크로RNA가 대량 만들어질 수 있어 효과적으로 특정 유전자를 억제할 수 있다. 이 원리를 이용하면 RNA 치료제의 효과도 증폭시킬 수 있다.
출처 : 기초과학연구원
'의학' 카테고리의 다른 글
| 비강 내 혈관과 림프관 구조 3차원 정밀지도 완성 (0) | 2023.03.25 |
|---|---|
| 꿈의 암 치료법, ‘중입자 치료’ 효과 높일 연구결과 나와 (0) | 2023.03.20 |
| 약물 대사하는 효소 농도가 증가하면 기존 美FDA의 수식은 부정확 (0) | 2023.01.08 |
| 여성 암 환자의 경우, 오후에 받는 항암치료 더 효과적 가능성 제시 (0) | 2022.12.18 |
| IBS, 우뇌의 뇌파 동기화가 공포 공감 기능을 유도 확인 (0) | 2022.12.11 |
