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빛으로 RNA 이동과 단백질 합성 조절

세포 내 전령RNA의 리보솜 결합 및 분리를 제어하는 RNA 광유전학 기술 개발

기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단은 빛을 이용해 ‘유전정보를 전달하는 전령RNA’와 ‘단백질을 생성하는 리보솜’의 결합을 제어하여, 단백질 합성을 조절하는 기술을 개발했다. DNA의 유전정보는 전령RNA를 거쳐 단백질로 전달된다. DNA의 유전정보가 전령RNA에 복제되면, 단백질 생성공장인 리보솜이 전령RNA의 유전정보를 읽어 단백질을 합성한다. 단백질 합성에 있어 전령RNA는 DNA 유전정보의 중간 전달자, 리보솜은 생성공장, 단백질은 완성품인 셈이다.

이전에는 화학물질을 처리해 전령RNA를 조절하는 방법으로 모든 전령RNA를 한꺼번에 조절하기 때문에 특정 종류의 전령RNA만을 세밀하게 조절하기 어려웠다. 이번 연구에서는 살아있는 세포에 청색광을 비춰줌으로써 세포 내 특정 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 시공간 특이적으로 조절하는 mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 개발했다.

연구팀은 이전 연구로 개발한 라리아트 올가미(LARIAT, Light-Activated Reversible Inhibition by Assembled Trap) 기술과 RNA 이미징 기술을 융합하여 mRNA-LARIAT 기술을 개발했다. 라리아트 올가미 기술은 세포에 청색광을 비추면 단백질들이 복합체를 형성해 라리아트 올가미(LARIAT)를 만들어 특정 분자를 가두는 기술이고, RNA 이미징 기술은 전령RNA에 형광단백질을 표지하고 현미경으로 관찰함으로써 세포 내 전령RNA 이동을 시각화하는 기술이다. mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 이용하면 빛의 유무에 따라 라리아트 올가미에 전령RNA를 가두거나 분리하고, 이를 실시간으로 관찰하는 것이 가능하다.

연구팀은 헬라 세포에 청색광을 비춰주면 라리아트 올가미에 전령RNA가 가둬지면서 리보솜과 격리되고 단백질 합성이 감소함을 관찰했다. 이어 청색광을 차단하면 라리아트 올가미로부터 전령RNA가 빠져나오면서 리보솜과 단백질 합성을 다시 시작함을 확인했다. 이는 mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 빛의 유무에 따라 매우 빠르고 가역적으로 단백질 합성을 조절할 수 있음을 의미한다.

대부분의 단백질은 전령RNA와 리보솜에 의해 합성된 후, 각 단백질이 작용하는 위치로 이동한다. 하지만 전령RNA가 라리아트 올가미에 가둬지면 전령RNA가 향후 단백질이 작용하는 위치까지 이동하는 것이 멈춰지고, 단백질 합성이 차단된다. 이와 같이 mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 이용해 빛으로 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 조절하면, 살아있는 세포 내 RNA의 위치와 합성되는 신생단백질의 기능을 보다 효율적으로 연구할 수 있다.

mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 전령RNA(mRNA)의 이동과 단백질 합성을 조절하는 모식도.

▲ mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 전령RNA(mRNA)의 이동과 단백질 합성을 조절하는 모식도.

연구팀은 베타액틴(β-actin) 단백질 합성에 관여하는 전령RNA에 mRNA-LARIAT 기술을 적용했다. 베타액틴 단백질은 세포 모양 및 이동에 관여하는 대표적인 세포골격 단백질로, 세포의 가장자리에서 길게 연결되거나 짧게 끊어지면서 세포의 모양을 변화시켜 이동하게 한다. 세포에 청색광을 비추니 전령RNA가 라리아트 올가미(LARIAT)에 가둬져 리보솜과 격리되었다. 이에 따라 베타액틴 단백질 합성이 억제되고, 단백질 합성 효율이 최대 90%까지 감소되었다. 베타액틴 단백질이 부족하니 세포가 이동 기능을 제대로 수행하지 못했다. 이는 새롭게 합성된 베타액틴 단백질이 세포의 이동 기능에 필수적임을 의미한다.

이어 섬유아 세망세포 분화 후기에 히포 신호전달경로가 활성화되면 림프절이 섬유화 되어 면역기능이 마비됨을 관찰했다. 섬유아 세망세포로부터 섬유화를 촉진하는 물질이 분비되면 림프절이 딱딱하게 굳어지고 면역기능을 수행하기 힘들다. 히포 신호전달경로의 Yap/Taz 단백질 활성화 시 림프절 섬유화가 일어나는 것으로 보아 추후 기관 및 장기의 섬유화 치료에 Yap/Taz 저해제가 활용될 것으로 기대한다.

청색광 유무에 따라 베타액틴(β-actin) 단백질의 합성 효율과 세포의 이동 양상이 달라진다.

▲ 청색광 유무에 따라 베타액틴(β-actin) 단백질의 합성 효율과 세포의 이동 양상이 달라진다.

허원도 초빙연구위원은 “mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 활용하면 암세포, 신경세포 등 다양한 세포 내 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 빛으로 조절할 수 있다”며 “앞으로 암세포 전이, 신경질환 등 전령 RNA관련 질병 연구에 응용 가능할 것이다”고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이처 셀 바이올로지(Nature Cell Biology)에 2월 18일 온라인 게재되었다.

IBS 커뮤니케이션팀
박인혜

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    최종수정일 2019-12-17 14:32