RNA 합성의 재생단계 최초 규명

RNA 합성의 재생단계 최초 규명

RNA 합성 끝낸 복합체 해체하지 않고 재사용하여 새로운 합성 개시

생명체가 유전정보를 발현하는 과정에서 RNA를 합성하는 복합체를 재사용하는 과정이 밝혀졌다. 기존에는 RNA가 완성되면 합성 복합체가 곧장 완전히 해체되었다가 다시 조립되는 것으로 추정해 왔다.

KAIST 생명과학과 강창원 명예교수와 서울대학교 물리천문학부 홍성철 교수 공동 연구팀이 유전정보(DNA)를 토대로 단백질을 합성하는 유전자 발현과정의 세부단계 하나를 새로이 규명했다고 밝혔다.

유전정보가 담긴 원본(DNA)으로부터 복사본(RNA)을 만드는 전사과정은 개시, 연장, 종결 세 단계였으나, 이번 연구를 통해 네 번째 단계, 재생(recycling) 단계가 새로이 추가되었다.

전사과정을 주도하는 RNA중합효소의 역할이 알려진 지 60여년 만에 RNA 합성이 끝나고 어떻게 다시 시작되는 지 구체적으로 알려진 것이다.

* RNA : 유전자로서 유전정보를 지닌 핵산인 DNA와 달리, RNA는 단백질 합성, 유전자 발현 조절 등 여러 생체반응과 기능에 직접 참여하는 기능성 핵산이다.

* 전사(transcription) : 유전자 발현의 첫 과정에서 DNA의 특정 구간에 맞추어 RNA가 합성되는데, DNA 유전정보를 RNA에 그대로 옮겨 적기 때문에 전사轉寫라고 하며, RNA 중합효소가 DNA에 결합하여 그 정보를 읽고 그에 맞게 핵염(nucleotide)을 모아 RNA를 합성하면서 RNA중합효소·DNA·RNA의 복합체(complex)를 유지한다.

연구팀은 거푸집 역할을 하는 DNA로부터 RNA가 본떠진 이후에도 중합효소가 DNA로부터 떨어지지 않고 DNA상에서 이동하는 것을 알아냈다.

나아가 이렇게 잔류한 중합효소가 DNA상에서 자리를 옮겨 전사를 다시 시작하는 것을 알아내고 재개시(再開始 reinitiation)라고 명명하였다.

중합효소는 마치 선로 위를 달리는 기차처럼 DNA 위를 이동하면서 RNA를 합성하다가 완성된 RNA를 방출한다.

기존에는 RNA 방출과 동시에 중합효소가 DNA로부터 떨어져 나온 후 다시 전사 복합체가 만들어져 전사과정을 되풀이하는 것으로 추정해왔다.

하지만 이번 연구결과, 대부분의 경우 중합효소가 DNA에서 떨어지지 않고 계속 붙은 채로 이동하다가 새로 전사과정을 시작하는 것을 알아냈다.

연구팀은 우리 생명체가 복잡한 전사복합체를 해체하고 다시 조립하는 것보다 경제성을 택한 것으로 해석했다. 실제 한 유전자에서 전사를 연속해서 수행하거나 인접한 여러 유전자를 한꺼번에 전사할 때 매우 효율적일 것으로 보인다.

전사반응은 모든 세포에서 일어나는 매우 기본적인 과정으로 고등학교 생물학 교과서에서부터 나오는데 연구팀은 이번 발견으로 전사의 <재생>과 <재개시> 단계가 추가될 것으로 기대하고 있다.

한편 DNA와 RNA에 형광물질을 결합시킨 후 단일분자의 형광을 추적하는 방식으로 이뤄진 이번 연구는 생물리학 분야 연구팀과의 융합연구 결과여서 더욱 의미가 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 1월 23일 게재되었다.

□논문명 : Transcription reinitiation by recycling RNA polymerase that diffuses on DNA after releasing terminated RNA (전사물 RNA를 방출한 후 DNA에 붙어서 이동하며 재생하는 RNA 중합효소에 의한 전사 재개시)

□저자 : 강우영(공동제1저자/서울대), 하국선 박사(공동제1저자/카이스트, 현 수원대), 엄희수 박사(서울대), 박규형(서울대), 이자일 교수(울산과기대), 홍성철 교수(공동교신저자/서울대), 강창원 명예교수(공동교신저자/카이스트)

□연구의 주요내용

1. 연구의 필요성

○ 유전자 발현이 대부분 첫 과정인 전사반응에서 조절되기 때문에 많은 연구가 있었지만 그 종결단계에 대한 연구는 기술적인 제약이 있었다. 특히 전사복합체가 해체될 때 중합효소, RNA, DNA가 동시에 분리되는지 또는 순차적으로 분리되는지도 정확하게 밝혀지지 않았다.

○ RNA와 DNA가 형광을 띠게 하여 중합효소와의 결합과 분리를 단일 분자 형광의 변화로 추적할 수 있는 기술을 개발함으로써 전사 복합체의 해체 순서를 밝힐 수 있고 해체 이후의 단계를 규명할 수 있으면, 분자생물학의 근간이 유전자 발현의 가장 기본적인 단계를 규명하게 된다.

2. 연구내용

○ 전사과정에서 RNA 중합효소·DNA·RNA의 전사복합체가 RNA 합성을 완료한 후 어떻게 해체되는 가를 최초로 밝히기 위해서, DNA와 RNA의 말단에 각기 다른 색의 형광물질을 부착하고 DNA를 받침유리에 고정시킨 후 RNA 중합효소로 전사반응을 진행시켜 현미경으로 단일분자 형광을 측정하였다[그림 4].

○ 빨간색 Cy5-DNA가 한 개씩 고정된 지점에 초록색 Cy3-RNA가 보이는 것이 전사가 진행 중인 복합체인데, 이들 중에서 초록색이 사라지면 Cy3-RNA가 방출되는 전사종결이 일어난 것이다.

○ 실험결과 전사가 종결된 복합체 대부분(최대 94%)에서 DNA 말단에 있는 Cy5의 형광이 증가하는 현상이 관찰되었다[그림 5의 순차해체 종결]. 이는 중합효소가 Cy5가 있는 DNA 말단으로 옮겨졌기 때문에 생기는 현상이다. 나머지 6%에서는 Cy5 형광이 증가하지 않았는데, 이는 RNA를 방출한 중합효소가 DNA에서 떨어진 것이다[그림 5의 동시해체 종결].

○ 또한 Cy5 형광이 증가하는 것이, 중합효소가 DNA로부터 완전히 떨어진 후 DNA 말단에 붙은 게 아니라, 중합효소가 DNA에 75초 동안 계속 붙은 채 말단으로 이동하기 때문이라는 것을 여러 실험과 분석으로 알아냈다.

○ DNA에서 RNA 합성의 거푸집 역할을 하는 구간은 개시위치 전사 원점原點에서부터 종결위치 전사종점終點까지의 일부분이다. 이런 구간이 두 개가 있는 DNA를 제조하여 실험한 결과, 한 구간에서 전사를 종결한 중합효소가 DNA 위에서 다른 구간으로 이동하여 전사를 재개시하는 것을 입증하였다[그림 6].

○ 더욱이 전사 구간이 하나인 DNA에서도 전사종점에서 끝마친 중합효소가 전사원점으로 되돌아가서 재개시하는 것도 입증하였다. 이로써 중합효소가 전사종결 후 DNA 위에서 앞뒤 양방향으로 움직인다는 것을 알 수 있다.

○ 이는 카이스트의 생화학·분자생물학 실험과 서울대의 생물리학 ·형광 분광학 실험 및 이론의 공동연구로서, 세균(박테리아)의 일종인 대장균의 RNA 중합효소를 가지고 수행한 것이며, 중합효소 이외 다른 단백질이 전혀 필요 없는 몇 가지 전사종결을 대상으로 연구한 것이다.

○ 세균 RNA 중합효소가 종결인자 단백질과 더불어 전사종결을 하는 경우나, 사람과 같은 진핵생물이나 고균의 RNA 중합효소의 경우에는 아직 연구된 바가 없다.

3. 연구성과/기대효과

○ 유전자발현의 기본적인 기작 하나를 규명하여 국제학술지에 논문을 게재하였고 분자생물학의 학문적 발전에 기여하였다.

 

□그림 설명

(그림1) 중합효소·DNA·RNA의 전사복합체. 구조적으로 사람의 왼손 모양과 비슷한 RNA 중합효소가 DNA(짙은 청색)의 거푸집 부분을 벌리고 합성 중인 RNA(옅은 청색)을 붙잡고 있다.

출처 : KAIST 강창원 교수

 

 

 

 

 

 

(그림2) 전사과정의 네 단계. 지금까지는 전사과정을 개시, 연장, 종결의 세 단계로 나누었으나, 이번 연구에서 종결 이후 4번째 단계가 발견되어 재생단계라고 명명되었다.

출처 : KAIST 강창원 교수

 

 

 

 

 

(그림3) 전사과정의 재생(가운데 그림)과 재개시(오른쪽 그림)의 발견. DNA(짙은 청색)의 끝에 Cy5(빨강색)와 접착제(검정색)을 붙이고, 합성되는 RNA(옅은 청색)의 끝에 Cy3(초록색)를 붙이고 RNA 중합효소(왼손)에 의한 전사반응을 진행시키면(왼쪽 그림), 전사종결로 RNA가 방출된 후 중합효소(왼손)가 DNA 위에서 양방향으로 이동하다가(가운데 그림), 전사원점을 만나 전사를 재개시한다(오른쪽 그림).

출처 : KAIST 강창원 교수

(그림4) 단일분자 형광분광학 실험의 개요

출처 : KAIST 강창원 교수

(그림5) 단일분자 형광분광학 실험결과. 전사종결하는 복합체(전체의 33%) 중에서 대부분이 RNA 먼저 순차적으로 해체되었다(전체의 30%). 여기서 관찰된 종결의 91%가 순차 해체하였는데, 최대치가 94%로 추산된다.

출처 : KAIST 강창원 교수

(그림6) 전사재개시 실험. 전사구간이 두 개인 DNA에서 촉진자1(노랑)에서 개시하여 전사종점(옅은 청색)에서 종결한 중합효소가 촉진자2(노랑)에서 전사를 재개시하는 것이 관찰되었다.

출처 : KAIST 강창원 교수

 

□연구자 소개

강창원 교수, 교신저자

1. 인적사항

○ 소 속: 한국과학기술원(KAIST) 생명과학과

○ 전 화: 02-701-4718

○ 이메일: ckang@kaist.ac.kr

2. 학력

○ 1970~1974 학사, 서울대학교 문리과대학 화학과

○ 1975~1977 석사, 미국 Columbia University 화학과

○ 1977~1983 박사, 미국 Columbia University 화학과

3. 경력사항

○ 1983.10~1986.08 미국 Stony Brook University 의대 박사후연구원

○ 1986.08~2017.02 KAIST 생명과학과 조교수 → 부교수 → 교수

○ 1994.04~1995.02 KAIST 생명과학과 학과장

○ 1999.09~2006.02 교육부 BK21사업 과기원 생물사업단장

○ 1999.12~2003.08 KAIST 생명과학과 학과장

○ 2002.01~2005.12 생화학분자생물학회 학술지편집위원장

○ 2004.08~2006.08 KAIST 교무처장

○ 2008.01~2008.12 한국유전체학회 회장

○ 2010.01~2010.12 생화학분자생물학회 회장

○ 2011.06~2016.02 KAIST 생명과학과 학사과정주임교수

○ 2011.09.29. 대전 MBC 한빛대상 수상

○ 2011.11~현재 한국과학기술한림원 이학부 정회원

○ 2012.05.30. 생화학분자생물학회 디아이학술상 수상

○ 2014.03~2017.02 KAIST KT지정 석좌교수

○ 2017.03~현재 KAIST 생명과학과 명예교수

○ 2017.03.10. 대한민국 근정포장 수상

4. 전문분야 정보

○ 생명과학 (유전자발현, 질병유전자)

5. 연구지원 정보

○ 2011~2016 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(기초연구실)

 

홍성철 교수, 공동교신저자

1. 인적사항

○ 소 속: 서울대학교 물리천문학부

○ 전 화: 02-880-6593

○ 이메일: shohng@gmail.com

2. 학력

○ 1989~1994 학사, 서울대학교 물리학과

○ 1994~1996 석사, 서울대학교 물리학과

○ 1996~2000 박사, 서울대학교 물리학과

3. 경력사항

○ 2000~2001 서울대학교 물리학과 전문연구요원

○ 2002~2006 미국 University of Illinois at Urbana–Champaign

박사후연구원

○ 2006~2010 서울대학교 물리천문학부 조교수

○ 2009~2018 물리유전학 창의연구단장

○ 2010~2015 서울대학교 물리천문학부 부교수

○ 2015~현재 서울대학교 물리천문학부 교수

4. 전문분야 정보

○ 생물리학 (단일분자 형광분광학)

5. 연구지원 정보

○ 2009~2018 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(리더연구)

○ 2019~현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

 

 한국연구재단 홍보실 제공