생명현상 마이크로RNA 생성-조절 메카니즘 규명

충북대 이수재 교수, 일본연구팀과 공동으로 구조해석에 성공

모든 생명현상에 깊이 관여하는 마이크로RNA의 생성을 조절하는 메카니즘이 규명돼 관심을 모은다.

교육과학기술부는 충북대학교 약학대학 이수재 교수가 일본 오사카대학의 연구팀과 공동으로 마이
크로RNA 세포내 수송복합체의 입체구조해석에 성공했다고 밝혔다.

앞서 이수재 교수는 13여년에 걸쳐서 단백질 등의 핵-세포질 수송에 관여하는 수송인자에 대한 입체구조 연구를 한국, 일본 및 영국 등에서 수행해 연구결과를 Nature 및 Science지 등에 발표한 바 있다.

연구팀은 이번 연구에서 핵에서 만들어진 마이크로RNA의 전구체와 핵에서 세포질로 수송을 담당하는 단백질 Exp-5 및 수송조절 단백질인 Ran 등 세 가지의 생체거대분자의 복합체를 X-선 회절실험을 통해 입체구조를 얻어내는데 성공, 마이크로RNA가 핵에서 세포질로 안전하게 이동되는 과정에 대한 이해를 확립했다.

마이크로RNA는 세포 내에서 다양한 유전자를 조절함으로써 세포의 분화, 성장 및 사멸 등 모든 생명 현상에 관여하는 것으로 알려져 있다. 마이크로RNA의 생성은 많은 수식과정을 거쳐서 성숙한 마이크로RNA가 탄생된다.

핵과 세포질에서 각각 일어나는 수식과정을 완결 짓기 위해서는 핵에서 세포질로 수송되는 과정은 필수적이라고 할 수 있으며, 이 과정에 문제가 생겨 마이크로RNA의 양이 변화한다면, 암과 같은 질병이 발생할 수 있다.

그동안 마이크로RNA의 전구체가 핵에서 세포질로 수송되는 과정에 수송단백질 Exp-5와 수송조절단백질 Ran 복합체가 관련돼 있다는 것은 알려져 있었지만, Exp-5와 Ran 단백질 복합체가 핵내에 존재하는 많은 종류의 RNA 중에서 어떻게 마이크로RNA 전구체를 특이적으로 인식하는지에 대해서는 알려진 바가 없었다.

이교수팀은 인간유래의 Exp-5 단백질과 Ran 단백질을 대장균에서 대량으로 배양하고 정제과정을 거쳐서 Exp-5과 Ran 및 마이크로RNA 전구체(30a type), 3가지 물질의 연약한 복합체를 순수 분리하는데 성공했다.

이를 제3세대 방사광시설을 이용한 X-선 회절실험을 통해 고분해능에서 입체구조의 해석에 성공함으로써 마이크로RNA 전구체의 핵에서 세포질로의 수송을 조절하는 과정을 원자수준에서 파악, 이 결과를 바탕으로 신약개발 등의 응용연구를 수행할 수 있는 기틀을 마련했다.

특히 이번 연구에서 Exp-5와 Ran 복합체는 야구미트의 형태를 가지고 있어서 미트의 내부에 핵 내에서 분해되기 쉬운 마이크로RNA 전구체를 미트 깊숙이 집어넣어 보호함으로써, 핵 내에 존재하는 RNA 분해효소에 의해 마이크로RNA 전구체가 분해되지 않고 안전하게 세포질로 수송시킬 수 있음을 밝혀냈다.

또한 마이크로RNA 전구체를 Exp-5와 Ran 복합체가 마이크로RNA 전구체가 가지는 말단구조의 돌출된 부분을 특이적으로 인식하는 방법에 대해서도 알아냈다.

Exp-5와 Ran 복합체는 마이크로RNA 전구체의 말단돌출부를 강하게 결합시키고 본체부분은 약한 결합을 형성함으로써 Exp-5와 Ran 및 마이크로RNA 전구체 복합체가 형성되어 세포질로 수송될 수 있다.

Exp-5와 Ran 복합체가 마이크로RNA 전구체의 시작부분과 끝부분의 말단구조를 구별함에 있어서도, RNA구조의 특성상 시작부분의 말단부위를 인식하는 것이 불가능함을 규명된 입체구조를 통해 이해할 수 있었다.

이번 연구결과를 통해 밝혀진 마이크로RNA 인식과정은 핵 속에 존재하는 짧은 이중나선 구조를 가진 RNA(tRNA 및 바이러스 유래 RNA들)에도 공통적으로 적용될 수 있어서, Exp-5와 Ran 복합체는 특이적으로 이들을 결합시켜 핵에서 세포질로의 수송을 담당한다.

이 실험결과를 바탕으로, 핵-세포질 수송과정에서 특이적으로 각각의 마이크로RNA 전구체를 제어하는 방법을 개발한다면 암과 바이러스감염 및 유전적질환 등 마이크로RNA가 관련된 여러 질환의 치료제개발에 응용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.

이수재 교수는 “이번 연구는 마이크로RNA 전구체가 핵에서 세포질로 수송되는 과정을 원자수준에서 이해하게 됨에 따라서 향후 많은 종류의 마이크로RNA를 핵-세포질 수송과정에서 제어할 수 있는 가능성을 열었으며, 이를 마이크로RNA 관련 질환연구에 응용할 수 있다”고 설명했다.

한편, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학저널인 ’사이언스(Science)지‘ 11월27일자에 게재될 예정이다.

<용어>
△마이크로RNA(microRNA 혹은 miRNA)
=마이크로RNA는 21~23 뉴클레오티드 정도의 작은 단일가닥 RNA이다.
전사 후 핵에서 Drosha 단백질에 의해 마이크로RNA 전구체가 형성되고 세포질로 이동된 다음, 세포질에서 여러 단계의 프로세싱 과정을 거쳐서 완성되며 상보적인 메신저RNA (mRNA)에 결합해 메신저RNA의 발현을 억제한다.
여러 종류의 마이크로RNA는 세포내에서 다양한 메신저RNA들의 발현을 조절함으로써 세포 분화, 성장, 증식 등 대부분의 생명 현상에 관여한다.

△RNA
=리보핵산(Ribonucleic acid) 또는 RNA는 오탄당의 일종인 리보오스를 기반으로 뉴클레오티드를 이루는 핵산의 한 종류다.
하나의 나선이 길게 꼬여 있는 구조를 지니며 DNA의 일부가 전사돼 만들어진다. RNA는 단백질을 합성하는 과정에 작용하며 일부 바이러스는 DNA 대신 RNA를 유전물질로 갖기도 한다. 핵염기로 DNA와 달리 티민 대신 우라실을 갖는다.

△Exp-5 단백질
=Exp-5(exportin-5)는 핵에서 세포질로 물질을 이동시키는 수송단백질의 일종으로서, 수송조절단백질인 Ran과 함께 마이크로RNA 뿐만 아니라 핵 속에 존재하는 짧은 이중나선형 RNA들에 (tRNA 및 virus 유래 RNA들) 특이적으로 결합해 핵에서 세포질로 이들의 수송을 담당한다.

△Ran 단백질
=핵-세포질 수송과정의 조절역할을 담당하는 단백질로서, 핵에서는 GTP형으로 존재하여 Exp-5와 협력해 마이크로RNA 전구체를 결합시키고, 세포질로 이동되면 GDP형태로 변함으로서 Exp-5와 해리됨에 따라서 마이크로RNA 전구체도 Exp-5와 해리돼 마이크로RNA로 변하게 하는 역할을 한다.