오래된 골목에 들어서면 종종 발견할 수 있는 '맞춤양복집'. 재단사는 한 벌의 옷을 만들기 위해 수많은 원단들을 자르고 이어 붙인다. 맞춤 정장을 위해 재단사가 존재하듯 우리 몸에도 생명현상을 관장하는 재단사가 있다. 바로 RNA 절단 효소인 드로샤(DROSHA)와 그의 파트너 DGCR8으로 구성된 '드로샤-DGCR8 복합체(이하 드로샤 복합체)'이다. 드로샤 복합체는 마이크로RNA를 만들고, 만들어진 마이크로RNA는 유전자의 발현을 조절한다. 때문에 드로샤 복합체는 유전자 발현 조절의 핵심 구성원이라 할 수 있다.

드로샤가 절단하는 마이크로RNA는 정확하게 말하면 마이크로RNA 1차 전구체(primary microRNA)이다. 이 전구체가 드로샤에 의해 특정한 위치에서 잘린 뒤, 한 번 더 다이서(DICER)라는 절단효소에 의해 잘린 다음에서야 비로소 마이크로RNA가 된다. 마이크로RNA의 절단 과정이 중요한 이유는 재단이 잘못되면 옷이 잘못 나오는 것에 비유할 수 있다. 드로샤(재단사)가 마이크로RNA 1차 전구체의 원래 절단 위치가 아닌 주변의 다른 위치를 잘라 만들어진 마이크로RNA는 기능이 달라지고, 유전자 발현 조절도 달라지기 때문이다. 그동안 많은 학자들이 드로샤가 어떤 방식으로 마이크로RNA 1차 전구체를 정확하게 인지하고여 자르는지 파악하려 했지만 아직까지 뾰족한 답을 구하지 못했었다.

▲ IBS 연구진은 마이크로RNA 1차 전구체(주황색과 회색으로 그려진 스프링 모양)를 절단하는 효소인 드로샤가 mGHG(보라색)의 도움으로 정확하게 절단 위치를 파악함을 실험으로 증명해 몰레큘러 셀 최신호에 실험결과를 게재했다.

드로샤가 마이크로RNA 1차 전구체를 절단한다는 사실이 학계에 보고된 지 15년, 드디어 절단 기작에 대한 명확한 답이 나왔다. 우리원 RNA 연구단(단장 김빛내리)이 드로샤가 마이크로RNA 1차 전구체를 인지할 때, mGHG라는 특징적인 서열을 이용해 절단 위치를 결정한다는 사실을 밝힌 것이다. 이전 연구에서는 크게 주목 받지 못했던 mGHG의 역할을 새롭게 제안해 드로샤의 절단 과정에 관한 공식을 만든 셈이다. 마치 재단사(드로샤)가 바지(마이크로RNA)가 될 원단(마이크로 1차 전구체)을 자를 때, 원단에 표시된 선(mGHG)을 기준으로 정확하게 재단하는 과정과도 같다. 이번 연구는 세포와 관련된 분자적 기전을 밝히는 최신 연구들을 싣는 몰레큘러 셀(Molecular Cell, IF 14.28)에 12월 13일 게재되었다.

IBS 연구진은 이번 연구에서 대용량 시퀀싱(high-throughput sequencing) 기술을 이용해 해답에 다가갔다. 먼저 드로샤가 절단 위치를 결정할 때 사용할 가능성이 가장 높은 변수들을 모두 포함해 약 40,000개의 마이크로RNA 1차 전구체를 설계했다. 이를 드로샤 복합체를 이용해 자르고, 어느 위치가 얼마나 효율적으로 잘리는지를 분석했다. 연구진은 이 과정에서 이전에는 크게 주목받지 못했던 변수인 mGHG가 절단 위치를 결정하는데 핵심적인 역할을 수행함을 확인했다. 또한 mGHG와 다른 변수들 간 관계도 파악해 마이크로RNA 1차 전구체가 변수들 간 조합에 의해 어떻게 인지되고 절단되는지 모델로 제시했다.

▲ IBS RNA 연구단은 마이크로RNA 1차 전구체의 절단 위치를 드로샤 복합체가 어떻게 결정하는지 파악하고자 대용량 시퀀싱 기법을 실시했다. 수만 종의 마이크로RNA 1차 전구체가 각기 어느 위치에 잘리는지 확인한 결과, mGHG의 영향력이 클 경우, 절단 위치가 한 군데로 결정되고 mGHG의 영향력이 없을 경우, 절단 위치가 각 전구체마다 달라짐을 확인했다.

▲ 절단위치 결정 모델. 드로샤는 헤어핀 모양의 마이크로RNA 1차 전구체의 하단 부분(Basal junction & UG)과 mGHG 부분을 이용해 절단 위치를 결정한다.

연구진은 더 나아가 절단효소인 드로샤가 mGHG와 결합할 구조를 예측해 생화학 실험으로 이를 증명했다. 드로샤에 있는 이중가닥RNA 결합 도메인(double stranded RNA-binding domain)이 마이크로RNA 1차 전구체의 mGHG 부분에 특이적으로 결한다는 것을 확인했다. 이중가닥RNA 결합 도메인이 더듬이처럼 mGHG 주변을 탐지하다가 최적의 mGHG 서열을 발견하면, 그 위치에 안정적으로 결합하여 드로샤의 RNA 절단 도메인이 정확한 위치를 자르게 하는 원리다.

사람의 경우, 약 500여 개의 마이크로RNA 1차 전구체가 존재한다고 알려져 있는데, 서로 다른 구조를 가진 전구체들이 어떻게 하나의 절단효소인 드로샤에 의해 인지되고 절단되는지 큰 의문으로 남아있었다. 이번 연구는 그간 연구자들이 궁금증을 가졌던 재단사 역할의 드로샤가 지닌 절단 노하우를 밝혔다는데 의의가 있다. 또한 아주 오래 전 공통의 한 조상으로부터 현재의 다양한 생물종이 출현하기까지 진화의 과정에서 마이크로RNA가 어떤 서열 혹은 구조적인 특징들에 의해 발달되어 왔는지 이해하는데도 기여를 했다.

이번 연구를 설계하고 진행한 권성철 연구위원은 "마이크로RNA는 생물학 뿐 아니라 임상의학 분야에도 관심을 받고 있다. 마이크로RNA와 비슷한 RNA를 만들어 세포 속에 집어넣으면 우리가 원하는 대로 유전자 발현을 제어할 수 있기 때문이다"라며 "그동안은 마이크로RNA 1차 전구체가 어떻게 잘리는지 이해가 적었기 때문에 이와 비슷한 모양의 작은 헤어핀RNA(short hairpin RNA)를 설계할 때 한계가 많았다. 만약 우리가 밝힌 지식을 활용한다면 가장 효율적이고 확실하게 작동하는 작은 헤어핀RNA을 만들 수 있다"고 말했다.

▲ 마이크로RNA 1차 전구체가 드로샤 복합체(드로샤-DGCR8)에 의해 인식되고 절단되는 과정을 총 4단계로 나누어 보여주는 모델. 마이크로RNA 1차 전구체가 드로샤 복합체로 가까이 와서(Step 1), 하단 부분(basal junction)을 이용하여 대략 결합한 후(Step 2), 드로샤의 이중가닥RNA 결합 도메인(dsRBD)이 mGHG를 잡아 마이크로RNA 1차 전구체의 위치를 결정하고(Step 3), RNA 절단 도메인(Processing center)이 RNA를 잘라서, 마이크로RNA 2차 전구체(pre-miRNA)를 생성한다(Step 4).

IBS 커뮤니케이션팀
고은경