생명체는 하나의 세포에서 시작해 여러 단계의 발생 과정을 겪는다. 성숙한 난자와 정자가 결합해 수정이 되면, 배아 상태의 세포는 거듭된 분열을 거쳐 완전한 개체가 된다. 특히 초기 발생 단계의 배아를 초기 배아라 하는데, 초기 배아는 완전한 개체가 되기 위한 유전 정보를 모두 갖춘 생명체의 시작점과 같다. 이제 첫걸음을 뗀 세포의 입장에서는 멀고 먼 '발생'의 길을 계속 걸어 나가기 위해 여러 단백질들이 필요하다. 초기 배아는 어떻게 자신에게 필요한 단백질을 생산하고 조절할 수 있을까?

초기 배아에서 발생에 필요한 단백질의 생산은 전령 RNA의 아데닌꼬리에 달려있다. 아데닌꼬리는 전령 RNA 말단에 존재하는 염기 서열로, 전령 RNA를 보호하고 단백질 합성을 촉진하는 역할을 수행한다. 다양한 모델 동물의 난모세포와 초기 배아에서 아데닌꼬리 길이는 단백질 합성에 결정적 영향을 미치는 것으로 알려져 있는데, 모든 전령 RNA는 아데닌꼬리를 갖기 때문에 아데닌꼬리는 마치 전령 RNA의 지표와도 같다. 따라서 아데닌꼬리 길이를 정확히 측정하는 것은 전령RNA의 생성/소멸과 단백질 생산을 연구하는데 중요한 정보를 제공한다.

그러나 난모세포와 초기 배아는 충분한 시료 확보가 어려워, 그 전령 RNA의 연구는 극히 제한적으로 이뤄져 왔다. 2014년 개발된 '꼬리서열분석법(TAIL-seq)'은 전체 유전자 수준에서 전령 RNA의 아데닌꼬리를 분석할 길을 열었으나, 극소량의 난모세포·초기배아 시료로 전령RNA 아데닌꼬리를 연구하는 데는 여전히 큰 한계가 있었다. 또한, 그동안 아데닌꼬리 관련 연구는 특정 개별 유전자에 대해서만 증명되었으며, 전체 유전자 수준의 분석은 실험 방법적 한계 때문에 제대로 수행되지 못했다.

이에 따라 IBS RNA 연구단은 전령RNA에 대한 민감도를 1천배 정도 개선한 전령RNA 꼬리서열분석법(mTAIL-seq)을 새롭게 개발했다. 기존의 꼬리서열분석법과 기술적 원리는 동일하지만, 시료 속 다양한 RNA 중 아데닌꼬리를 가진 전령 RNA만을 모아 분석할 수 있다는 것이 새로운 점이다. 전령 RNA 꼬리서열분석법으로, 극소량의 난모세포나 초기배아 시료로도 수천 개 유전자의 아데닌꼬리 길이를 정확하게 측정할 수 있는 길이 열린 것이다.

연구진은 이 새로운 분석법을 이용하여, 초파리의 난모세포와 초기 배아에서 유전자 전체 수준의 아데닌꼬리 길이를 측정했다. 초파리 난자 형성과정 중 난모세포 성숙시기에 대부분의 전령RNA들의 아데닌꼬리가 길어지는 것을 관찰했다. 이러한 아데닌꼬리 길이의 변화는 다중 아데닐 중합효소인 위스피(Wispy)가 작용, 전령 RNA에 다수의 아데닌을 중합해 아데닌 꼬리의 길이를 조절하는 것을 확인했다.

또한, 연구진은 전령 RNA 꼬리서열분석법과 리보솜 프로파일링 기술을 통해 초기 배아로의 모든 발생 단계에서 유전자 번역 효율을 비교 분석했다. 그 결과 초기 배아에서 아데닌꼬리 길이가 길어진 유전자는 번역 효율이 증가하고, 아데닌꼬리가 짧아진 경우 번역 효율이 감소하는 것을 확인, 아데닌꼬리 길이와 번역 효율 사이의 강한 상관관계를 증명했다. 이는 난모세포가 초기배아 발생에 필요한 단백질들을 선택적, 효율적으로 생산하기 위해, 아데닌꼬리 길이의 조절함으로써 번역 효율을 제어하는 것으로 해석할 수 있다.

전령 RNA 꼬리서열분석법은 향후 여러 생물 종의 다양한 세포나 조직, 뿐만 아니라 소량의 환자 시료들에도 적용할 수 있어, RNA의 생성과 소멸, 단백질 생산 연구에 유용한 도구로 널리 활용될 것으로 기대된다. 꼬리서열분석법은 기존보다 훨씬 높은 민감도로, 다양한 생물 종 간의 진화적 발달 차이를 밝히는 데에도 도움이 될 것이다.

▲ 전령RNA 꼬리서열분석법 (mTAIL-seq)

▲ 난모세포와 초기 배아에서의 아데닌꼬리 길이 조절

본 연구결과는 발생 생물학 분야 세계적 학술지인 진스 앤 디벨롭먼트(Genes & Development, If 10.042) 온라인 판에 미국 동부 시간으로 지난 7월 21일 게재됐다.

대외협력실 김주연